基于扩散界面法的单气泡运动和生长的数值模拟与实验研究

发布时间：2020-09-15 18:26

　　多相流广泛的存在于自然界,工业生产和工程应用之中。但是由于两相流复杂的相界面运动,并且在单一组分两相流中还同时伴随着相变传热传质现象的发生,使得两相流问题一直是一个复杂的科学问题。近年来,随着计算技术和先进的测量手段的发展,两相流问题也有了更好的研究手段,使两相流问题受到了越来越多的关注,并且已经快速的发展成为了流体力学和传热学交叉的重要交叉学科。为了研究两相流的运动特性和传热传质特性,需要利用数值模拟手段和可视化实验对两相流进行更加细致研究。因此,本文使用了数值模拟方法和可视化实验对两相流问题进行了研究。主要可分为三个大的方面:(一)基于扩散界面法对气泡在静水中的浮升运动特性进行了数值模拟研究。验证了扩散界面法在两相流问题中应用的可行性,并对在不同网格划分方式下对不同大小气泡的计算效率,计算结果进行了对比。(二)基于扩散界面法,通过引入相变引起的传热传质源项,对单个气泡在核态沸腾下的生长过程和影响因素进行了研究。(三)利用高速相机和粒子速度成像系统,对汽泡在疏水壁面的生长,脱离和上升过程进行了可视化研究。文中首先对扩散界面法的基本思想和控制方程进行了阐述,对比了现有的两相相界面捕捉方法,扩散界面法在相界面的处理上物理量的变化更加平滑,相界面的描述和计算方式与分子化学中对相界面的描述相一致。具有更加合理的物理意义,能够很好的处理表面张力在相界面的作用,能够避免在壁面处出现物理奇点导致计算出错的问题。接着基于扩散界面法对气泡在静水中的浮升过程进行了计算,计算结果与实验文献进行了对比,表明扩散界面法能够很好的模拟气泡在上升过程中的速度变化和形态变化。进而对较大气泡在静水中的上升特性和在窄通道对气泡上升过程的影响进行了进一步的研究。随后为了在保证计算准确的前提下更好的提高两相流的计算效率,分别使用欧拉-拉格朗日动网格法(Arbitrary Lagrange Euler,ALE)和自适应网格法(Adaptive Mesh Refinement,AMR)对不同大小的气泡在静水的浮升运动进行了计算,对比了采用两种不同的网格下的计算结果和计算效率。计算结果表明在气泡较小的情况下ALE方法有着更快的计算效率,而对于大气泡情况,AMR方法的计算能够更好的体现气泡的形变,计算效率也更高。在验证了扩散界面法能够准确的相界面的运动进行计算后,进一步的对存在相变情况下的汽泡生长过程进行数值计算。通过在相界面添加传热传质源项,修正连续性方程,相场控制方程和能量方程。对汽泡在不同接触角下的生长过程进行了数值模拟,计算分析了汽泡在生长过程中的汽泡形态变化、脱离半径、脱离时间、接触线运动和加热壁面温度分布的变化。结果表明在润湿条件下,汽泡的脱离半径和生长时间都随着接触角的增大而增大。在壁面温度分布中,汽泡中心温度最高,汽液固三相接触位置的温度最低。在不润湿壁面情况下,汽泡脱离时的形状呈现明显的不同。汽泡上部分通过颈部与壁面附着的汽体相连,当颈部位置变细断裂时,汽泡脱离壁面向上浮升,但是仍然有部分汽体附着在壁面处。其中加热壁面温度分布与润湿情况相似,但是在汽泡中心位置温度更高。为了进一步探索在核态沸腾下,单个汽泡在加热壁面上生长过程的机理问题,在原有的三相接触线相变传热传质模型中,添加了在汽泡与加热壁面间的微液层模型。通过建立一维偏微分方程,将微液层在汽泡生长过程中的传热传质模型引入数值计算中。研究了微液层的运动特性和其对汽泡生长过程与壁面温度分布的影响。结果显示在汽泡生长过程中,微液层覆盖区域会随着汽泡接触线的增大而增大,但同时中心区域也会由于蒸干而变成干性区域。在两者的共同作用下,微液层的区域会先增大后减小,在汽泡生长的最后阶段汽泡底部完全转变为干性区域。并且受到微液层的影响,汽泡底部的温度分布呈现环形温度分布。最后通过搭建池式核态沸腾实验台架,通过温度控制系统和粒子速度成像系统,对汽泡在疏水表面的生长、脱离和上升过程进行了可视化研究。对在不同的加热功率下和过冷度下,汽泡的生长形状,生长周期和脱离半径进行了研究。并利用荧光粒子示踪了汽泡生长过程中周围流体的运动情况。研究结果对进一步深入探讨汽泡核态沸腾下的流动和传热特性有着重要的意义。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK124;O359
【部分图文】：

经验关系,浮升过程

图１－邋１邋Ｇｒａｃｅ经验关系图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｇｒａｃｅ邋Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ邋Ｄｉａｇｒａｍ逡逑图１－１为Ｇｒａｃｅ经验关系图，该图中表示了气泡在静水浮升过程中，在最终稳定过逡逑程中呈现的形状。Ｇｒａｃｅ经验关系图经过大量的实验验证，能够比较准确的反应和预测逡逑２逡逑

曲线,池式沸腾,换热,核态沸腾

１．３核态沸腾下气泡生长理论模型逡逑在静水中，当热量不断从底部加入时，能量传递会依次从自然对流换热到核态沸腾逡逑换热，再到过渡沸腾，最终达到膜态沸腾的过程，如图１－２所示。逡逑４逡逑

扩散界面,过渡过程,两相,相界面

２．１数学物理模型及控制方程逡逑扩散界面法中，相界面不是一个明确，锐利的分界面，而是存在一个有厚度，但是逡逑非常薄的连续变换的扩散界面，如图２－１所示。在扩散界面法中，通过在固定网格下追逡逑踪相场变量的变化取代直接追踪相界面的运动来计算两种不相容的流体的运动，和相界逡逑面的变化。逡逑２５逡逑

【参考文献】