基于质点运动方程的气泡生长数值模拟方法研究

摘要

气泡生长脱离过程普遍存在于化工、医药、能源等工业过程中，气泡的生长脱离特性影响着传热传质过程，掌握和控制气泡生长规律对工业设备的设计及优化具有重要意义。气泡生长过程是一个复杂相界面的形成和迁移变化过程，目前对气泡的生长预测研究多采用实验方法和CFD方法。本文提出并建立了通过计算相界面上质点运动轨迹获得气泡生长和脱离规律的全新数值方法，论文主要内容包括:
　　首先设计和建立附壁气泡生长脱离可视化实验系统，通过可视化实验获得不同流量和不同附壁孔径气泡生长脱离规律，包含气泡形状，脱离频率和脱离直径等参数，并为验证数值计算结果提供准确的数据。其次，完成通过计算相界面上质点运动轨迹获得气泡生长和脱离规律的全新数值方法，包括应用质点运动力学理论，把气液界面的运动过程看作是一层薄液膜质点在压力的驱动下运动的过程，以质点运动的动量方程为基础，建立气泡生长计算的完整数学模型，实现数值算法的程序开发。最后，采用该方法对不同孔径下的附壁气泡生长脱离特性进行数值计算研究。
　　可视化实验发现不同壁面孔径气泡呈现出两种不同的脱离模式，说明孔径大小对气泡生长过程中内部压力分布影响较大，导致气泡形状和脱离模式发生变化。论文建立的气泡生长模型中充分考虑了气液界面上质点受到的液体压力、气体压力、表面张力以及运动阻力的数学表达式，引入壁面接触角算法使程序获得准确的气泡附壁形状。计算结果表明，当附壁孔径较大时，气泡内部压力较均匀，外部液体压力基本是重力作用下的静压分布，计算得到的气泡生长和脱离形状与实验吻合非常好。通过对计算获得的气液界面上速度分布分析，进一步揭示了气泡生长特点，解释了颈缩现象对气泡脱离的影响规律。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 气泡动力学理论研究现状

1．2．1 气泡受力分析的研究

1．2．2 气泡脱离体积的研究

1．2．3 气泡脱离频率的研究

1．3 气泡动力学实验研究现状

1．3．1 气泡生长过程的可视化研究

1．3．2 颈缩现象的实验研究

1．3．3 孔径对气泡生长的影响

1．3．4 气体流量对气泡生长的影响

1．4 气泡生长的数值模拟研究现状

1．4．1 边界积分方法

1．4．2 锋面追踪法

1．4．3 VOF方法

1．4．4 Level set方法

1．5 本课题的主要研究目的及研究内容

2 气泡生长的实验研究

2．1 实验装置及方法

2．1．1 实验系统

2．1．2 实验数据及图像采集处理

2．2 实验步骤

2．3 实验结果及讨论

2．3．1 气泡生长周期特点

2．3．2 气泡生长周期时间

2．3．3 气泡脱离频率

2．3．4 气泡脱离直径

2．3．5 孔径对气泡脱离频率和直径的影响

2．3．6 孔径对气泡形状的影响

2．4 本章小结

3 质点法气泡生长数值模型

3．1 气泡生长的物理过程

3．1．1 两相界面

3．1．2 三相交界

3．1．3 气泡生长过程

3．2 数学模型

3．2．1 基本方程

3．2．2 阻力模型

3．2．3 气液的动量模型

3．2．4 壁面模型

3．3 模型的数值求解

3．3．1 程序计算流程

3．3．2 离散点插值算法

3．3．3 消除非物理现象奇异点

3．4 两个受力模型参数讨论

3．4．1 阻力模型的影响

3．4．2 气体动量模型的影响

3．5 算例验证

3．6 本章小结

4 气泡生长规律数值分析

4．1 气泡生长特性数值计算

4．1．1 气泡生长脱离阶段时间数值分析

4．1．2 气泡脱离直径数值分析

4．1．3 气泡生长和脱离形状数值分析

4．1．4 气泡直径、高度和内部压力演变

4．2 气液界面上速度分布数值分析

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 本文主要结论

5．2 后续工作展望

参考文献

附录

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