电场作用下两相流的计算方法研究

摘要

以气泡为分散相的气液多介质流体流动广泛存在于能源、石油、动力、化工等实际工程领域。施加外部电场作用提供了一种非接触式主动控制气泡动力学行为的有效途径。然而，在电场作用下气泡的运动行为的模拟研究中存在计算量大，计算效率低、精度不高等问题，所以研究高效率的计算方法来求解电场作用下两相流模型具有非常重要的意义。 本研究基于不同计算方法，以气液两相流为研究对象，将不可压缩流体的连续性方程、Navier-Stokes方程、电场方程等控制方程耦合建立了一个研究粘性流体中气泡的动力学模型，并进行数值模拟计算，研究了耦合电场的两相流行为特征，分析电场作用对气泡运动的影响。论文的主要研究内容和研究结论如下： 1.采用水平集(Level-set)和相场法(Phase-field)来跟踪记录气泡上升过程中可能出现的形变、破裂等变化，通过质量守恒验证了两种计算方法的准确性和有效性，同时为了计算的精确度对计算区域进行了一定的网格划分，并使用网格独立性检验来计算得到了最优的网格大小。 2.相较于水平集方法，相场法在计算效率和计算精度上都有一定提升。其中，在相同网格下相场计算方法的计算效率最大提升了5倍，在垂直电场环境下的计算效率提升了3倍，而且相场法更容易捕获气泡上升过程中气泡发生的细微变化，模拟计算结果的质量也更好，验证了相场计算方法的有效性。 3.通过两种计算方法对耦合电场下气泡上升过程的模拟分析，结果表明气泡在静电力、浮力和表面张力的相互作用下，沿电场线方向拉伸成椭球形，其长短轴之比与外加电场强度成正比。气泡上升速度受电场作用影响，垂直电场加速气泡的上升，而水平方向减速。 4.利用相场计算方法模拟了计算外部均匀竖直电场环境下一对共轴气泡的运动、融合现象，计算不同电场强度对上升气泡相互作用和相互融合的影响。研究结果表明，均匀强电场加速了流体中双气泡的碰撞融合过程，提高了气泡的上升速度。当电场强度较大时，融合气泡后气泡会发生破裂，破裂时间也随电场强度的增加而减少。将相场方法与同条件下LBM(Lattice Boltzmann method)方法的结果进行了对比，两种方法所得气泡形态变化吻合良好，验证了本文相场计算模型的正确性。

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主要符号表

第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 气液两相流中气泡动力学特性研究现状

1.2.2 多相流数值模拟方法研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4 本文结构安排

第2章 模型的建立

2.1物理模型

2.1.1 几何模型基本假设

2.1.2 几何运动模型

2.1.3 初始条件设置

2.1.4 边界条件设置

2.2数学模型

2.2.1 连续性方程

2.2.2 动量方程

2.2.3 电场方程

2.2.4 界面推进方程及表面张力计算

2.3数值计算求解过程

2.3.1 网格划分

2.3.2 数值模拟计算步骤

2.4 本章小结

第3章 自由界面变形问题的数值计算

3.1 水平集法

3.1.1 水平集法基本原理

3.1.2 控制方程

3.1.3 表面张力的计算

3.2 相场方法

3.2.1 相场方法的原理

3.2.2 C-H方程

3.2.3 自由内能

3.2.4 相变量初始化

3.2.5 表面张力处理

3.3 本章小结

第4章 电场作用下单气泡的相场法/水平集法研究

4.1 参数选取

4.1.1 流体特性参数

4.1.2 无量纲参数

4.1.3 物性参数

4.2电场作用下单气泡的相场法/水平集法模拟结果对比

4.2.1 无电场环境对比分析

4.2.2 垂直电场环境下对比分析

4.2.3 水平电场环境下对比分析

4.3 相场和水平集法的计算效率比较与分析

4.4 本章小结

第5章 电场影响多气泡运动行为的相场法研究

5.2 网格无关性验证

5.1 模型正确性验证

5.3Phase field计算结果及分析

5.4 本章小结

总结与展望

参 考 文 献

致谢

附录A 攻读硕士期间所发表的论文

附录B 攻读硕士学位期间所参与的科研项目