气液固三相磨粒流中气泡破裂冲击动力学特性及加工效应研究

摘要

气液固三相颗粒流广泛存在于各个工程领域，其所涉及的气泡破裂过程是一个复杂的气液固三相耦合问题。当前关于气泡破裂所引起的颗粒速度扰动与壁面接触效应尚不明确，针对上述问题，本文开展气液固三相磨粒流冲击动力学特性及其实验研究，所涉及的主要内容如下:
　　(1)采用多相流体体积(VOF)模型与可实现k-ε湍流模型建立气液固三相颗粒流气泡破裂动力学模型;结合压力隐式算子分割方法求解非稳态纳维-斯托克斯方程(N-S)方程，得到近壁面、附壁面处单个和多个气泡的溃灭过程动力学特性，揭示其对颗粒运动速度与流道壁面冲击的作用规律。结果表明:高速湍流环境中，由于气泡尾部内外压力差较大，气泡破裂易于从气泡尾部发生;气泡中心与壁面的距离越小，气泡破裂产生的微射流对壁面的作用力越大;颗粒运动速度越大，气泡完全破裂所需的时间越少，但流速增加到60m/s时，气泡完全破裂所需的时间增加;双气泡破裂-聚合过程会延长气泡破裂的时间，进而减弱对颗粒运动的加速作用。
　　(2)基于气泡颗粒的三相耦合计算方法建立气泡颗粒动力学模型，对近壁面微纳米气泡破裂冲击周围颗粒的可控性进行研究。研究结果表明:单个气泡在流场中运动破裂与不破裂都会对周围颗粒运动产生扰动作用，只是气泡在不破裂情况下，其瞬时速度对周围颗粒的影响比破裂情况下小2个数量级;同时气泡运动过程中破裂的情况下，气泡初始直径越小或气泡与颗粒之间的距离越小，都使气泡破裂所产生的局部射流对周围颗粒的影响越大。
　　(3)基于粒子图像测速(PIV)技术，搭建气液固三相气泡运动过程的观测实验平台。针对理论研究所取得的相关结论，进行相应的观测实验，验证了本文所建模型及求解方法的正确性。同时进行气液固三相磨粒流抛光实验，进一步验证数值仿真所得到的结论。
　　研究结果可为三相流耦合演化与空蚀作用机理研究提供参考，也可为机械、化工、冶金领域的气液固三相颗粒流调控提供技术支持。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 课题的来源

1．2 课题背景与意义

1．3 气泡动力学国内外研究现状

1．3．1 球形气泡理论建模

1．3．2 气泡界面捕捉方法

1．3．3 气泡观测实验研究

1．4 气液固三相流中气泡研究现状

1．4．1 单气泡运动分析

1．4．2 多气泡运动分析

1．4．3 气泡破裂对颗粒作用的研究

1．4．4 气泡溃灭对壁面作用的研究

1．5 论文的主要研究内容

1．5．1 论文研究意义

1．5．2 主要研究内容

第2章 气泡动力学的理论分析与模型选择

2．1 本章引言

2．2 理论基础

2．2．1 气泡和颗粒质心运动方程

2．2．2 气泡径向微分方程

2．2．3 能量方程

2．3 湍流模型选择

2．3．1 Standard κ-ε模型

2．3．2 Realizable κ-ε模型

2．3．3 κ-ω模型

2．4 多相流模型简介与选择

2．4．1 Mixture模型

2．4．2 Eulerian模型

2．4．3 VOF模型

2．5 界面重构方法

2．6 本章小结

第3章 气液固三相流中气泡动力学建模与数值模拟

3．1 本章引言

3．2 几何模型建立

3．2．1 物理对象模型

3．2．1 网格划分

3．2．3 初始条件

3．3 数值计算结果与分析

3．3．1 近壁面气泡破裂分析

3．3．2 附壁面气泡破裂分析

3．3．3 气泡破裂对周围颗粒的影响

3．3．4 环境参数对气泡破裂速度的影响

3．3．5 气泡未破裂对周围颗粒的影响

3．4 本章小结

第4章 PIV观测实验与结果讨论

4．1 粒子图像测速系统简介

4．2 观测实验平台

4．2．1 实验装置设计

4．2．1 实验装置搭建

4．3 观测结果分析与讨论

4．4 本章小结

5．1 引言

5．2 抛光加工实验参数的选择与加工工艺的编制

5．2．1 抛光加工实验参数的选择

5．2．2 磨粒流抛光加工工艺的编制

5．2．3 气液固三相磨粒流的制备和配比

5．3 气液固三相磨粒流抛光加工实验平台与结果分析

5．3．1 气液固三相磨粒流抛光实验平台

5．3．2 气液固三相磨粒流抛光实验结果分析

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 未来展望

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果