纳米通道内气泡核化的分子动力学模拟

为了探讨壁面浸润性与流体初始密度对气泡核化位置以及纳米气泡在凹槽内生长核化影响规律,本文采用分子动力学方法研究纳米结构微通道内液体氩的沸腾核化过程。通过改变固液势能的相互作用参数来调整壁面浸润性。结果表明：纳米凹槽壁面浸润性对气泡核化过程具有重要的影响。一方面,当固体表面的浸润性较弱时,凹槽内流体受排斥力的作用,原子排布比较稀疏,原子碰撞频率增大,局部活化能聚集,从而导致气泡在纳米凹槽内形成。另一方面,当壁面浸润性较强时,气泡会在微通道中央形成。此外,区别于均质浸润性纳米凹槽内气泡曲率半径及接触角保持不变的核化动力学行为,其在异质亲疏水匹配的纳米结构微通道内产生了显著的差异。当壁面浸润性维持不变,核化气泡的曲率半径随着流体初始密度增大而增大,与之相反,稳态接触角却随之减小。     

静止液体中顶部浸没管口处气泡形成的数值预测

综合分析气泡的受力,基于动力学平衡建立了长大-脱离的两阶段气泡运动方程.对顶部浸没管口处形成气泡的尺寸进行直接数值预测.分析了气体流量、管口内外直径以及表面张力、液体粘度和液体密度对气泡尺寸的影响.并将计算结果与实验结果进行了对比,两者吻合较好,变化趋势一致.研究表明:气泡尺寸随着气体流量以及管口的内径和外径的增加而增大.气体流量和管口内外径都是影响气泡尺寸的重要因素;在一定气体流量下,气泡的直径随着表面张力和液体粘度的增加而增大,而随着液体密度的增加而减少;随着气体流量的增加,液体粘度对气泡尺寸的影响增强,而液体密度以及表面张力对气泡尺寸的影响减弱.     

Numerical modeling of dimethyl ether （DME） bubble growth and breakup

A numerical program is written to simulate the process of vapor bubble growth with spherical symmetry from the thermodynamic critical radius in an initially uniformly superheated liquid. The program is validated by the experimental data of superheated water. The calculated results agree with those of experiments well. The program takes into account the variations of properties with temperature precisely to simulate the DME bubble growth under flash boiling conditions. Considering the influences of pressure, surface tension and viscous stress, the linear stability analysis method is adopted to deduce the dispersion equation to represent the disturbance development during the bubble growth, and a new criterion for bubble breakup is established. The results show the bubble becomes more unstable with the increase of bubble Weber number and void fraction, and that with the increase of bubble growth rate or the decrease of initial radius ration of droplet to bubble, the breakup time of bubble becomes shorter.     

T型微通道内气泡生成大小影响因素研究

采用流体体积函数（VOF）方法,对T型微通道中气泡形成过程进行数值模拟研究,根据气泡形成机理,分析了气液流速、流体性质和微通道尺寸等因素对生成气泡大小的影响。研究结果表明,T型微通道内生成气泡长度随气体份额的增加呈指数增加趋势,而在相同气体份额下气液流速对气泡长度影响不大;比较而言,液体粘度和表面张力对生成气泡大小的影响较小,当液相表面张力从0.072 N·m-1降低到0.01 N·m-1时,T型微通道内生成气泡的长度减小了18%,主要是因为在阻塞阶段,最大颈部宽度和塌陷时间减小了;气泡长度随微通道直径的增加而增大,而气泡的无量纲长度基本不受微通道直径的影响。     

液体表面张力对气泡声散射的影响

气泡在液体中受液体的表面张力和液体静态压力相当的情况下,研究了表面张力对气泡声散射的影响.建立球形气泡表面的速度和压力连续性方程,并在方程中引入气泡受液体表面张力的影响,求出了气泡在对称振动模式下的散射系数及散射声功率,并进一步推导了在多气泡的情况下的等效入射声场.通过数值分析发现,当球形气泡在液体中受液体的表面张力和液体静态压力相当时,球形气泡的半径约为10^-6m,在此情况下,液体表面张力对气泡声散射的影响只在驱动声场的角频率小于10^5rad/s时才能表现出来,并且在多气泡的情况下对等效入射声场的等效声压振幅会产生较大影响.而在驱动声场的角频率大于10^5rad/s的情况下,液体表面张力对气泡的散射系数、散射声功率及等效入射声场声压振幅的影响不明显.对于气泡的声散射问题,气泡受液体表面张力的影响需根据所研究的具体问题进行取舍.     

气泡碰壁反弹的动力学模型研究

为了解气泡与壁面相互作用的物理机制和详细动力学过程,对气泡与壁面碰撞反弹的动力学过程进行了分析,综述了理论模型的发展过程,并采用所建立的理论模型进行数值求解.当毫米级气泡以一定速度垂直撞击壁面时,气泡与壁面之间存在一层液膜,该液膜呈现多种形状.气泡的变形会改变薄膜内压强的分布,形成薄膜排水过程.气泡在与壁面作用的过程中会反弹多次直至动能被完全消耗.在建立的动力学模型中,液膜厚度分布由Stokes-Reynolds方程描述,液膜内压强由Young-Laplace方程求得,在气泡的轨迹模型中引入了由液膜内压强引起的壁面诱导力.结果表明:描述液膜厚度及膜内压强的SRYL模型能够捕捉薄膜变化的动力学行为,基于薄膜润滑近似的壁面诱导力模型可以较好地预测气泡多次反弹的运动轨迹,壁面诱导力在气泡撞击壁面的过程中对气泡运动起主导作用;随着气泡尺寸和雷诺数的增大,气泡的反弹次数会逐渐增加,气泡是否反弹以及反弹次数与雷诺数有着直接的关系.      

双联毛细管管口气泡生长可视化实验

利用高速摄影仪对双联毛细管管口气泡的生长和脱离特性进行了可视化实验研究.实验结果表明,当液体淹没双联毛细管管口时,在管内无气体流动情况下,管径大和亲水的毛细管易于成为液体通道,而管径小和憎水的毛细管易于成为气体通道;在有气体流动情况下,管径大的毛细管成为气体通道,而管径小的则成为液体通道.当气室的进气流量增大时,双联毛细管端口处气泡脱离直径变化很小,而气泡的脱离周期却随之明显减小,双联毛细管的气泡生长和脱离会发生明显的相互影响.此外,液体流速对气泡的生长和脱离有很大的影响,液体流速越大,气泡脱离越快,气泡的脱离直径则越小;在液体流速较大时,靠近流体进口处的毛细管端口气泡生长和脱离明显加快,从而导致相邻毛细管端口的液体回流现象.     

气泡生长及脱离过程中下边缘的迁移行为

基于高速摄像技术记录静止液体中气泡生长及脱离过程,并采用Image-Pro Plus 6.0软件进行后处理,研究了两种管径下气泡生长过程的形状变化.实验结果表明:由于不同管径下气泡生长过程中起主导的作用力不同,导致小管径生成气泡的高宽比随时间变化呈先陡后缓的上升趋势,大管径生成气泡的高宽比随时间变化呈先缓后陡的上升趋势;由于生长前期不满足脱离条件,小管径生成的气泡会出现下边缘向液体侧迁移的现象;大管径生成的气泡在气液面与固液面夹角小于接触角时即达到脱离条件,因此不会出现迁移;3.80 mm气泡脱离上浮的临界高宽比稍大于9.28 mm气泡相应值.     

静态声空化泡内外的质量交换

研究表明声空化泡内外存在着不可忽略的质量交换,但目前的研究主要针对激烈脉动型的声空化泡.本文利用驻波声场的Bjerkes力稳定悬浮非激烈脉动型声空化泡（静态声空化泡）来研究泡壁处气液间的质量交换特性.结合实验结果,我们分析了驱动声压、气体种类、液体的黏度、表面张力,饱和蒸汽压等因素对静态声空化泡内外质量交换特性的影响.同时,我们设计的实验系统也为气液传质特性测量提供了一种方法.     

过热液中汽泡生长初期阶段特性

依据非平衡热动力学相变理论建立了在均匀过热液中的汽泡生长模型．该模型中引入多变热,以保证汽泡在正化学势差作用下长大．采用数值计算方法,对汽泡生长的初始阶段特性进行了研究．计算表明,汽泡在此生长阶段存在滞后和自适应调节现象,滞后时间与引入的不同温度、压力、速度等扰动量的强度有关．在一定范围内,扰动大小并不明显影响汽泡生长曲线     

应用高速摄影技术研究空化现象

高速摄影技术是研究空化现象的有力工具。文中利用高速摄影技术研究了液体粘性、 含沙量及流速对电火花空泡溃灭过程的影响。主要结论有：液体粘性使空泡溃灭过程变 缓；含沙量的影响类似于液体粘性：流速使空泡膨胀过程变缓但使溃灭过程加速；近固壁 处空泡溃灭时微射应朝向壁画，而当壁面具有高弹性或在自由表面附近溃灭时则微射流将 背离壁面；空泡溃灭时将使泡周围的固体颗粒产生运动。文中附有典型高速摄影照片。     

液态金属熔体中气泡运动特性数值模拟

为了揭示高温液态金属熔体中气泡运动规律及其彩响因素,应用VOF方法对单个气泡在液态金属中的运动特性进行了数值计算,得到了与实验数据相符合的气泡变形及上升速度规律;分析预测了表面张力对气泡变形过程的影响及单个气泡在液态铝熔体中的运动轨迹．结果表明,气泡的变形随着奥托斯数的减小而减小;其运动规律是呈螺旋式上升的,容器半径越小、气泡越小,气泡的摆动幅度越大．     

金属熔池往复搅拌流场中气泡运动特性数值模拟研究

应用基于体跟踪的VOF方法对金属熔池往复搅拌流场中单个气泡的运动及变形特征进行了数值模拟研究.分析了搅拌流场的往复运动频率、气泡初始尺寸、表面张力以及奥托斯数Eo和莫顿数Mo等因素对气泡运动与变形的影响.数值模拟结果表明,气泡上升轨迹与气泡直径、流场平动频率及Mo有关,气泡直径越大,其螺旋上升趋势越强;在分析范围内,平...     

淤浆鼓泡床反应器中的液沫夹带

利用淤浆鼓泡床反应器(SBCR)二甲醚合成反应的惰性介质石蜡油的蒸气压,在二甲醚合成的操作条件下对N2-石蜡油系统、N2-石蜡油-C301细颗粒催化剂系统的液沫夹带进行了计算;优化了鼓泡淤浆床反应器中影响液沫夹带量的操作因素(气速、压力、温度)和装置因素(分离器特征尺寸)。对比两相操作与三相操作的液沫夹带,认为可将三相床中的夹带作拟两相处理,进一步分析了液沫夹带的机理,结果表明：气泡的破裂和液体能量的增大是影响液沫夹带的主要因素。     

汽泡生成状态对沸腾传热影响的实验研究

就常规沸腾下的汽泡生成状态对沸腾传热强弱的影响进行了实验及机理研究．结果表明：诱发传热表面上汽泡的成核可使沸腾换热强化，相反，沸腾传热减弱．     

毛细管内制冷剂的综合成核理论与模型

对毛细管内制冷剂的闪蒸机理提出“综合成核”理论，从该理论出发，建立了毛细管内制冷剂流动的数学模型，包括气泡密度模型，气泡成长模型和毛细管内制冷剂闪蒸流动数学模型，计算出了管内制冷剂闪蒸流动过程中的压力，温度，气泡密度，干度和空泡份额的分布，并对计算经进行了理论分析，结果表明，在实际闪蒸的流动过程中，由于流体的过热度较小，壁面成核是气泡产生的最主要原因。     

Modeling and Simulation of a Gas-Liquid Coupling Excitation-Induced Cavitation Bubble

A gas-liquid coupling excitation mode is proposed and the gas-liquid excitation experimental system is developed. Air from pulse generator is mixed with liquid,through which the generated cavitation bubbles can strip contaminants adhered to the pipe inner wall rapidly. The kinematics equation of the bubble inside the hydraulic oil is established and the numerical simulations are carried out. The influential factors such as gas pressure, excitation frequency,initial bubble radius and fluid viscosity are analyzed.The results show that the cavitation will evolve from steady state to transient state with the increasing gas pressure and initial bubble radius. The pulse generator frequency has a slightly effect on the growth of the bubble radius,and the breakup time of the bubble is shortened with the rising frequency. Similarly, the increasing viscosity of liquid has minimal impact on cavitation effect,which can weaken the growth and the collapse of the bubble. Moreover,the temperature inside the cavitation bubble is investigated,indicating that the instantaneous temperature inside the bubble increases with the rising gas pressure. Once the gas pressure is raised to a certain value greater than the fluid static pressure, the instantaneous temperature inside the bubble will rise sharply. So, it can be concluded that the gas-liquid coupling excitation-induced cavitation process is controllable, and some theoretical basis of the new excitation mode is presented,which is expected to be applied in the online cleaning of the complex hydraulic system.     

泡沫油运动形态的可视化研究

委内瑞拉Orinoco地层油复杂的“泡沫油”流动特征在油藏开发及实验室研究中受到高度重视,不同压力下的泡沫油微观形态研究对探寻渗流机理尤为重要。低于泡点压力时泡沫油表现出复杂的形态变化,实验利用可视化模型观察和分析了气泡的形成、生长过程、合并和分裂现象,并发现气泡通过孔隙时具有独特的运移特征：当气泡接近和通过孔喉时,运移速度明显加快。不同直径的气泡伴随有变形、翻转和吸附等形式。对模型表面粗糙度、孔隙大小、气泡尺寸等因素进行分析后,发现气油比是影响气泡数量的关键因素,但其不是气/液界面相互作用的主要因素。气泡的产生及运动过程受压降和重质组分的双重作用,高沥青质、胶质含量决定了泡沫油的渗流特征。     

空泡溃灭过程中力学损伤行为

在电脉冲空蚀实验装置上,设计加装了压电传感系统,成功地监测记录了空泡溃灭对金属表面的作用力,对气泡的溃灭过程进行了描述和解释,验证了气泡的二次溃灭理论.计算了两次溃灭过程中冲击能量变化情况.测量了气泡在距离金属表面不同距离时,空泡溃灭作用于金属表面压强和冲量的大小,两者的变化规律对比分析表明:脉冲放电产生的冲击压和冲量随距金属表面的不同距离而表现出的规律不一致.     

钨基辐照材料纳米氦泡诱导位错成核的分子模拟

基于分子动力学模拟,系统研究纳米氦泡的内压、孔径和温度对钨基辐照材料位错成核机理的影响.首次采用微动弹性带(nudged elastic band,NEB)方法对氦泡诱导位错成核的能垒进行分析.研究发现,存在一个极限氦/空位比,当氦/空位比超过该极限值时,纳米氦泡通过内压驱动位错成核、位错竞争与反应、交滑移等微观机理生...