射流场中单个气泡破裂的CFD模拟与PIV实验研究

摘要

气泡的破裂行为能够直接改变相界面积与流场分布,进而对于多相反应器中的传递与反应过程产生重要影响.由于在湍流与气泡破裂机理以及数值模拟方法上仍存在诸多不足,目前针对湍流环境中自由运动的气泡破裂过程研究仍非常欠缺.作者分别在二维与三维数值模拟条件下,利用VOF模型研究了单气泡在典型射流场中的运动、形变与破裂过程,并通过高速摄像与PIV方法同步开展了实验研究.该研究对气泡破裂过程特别是破裂前后的形态、周围流场以及与气泡间的相互作用进行了分析.结果表明,该流场条件下液相的剪切作用是气泡破裂的主要影响因素;由于二维模拟可以使用精度更高的网格,对于气泡形变与破裂过程中的界面变化模拟相对精确,而三维模拟对于流场整体结构的模拟更接近PIV实验结果,而在气泡的扭曲变形还原方面误差相对较大.该研究对于实际破裂过程具有较好的参考价值,有助于加深多相流体力学认识,为相关多相反应器的设计与优化提供理论支撑.