气泡上浮运动与传热传质的耦合模型

针对舰船主机尾气消尾流技术中的气泡上浮运动,分别建立气泡非等温传热、瞬态非平衡传质及其速度、半径等各微分方程,进而构建液体中高温气泡上浮运动的耦合模型。将模型仿真结果与实验、文献研究比对,获得并分析气泡半径及运动速度的误差值,证明模型能够模拟不同温差的气泡在液体中的上浮过程,并得到气泡运动特性的影响规律:传质加速小气泡消失,使中等气泡半径持续减小,但对大气泡影响微弱;气泡运动初期为迅速的非等温传热过程,随气泡半径增大,热流密度变化幅度及热传导效率均下降;压强对气泡运动影响基本保持不变。三者综合作用使非等温传热初期气泡半径迅速下降。随后大气泡平缓增大;中等气泡缓慢地先减小后增大;而小气泡逐渐溶解在液体中。     

相间传质对气泡聚并过程影响的实验研究

设计了一套双气泡聚并实验系统,考察了相间传质对气泡聚并过程的影响,气相采用非相变的N2,液相为挥发性的丙酮和乙醇水溶液. 利用该系统测定了25~50℃温度下,不同组分浓度、鼓泡频率和气泡直径时气泡的聚并特性. 结果表明,相间传质诱导的Marangoni效应使聚并时间随温度升高呈先减小后增大的趋势,聚并时间的分散性在较高温度下显著增大,采用聚并效率描述气泡聚并特性更合适;聚并效率在温度升高到一定程度后开始降低并趋于最小值,该值随溶液浓度增加而减小,稳定因子可定量描述Marangoni效应;鼓泡速率和气泡直径增加1倍,最小聚并效率分别减小50%和67%.     

微孔塑料挤出成型中气泡成核的聚合物刷子模型

气泡成核是微孔塑料连续挤出成型中的关键步骤之一，临界气泡核直径是影响制品中泡孔直径的主要因素，成核密度则是影响制品泡孔密度的主要因素，但现有的成核理论大都是以经典成核理论为基础的，而经典成核理论虽然人出了临界气泡核及成核速率的计算公式，但并没有考虑到聚合物的物性参数，并且不能计算临界气泡核半径的具体数值，所以其应用有很大的局限性，从聚合物刷子模型出发建立气泡成核的刷子模型，从而得出临界气泡核半径的计算公式，并分析温度，压力，聚合物相对分子质量等对临界气泡核半径的影响。     

注气孔位置对文丘里管式微气泡发生器成泡特性的影响分析

尽管文丘里管式微气泡发生器的注气口位置会对气泡在文丘里流道内的碎化特征产生直接影响,但迄今缺乏针对性的深入研究。通过可视化实验方法,对比分析了注气口分别位于喉管处（结构1型）和进水管处（结构2型）时的气液流型、气泡破碎特征以及成泡特性。实验表明,气、液相流量对结构1型微气泡发生器内的气液流型影响显著,初始成泡区域随液相流量增加,环状流或泡状流向弹状流转变,而随气相流量增加则由泡状流或弹状流向环状流转变;结构2型微气泡发生器则在此过程中始终为泡状流,其对操作工况的适应范围大于结构1型。在相同工况下,结构1型微气泡发生器的成泡Sauter平均粒径小于结构2型,但随着液相Reynolds数的增大,二者间的成泡平均粒径差值随之减小。分析原因是由于弹状流流型下,延伸至扩张段区域的弹型泡的表面积更大,能量转化率更高,气泡界面失稳碎化的程度更显著。随着液相Reynolds数的增大,初始成泡体积减小,湍流破碎机理作用占据主导,掩盖了由于界面失稳引起的气泡破碎。结构1型微气泡发生器的成泡能耗高于结构2型,并且随液相Reynolds数的增大,两者之间的差值随之增大。综合来看,结构2型微气泡发生器能够在低能耗下实现高效成泡,面向工程应用将更具优势。     

网格和数值格式对TBPBM-CFD模型模拟鼓泡塔的影响

基于气泡动力学属性的现有认识,把气泡分成大、小气泡,首次建立了完整的双气泡相-群平衡模型(TBPBM)以预测气泡尺寸.通过编写用户自定义程序实现了TBPBM模型、Luo破碎模型以及Prince 聚并模型,并耦合TBPBM与CFD双流体模型对直径440 mm鼓泡塔进行数值模拟,详细考察了网格与数值格式对TBPBM-CFD模型模拟结果的影响.结果表明,网格与数值格式对各物理变量的模拟结果影响非常大,特别是网格和体积分数方程对流项离散格式的影响最为显著.随着计算精度的提高,湍流耗散率和整体气含率分布梯度增大,气泡平均直径减少,大气泡所占气相比率降低,液相速度及气含率径向分布与实验值更趋吻合.     

ILAR中醇及电解质对非牛顿流体中气-液传质的影响

在-气升式内环流反应器中试验考察了非牛顿流体羧甲基纤维素钠(CMC)中的气泡聚并现象以及表面活性物质对液相体积传质系数的影响。结果表明,非牛顿流体中气-液传质效率随黏度的增加而降低,其原因是黏度增加使Taylor泡的尾流趋于稳定,降低了液相扰动,气泡间易聚并,从而气-液传质效率低。向非牛顿流体中添加醇类物质会影响气-液传质行为,对于聚合物含量低的流体,添加微量醇可以促进气-液传质,聚合物含量高的非牛顿流体,微量醇的加入反而不利于气-液间传质过程。非牛顿流体在ILAR上升管中的气含率随着黏度的增加变化不大,而下降管中的气含率有所提高。     

表面改性剂对溶气气浮微气泡特性影响研究

研究了十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、壳聚糖、聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDADMAC)3种表面改性剂对溶气气浮微气泡特性的影响。结果表明:微气泡平均直径减小主要得益于小尺寸微气泡数量的大幅增加。CTAB投加浓度能显著影响微气泡的直径及并聚概率,对微气泡上升速度有略微影响。投加阳离子聚合物可使微气泡间的并聚现象增多,对微气泡直径及上升速度影响微弱。3种改性剂在微气泡表面的附着效率以CTAB最大,PDADMAC最小。不同改性剂分子产生的电荷量及其在微气泡表面的吸附效率有较大差异。     

超临界CO2/PS微孔塑料挤出成型中成核数对气泡核自由长大的影响

以超临界CO2为发泡剂,研究了PS微孔塑料挤出成型中气泡核自由长大的机理,选用球形模型为表征气泡长大的物理模型,利用Dewitt本构方程、守恒定律和理想气体状态方程导出了气泡核自由长大阶段的数学模型。通过此数学模型着重对气泡成核数与气泡核自由长大平均半径之间的关系进行了数值模拟预测,并以实验验证了其正确性,结果表明：当其他加工条件不变时,增加气泡的成核数,气泡长大的平均半径将变小。因此,在制备微孔塑料时,我们可以通过增加气泡的成核数来改善制品的泡孔结构。     

非牛顿流体中双喷嘴连续气泡的生成与聚并

采用VOF-CSF法模拟研究了幂律型非牛顿流体中双喷嘴气泡的生成及聚并行为,得到稳定状态下3种不同的气泡流型:1两喷嘴处的气泡在生成过程中发生聚并;2两喷嘴处的气泡交替生成并发生在线聚并;3两喷嘴处的气泡几乎同时生成,在上升过程中由相互吸引变为相互排斥,无聚并现象发生。第1、2种流型中,先前生成气泡的尾流会对正在生成的气泡产生显著影响,使气泡倾向液体流动的方向生成;第3种流型中,气泡间因涡流重叠面积的不同和液相惯性力作用,在上升过程中由开始的相互吸引逐渐变为相互排斥。     

鼓泡床中的气泡尺寸分布

根据气泡聚并和破裂速率模型,提出一个描述鼓泡床中气泡尺寸分布的总体平衡(Population Balance)模型。该模型可预计鼓泡床中气泡尺寸分布随床高的变化。对空气-水体系的模拟结果与实测结果吻合较好。     

声场中微气泡分布的数值模拟

采用粒子扩散限制聚集（DLA）模型,运用Matlab对声场微气泡群的分布进行数值模拟。结果表明：在只考虑次Bjerknes力的作用下,微气泡的分布形状与泡间距的指数幂有关。只在指数幂为6时,所模拟的微气泡分布形状与实际拍摄的分布图形非常相似。     

气泡上升过程中尾流演变的VOF数值模拟

利用VOF（volume of fluid）方法对静止水中气泡的自由上升过程进行了数值模拟,研究了初始直径不同的气泡自由上升时尾流的演变过程。研究发现气泡自由上升过程中其尾流有对称脱落、过渡态和周期性脱落三种运动状态,其中过渡态是介于对称脱落和周期性脱落之间的非稳定性脱落。气泡上升过程中其形状由球形转变为椭球形。尾流的对称脱落发生在气泡处于椭球形状且沿直线上升的过程;随着气泡的继续上升,当气泡的长轴与水平方向产生夹角时,尾流就会由对称脱落转变为过渡态（非稳定性脱落）;最终,尾流会转变为周期性脱落。2.4 ~3.7 mm气泡尾流运动状态发生转变的临界Reynolds数不同,且随气泡初始直径的增大而增加。直径为2.4 ~3.7 mm气泡的尾流周期性脱落的频率为31 ~39 Hz,且频率随气泡直径的增大而减小。     

微通道内催化表面气泡生长及脱离的可视化实验

采用聚二甲基硅氧烷材料(PDMS)制备矩形截面的微通道,并在微通道壁面上沉积MnO₂作为催化剂,采用高速摄影仪对通流过程中过氧化氢催化分解生成氧气气泡的过程进行了可视化实验研究,分析了反应物的浓度和流量对气泡生长速度及脱离直径的影响.结果表明:气泡在微通道内催化表面的生长及脱离过程呈周期性变化的趋势;气泡生长可以分为快速生长和缓慢生长两个阶段,当t<3 s时气泡处于快速生长阶段,催化反应主要受动力学控制,当t≥3 s时扩散控制占主要地位,气泡生长速度随反应物浓度的升高而增大;气泡脱离直径受反应物浓度影响较小,受反应物流量影响较大,而且随液相反应物Reynolds数的增大线性降低.     

微孔塑料挤出成型中气泡长大过程的数值模拟

选用广义牛顿流体等温条件下气泡长大的细胞模型,并利用Polyflow软件的用户自定义模块编制发泡成型口模中泡孔半径及熔体密度的计算模块,可实现微孔塑料挤出口模中气泡长大过程的数值模拟。     

CFD-PBM耦合模型模拟气液鼓泡床的通用性研究

通过对不同操作压力和不同液体性质气液鼓泡床的模拟值与实验数据进行对比,从而验证CFD-PBM耦合模型的通用性。结果表明,CFD-PBM耦合模型在加入了气泡破碎修正因子后,可以很好地预测压力对鼓泡床流体力学行为的影响趋势,当压力升高时,气含率显著升高。不同液体黏度和表面张力条件下CFD-PBM耦合模型的模拟结果与实验结果均吻合较好。随液体黏度增大,气泡破碎速率减小,气泡尺寸分布变宽,曳力显著下降,气含率随之降低。随表面张力减小,气泡破碎速率增大,气泡变小,气含率升高。CFD-PBM耦合模型具有很好的通用性,原因在于考虑了压力、液体黏度和表面张力对气泡聚并、破碎和气液相间作用力的影响。     

旋流气浮中气泡-颗粒碰撞效率影响因素理论分析

在旋流气浮接触区碰撞模型基础上,通过理论计算考察了物性、运行和结构参数对分散相颗粒/油滴与气泡碰撞效率的影响. 结果表明,物性参数中的分散相粒径与密度、运行参数中气泡直径与切向速度和结构参数中等效旋流直径对碰撞效率影响较大. 在旋流气浮工艺中,碰撞效率随分散相粒径增大而增大,但随气泡直径和分散相颗粒/油滴密度增大而减小;分散相粒径小于0.02 mm时,碰撞效率随切向速度增大而减小、随等效旋流直径增大而增大;分散相颗粒/油滴大于0.02 mm时,碰撞效率随切向速度增大而增大、随等效旋流直径增大而减小. 旋流气浮去除的主要是油滴大于0.02 mm的非溶解性油,因此,设备紧凑可提高气泡与分散相颗粒的碰撞效率,达到高效分离目的.     

气泡群上升过程相互作用的格子 Boltzmann三维数值模拟

应用格子Boltzmann自由能模型,在三维空间里模拟了大密度比气泡群在静止的黏性不可压缩流体中上升过程以及它们之间的相互作用。为了避免气液密度比过大造成数值不稳定问题,采用八点差分和十八点差分格式分别求解一阶1586Φ和二阶1586²Φ。模拟结果表明,气泡的初始大小和初始位置影响上升气泡周围的流场以及形状变化。当直径相同的气泡群上升时,位置靠下的气泡会受到位置靠上气泡尾迹的影响,并有很明显的形状变化。气泡之间的影响程度取决于两气泡之间的距离及相对位置,并且随着距离增加而逐渐减小。然而直径不同的气泡群上升时,不管初始位置如何,大气泡总会对小气泡造成强烈的影响。     

CFD-PBM耦合模型模拟气液鼓泡床的通用性研究

通过对不同操作压力和不同液体性质气液鼓泡床的模拟值与实验数据进行对比，从而验证CFD-PBM耦合模型的通用性。结果表明，CFD-PBM耦合模型在加入了气泡破碎修正因子后，可以很好地预测压力对鼓泡床流体力学行为的影响趋势，当压力升高时，气含率显著升高。不同液体黏度和表面张力条件下CFD-PBM耦合模型的模拟结果与实验结果均吻合较好。随液体黏度增大，气泡破碎速率减小，气泡尺寸分布变宽，曳力显著下降，气含率随之降低。随表面张力减小，气泡破碎速率增大，气泡变小，气含率升高。CFD-PBM耦合模型具有很好的通用性，原因在于考虑了压力、液体黏度和表面张力对气泡聚并、破碎和气液相间作用力的影响。     

CO2气泡群上升过程的CFD-PBM模拟

为揭示CO₂气泡群在方形鼓泡塔中上升过程的气液两相流行为，采用双流体模型耦合PBM(种群平衡方法)进行数值模拟，考虑气泡间的聚并和破碎现象，与部分实验结果相互对比，验证数值模型具有一定的可靠性，并分析入口气速、塔高宽比和入口分布器结构对气液流动情况、相含率和液相速度的影响，模拟结果表明：气泡群的上升过程出现了周期性的羽流震荡现象，改变气速会影响塔内气泡羽流的震荡程度；流动过程液相发生湍动，随着塔高宽比增大，液相循环模式实现了从“冷却塔”形式到“交错涡旋”的转变；不同入口结构下相含率分布有差异，大入口的震荡更早到来，但震荡持续时间较小入口结构短。研究CO₂气泡群的多相流动规律为鼓泡塔的设计和优化提供了理论参考。     

吹气发泡法制备闭孔泡沫铝发泡过程的三维数值模拟

吹气发泡法制备闭孔泡沫铝的过程实质上是搅拌流场中复杂的两相流动过程,应用计算流体力学方法分析由倾斜轴倾斜叶片引起的发泡熔池内气液两相强旋湍流流动过程. 在双流体模型基础上引入多重参考系法描述搅拌两相流场,通过分析相间相互作用及湍流模型进行封闭. 解气泡数密度函数的输运方程来分析气泡聚合和破碎引起的气泡尺寸变化. 应用体积积分的方法,计算平均及局部气含率及气泡直径. 考察了桨叶转速及气体流率对气泡直径及其分布的影响. 结果显示,气含率随桨叶转速和气体流率增加而增大;气泡直径随气体流率增加而增大,随桨叶转速增大而减小.