气泡动力学特性的三维数值模拟研究

发布时间：2020-07-08 13:26

【摘要】：本文采用VOF中的PLIC界面捕捉方法，结合考虑了表面张力的运动方程，对重力场中单个气泡和气泡群的上升及变形运动进行了三维数值模拟研究，深入研究了曝气池中气泡在运动过程中的动力学特性，主要的工作有： (1)对前人有关气泡运动的研究方法、内容取得的进展及成果进行了较为全面地总结，指出借助于界面捕捉方法来研究气泡动力学特性的必要性和可行性。 (2)建立基本控制方程组，详细介绍了VOF中的PLIC界面捕捉方法的基本原理，并对模型进行了验证。 (3)对单个气泡的上升运动进行了三维数值模拟研究，考察了粘性、表面张力、密度比和粘度比对气泡变形和上升速度及路径的影响，得出粘性和表面张力的作用非常显著，但流体与气泡的密度比和粘度比对气泡变形和上升速度的影响不大，当密度比超过一定范围时，仅使气泡的破裂时间提前。 (4)对水平和上下放置的球形气泡和变形较大的两个气泡在浮力作用下的上升及变形过程进行了模拟，分析了气泡间距与Re数之间的关系，揭示了气泡融合过程中上升速度的降低与反弹现象。 (5)对规则排列的大量气泡的动力学特性进行了模拟，分析了气泡在运动过程中的碰撞与融合现象及其对周围流场的扰动程度，以及排列位置和气泡数量对整体上升速度的影响。
【学位授予单位】：河海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：X703
【图文】：

气泡,模拟结果,虚线

随着时间的推移，周围流体以射流方式进入或穿透气泡上部，这一现象在许多实验中得到证实1，56，52oal.认厄ltesr和Dvaidsonlloo]在1962年得到了气泡在水中上升过程的实验结果，验证了其数值模拟二维气泡的结果，如图1.1所示.图1.1气泡在水中变形的实验和模拟结果(虚线)Cli户11给出了球形气泡在不同参数范围内变形的形状，如图1.2所示.所有的小气泡保持球形形状且以常速度上升，非常大的气泡形状变成球帽形，从小气泡到大气泡的过渡过程中气泡的形状取决于外部流体的性质，变为椭球或裙状.具体可分为:(a)当R。和Eo(<)l很小时，气泡基本保持球形;(b)随着的E。逐渐变大，在低M。区，气泡底部坦化接近半球形或椭球形;

示意图,流体,界面,二维界面

r...曰.......，.......................EO图.24二维界面运动跟珠示意图代入方程(2.2.5)即可计算出流入右侧的体积.同理，可计算出流入其他方向和原网格内剩余的体积，进而确定新时刻的界面位置，如图.24所示.网格ABCD在AGHB的左侧，界面ba在新时刻移至de，阴影部分表示流入AGHB的流体.2.3动量方程和表面张力的离散1表面张力的离散对于两种不相混掺流体，在某时刻被交界面分隔，因此特征函数C(x)在界面处不连两种流体可用特征函数C(x)即C描述.Brkacbilll咧提出了esF(eontinuumsuracfe凡ree)模式，在厚度为九的界面带构建心d-卜q曰左乙弓了一个光滑的连续函数口(x)二，、If_.

压强分布,流场,气泡,压强

第二章数值方法内部的压强接近常数且远大于泡外流体的压强，但在粘性较小的流场引起的压强变化更强一些，如图.26所示.(a)材。=10一?(b)Mo=10一4图.26流场压强分布图:Eo=;1M。=10一7，10一4(a)Mo=10一7(b)材。=10一4图2.7流场压强分布图(局部):E。=七M。=10一，，10一‘2.5.2气泡在水中的上升及变形过程本章模拟了当Pb=.102切/耐，Pf=looko刃m3，，二.0072叼。时，气泡在水中的连续变形过程，如图.28所示.静止气泡在浮力的作用下开始上升，气泡下部的压力大

【引证文献】