水平分布两气泡之间相互作用及摇摆对其影响的数值模拟

采用VOF方法及耦合表面张力模型的动量方程,结合UDF功能,模拟了竖直通道内静水中水平分布两气泡之间的相互作用以及摇摆对其运动特性的影响,详细分析了两气泡上升过程中出现的吸引及排斥现象。模拟所得两气泡上升时的形态变化过程与实验结果符合良好。结果表明,水平分布两气泡在水中会呈上下摇摆状上升,且位置关系变化具有周期性,摇摆会使气泡在上升过程变得更加扁平,两气泡所能达到的最小距离变小,但摇摆会破坏两气泡在上升过程其位置关系所具有的周期性。     

静水中单气泡运动特性实验研究

气泡运动特性是两相流研究的重要领域之一。本文基于图像识别技术对静水中单气泡的上升过程及其动力学特性进行研究，分析了不同等效体积直径下气泡上升过程中轨迹、变形程度、瞬时速度等参数。研究结果表明：椭球型单气泡上升过程中横向振荡幅度峰值与横向速度峰值呈正比，瞬时纵横比与瞬时纵向速度呈反比；单气泡横向运动位置、纵横比、上升速度具有周期性变化的现象。通过定量分析气泡末速度与等效体积直径的关系，对已有预测关系式进行了比较和评价，并基于实验数据拟合得到了一个更为精确的显式末速度关系式。     

基于扩散界面法的较大气泡上升过程数值模拟

基于扩散界面法和有限元法,对较大气泡在上升阶段的形态和速度进行了模拟,结果与实验吻合较好,说明该方法能准确地模拟气泡的运动特性。利用该模型,对初始直径不同的较大气泡上升过程中的形态、速度和振荡随时间变化的规律进行了分析。并分析了14mm直径的气泡在不同尺寸通道中上升过程的形态、速度的变化规律。结果表明:气泡的稳定形态随着气泡初始直径的增大由椭球形变为球帽形,且达到稳定形状的时间更长。气泡初始直径越大,气泡的顶端速度越快,并稍有波动。而气泡的底端速度开始快速增大使气泡向内凹陷,随后回落并在气泡顶端速度上下振荡。气泡上升通道越窄,气泡达到稳定形态的时间越长,顶端速度越小,气泡的高宽比越大。     

单个气泡上升行为的可视化实验研究

采用高速摄相机和粒子图像测速技术(PIV技术)对静水中单个气泡的上升行为进行了观测探究。通过分析实验数据发现了气泡的形状变化与其上升速度间的关系:气泡形状越扁平,上升速度越快。此外,随着生成气泡的针头内径变大,生成气泡的尺寸也会随之增大,但其平均上升速度会随针头内径的增大而先减小后增大。通过对比分析不同工况下的实验数据发现:气泡在半径为2.2～2.3mm之间时,具有最小上升速度,约为0.22m/s。通过对气泡上升速度函数进行傅里叶分析发现了气泡上升速度的波动周期与气泡大小之间的关系:气泡越大,速度波动频率越大,波动周期越小。通过PIV技术对静水中上升气泡周围的流场进行逐帧分析,发现气泡周围周期性的出现环状流场,并总结得出了气泡上升方向与流场变化间的联系。     

基于计算流体动力学的矩形通道内气泡运动机理研究

基于计算流体动力学(CFD)方法,利用体积流(VOF)模型对矩形流道内单气泡及双气泡运动进行了数值模拟,并分析了其运动规律。模拟结果与前人实验观测结果相符。单气泡上升过程中经历加速上升和摆动上升两个阶段,其稳定速度与Eo数相关,摇摆阶段的气泡轨迹类似于周期性的正弦曲线。上下分布的气泡会发生聚并现象,水平对称分布的气泡上升过程中会出现规律的分离、靠近现象。研究表明:该方法能够准确地模拟气泡的运动,获得气泡运动的机理,可以作为进一步研究自然循环中不同浮升力下气泡分布机理研究的基础。     

基于扩散界面法的液态LBE中单个弹状气泡上升行为CFD研究

利用扩散界面法对液态铅铋合金中弹状气泡在垂直管中的上升过程进行数值模拟研究,用来验证扩散界面法在模拟液态铅铋合金(LBE)中弹状气泡上升行为的准确性和可行性,并对模拟结果进行进一步分析,来解释弹状气泡在LBE中的上升行为。数值模拟得到不同液体流速情况下弹状气泡在上升过程中的形态和速度变化,数值模拟结果与文献中的经验关系式以及实验中的结果都吻合良好,证明了扩散界面法在模拟液态铅铋合金中弹状气泡上升行为的准确性和可行性,为液态金属和弹状气泡的两相流提供了一种新方法。对数值模拟结果进行进一步分析,发现气泡尾部形态变化较大,会在尾部两端分裂出子气泡,尾部附近流场产生旋涡,受到强烈干扰而出现湍流,对于提高换热效率起到积极作用。气泡上升对尾部区域产生影响的最远距离约80 mm,为连续气泡的注入提供了气泡间距参考值。     

静水中较大气泡运动特性实验研究

对较大气泡在静水中的水力学特性、气泡上升速度、气泡形状与曳力系数等进行研究。气泡的产生是通过将特定体积的气泡存放在倒置的球帽杯中,然后释放到静水中。气泡的运动特性通过高速摄像仪捕捉,气泡相关运动参数通过数字图像处理程序得到。实验得到不同尺寸气泡在静水中上升的特性,并将实验结果与现有的曳力模型进行比较,表明Tomiyama等关系式对于曳力以及气泡最终上升的预测比Ishii-Chawa模型好,较大气泡的形状具有一定的相似性。实验结果对存在较大气泡的两相流动特性以及相间交换特性有重要意义。     

晃荡对气泡上升运动影响的数值研究

海洋条件中风浪等因素会导致船舶上存在自由液面的容器产生剧烈的晃荡运动。为了分析晃荡条件下液体中的气泡行为特性,在计算流体动力学软件Fluent平台下运用流体体积函数法模型,对晃荡条件下气泡在液体中的上升过程进行数值模拟。计算结果显示,晃荡条件下气泡呈周期性摆动上升,并伴随着聚合与分离现象。分析表明,晃荡对气泡运动行为特性产生的影响不可忽视,剧烈的晃荡运动会影响气泡的脱离尺寸,在加速部分气泡分离的同时阻碍部分气泡的运动而导致气泡聚合;晃荡运动还会致使气泡在水平方向偏离比较大的位移。     

基于扩散界面法的液态铅铋合金中气泡上升行为模拟

基于扩散界面法,对单个氮气气泡在液态铅铋合金内从静止到充分发展整个过程中的动力学行为进行数值模拟,得到气泡形变特性和气泡上升速度随时间的变化关系,将模拟结果与Grace经验关系图对比,发现模拟得到的气泡形变结果在Grace经验关系图中均可找到且很好地吻合,从而验证了扩散界面法在模拟液态铅铋合金中气泡上升行为的可行性和准确性。同时基于界面扩散法的模拟,对比了5种不同初始直径的氮气泡在液态铅铋合金中的上升行为,发现初始直径较小的气泡在上升过程中扰动会更剧烈,初始直径较大的气泡在上升过程中易发生分裂现象。     

熔盐堆除气系统中气泡分离器运行特性

设计3种结构参数的分离器,并以空气和水为工作介质,对气泡分离器进行测试,以期找到最佳的气泡分离器结构参数。采用可视化实验方法,利用高速摄像系统记录气泡的分离过程,分析叶片结构对分离过程的影响。结果表明,叶片进出口角度、叶片长度、叶片个数等参数变化均会影响气泡的分离过程;对于搅浑叶片的设计,出口与轴向夹角不应超过45°,搅浑叶片个数应该在5个以上且长度大于50 mm。     

生长和浮升过程中气泡形状振荡特性研究

气泡形状变化对两相流动和热质传递过程有着重要影响。本文利用高速摄像仪和粒子图像测速（PIV）技术对生长和浮升过程中气泡的形状振荡特性进行了实验研究,分析了不同注气流量下气泡形状及其周围流场的变化规律。实验结果表明,气流量对脱离后气泡的形状有着明显影响,在低流量下,脱离气泡逐渐由长椭球形转变为扁椭球形,而在高流量下,脱离气泡与生长气泡的聚合将导致气液界面大幅振荡。此外,振荡气泡对其尾流区内生长气泡形状的影响同样不容忽视,其会引起生长气泡所受惯性作用增强,进而导致气泡形状波动。     

抑压水池淹没射流图像自动处理与分析

抑压水池中淹没射流导致的喘振现象对抑压系统的可靠性有较大影响,而气泡行为直接关系到喘振的机理。为更好地识别喘振现象中的气泡行为,本文提出了一种基于改进的分水岭图像分割算法的蒸汽淹没射流图像自动处理方法。基于像素矩阵建立微分模型,提取气泡二维信息并近似估计三维信息,进而获取射流体积变化情况。借助图像灰度方差信息,提取气泡冷凝周期。算法提高了射流气泡的识别精度。通过与人工标定比对,图像区域识别误差控制在10%以内;经验证,简化椭圆模型计算图像投影面积的相对误差较小;气泡参数与冷凝周期提取结果符合实验表征与理论规律。     

上升气泡内气溶胶沉降机理研究

气溶胶池洗过滤是反应堆严重事故中去除放射性源项的重要手段。本文以严重事故条件下上升气泡中气溶胶的滞留过程为背景，设计搭建了可视化单气泡鼓泡实验装置。通过该装置研究了气溶胶在上升气泡中的沉降效率，并与MELCOR中的气溶胶沉降模型计算结果进行了对比。结果表明，气溶胶沉降效率对气泡尺寸的变化较为敏感，当气体流量大于0.1 L/min时，气泡等效直径迅速增加，相应的气溶胶沉降效率快速降低；与MELCOR模型计算结果的对比表明，两者在总体趋势上呈现出较好的一致性，但计算结果低估了液相对气溶胶的实际去除能力，导致这种偏差的主要原因是气泡在上升过程中存在无规则的晃动以及气液界面的波动。     

Bubble rise characteristics after the departure from a nucleation site in vertical upflow boiling of subcooled water

Rise characteristics of vapor bubbles after the departure from a nucleation site in forced convective subcooled flow boiling were studied visually using two synchronized high speed video cameras. The test section was a transparent glass tube of 20 mm in inside diameter, filtrated and deionized tap water was used as a working fluid, and the flow direction adopted was vertical upward. The outer surface of test section tube was electrically heated to generate vapor bubbles inside of the tube. In the present experiments, the mass flux and liquid subcooling were varied within 94–1435 kg/m² s and 2.2–10 K, respectively. Since the observations were performed at low heat fluxes to avoid the significant increase in the number of active nucleation sites, the obtained bubble images were clear enough to carry out the detailed image analysis for the rise characteristics of individual bubbles. The following three different bubble rise paths were observed after the departure from nucleation sites: some bubbles slid upward the vertical wall for long distance, while other bubbles were detached from the wall after sliding for several millimeters and then migrated toward the bulk liquid; after the migration, some of the detached bubbles were collapsed in subcooled liquid but others remained close to the wall and were reattached to the wall. The results of detailed image analyses suggested that the variation in bubble shape from flattened to more rounded was of primary importance for the occurrence of bubble detachment from the wall.     

Experimental Investigation on Characteristic of Single Bubble Motion in Stagnant Water

The bubble motion characteristic is one of the most important fields in two-phase flow research. Based on the image recognition method, the characteristic and dynamics of single bubble rising process in stagnant water were analyzed. The trajectory, deformation extent and instantaneous terminal velocity of single bubble rising process with different equivalent volume diameters were analyzed. The research results show that the peak value of lateral oscillation amplitude is proportional to the peak value of lateral velocity. The instantaneous aspect ratio is inversely proportional to instantaneous axial velocity. The phenomenon that the lateral motion position, aspect ratio and rising speed of a single bubble has periodical change. Based on the quantitative analysis of the relationship between bubble terminal velocity and bubble equivalent volume diameter, the existing prediction formulas were compared and evaluated. A more accurate explicit terminal velocity correlation based on experimental data was obtained.     

Analysis of Control Rod Effect on Neutronics in FBR by Three-Dimensional Calculation

Experiments were carried out to study the mass transfer of iodine from a xenon-iodine mixed gas bubble to a liquid sodium pool. The bubble was generated in the pool by cracking a quartz glass ball which contains the xenon-iodine mixed gas. The mixed gas released into the argon cover gas was collected to determine the transferred iodine mass into the sodium pool. A rising velocity of the bubble was measured by Chen-type sensors arranged vertically in the pool. From the measured rising velocity and another observation of bubble behavior in simulated water experiments, it is found that the generated bubble breaks up into several smaller bubbles of spherical cap type during the rising period. Transferred iodine mass per the unit initial bubble volume from the bubbles to the sodium pool shows increases with increasing time and the initial iodine concentration. A mass transfer rate obtained by differentiating the transferred iodine mass with respect to the time indicates a rapid decrease just after the bubble generation and a slow decrease for the successive period. Measured decontamination factors are described as a function of the time and the iodine concentration.     

窄缝通道内过冷条件下单蒸汽泡尾流特性实验研究

单蒸汽泡尾流特性是影响窄缝通道内蒸汽-水两相流流型形成与演变的关键因素,本文采用粒子图像测速仪PIV和Insight3G后处理软件,对窄缝通道内过冷条件下单蒸汽泡的尾流特性进行研究,获得窄缝通道内单蒸汽泡的尾流特性。实验结果表明,单蒸汽泡冷凝上升过程中,其尾流均为涡交替脱落的不对称尾流结构;汽泡直径越大,涡越细长,涡强度越大,大直径蒸汽泡的尾流对周围汽泡的作用更强;流道间隙减小,则尾流中涡强度降低,流体速度减小,尾流对周围汽泡的影响会相应减弱。单蒸汽泡尾流特性为构建窄缝通道内蒸汽-水两相流模型提供基础支持。      

基于卷积神经网络的大尺寸气泡体积二维图像测定方法

由于表面张力与惯性力作用,静止流场内较大尺寸气泡[500<气泡雷诺数（Re）<2000]形成不规则几何形状,造成二维图形处理方法等效球体或椭球获取三维体积的方式误差较大。此外,由于不规则界面的散射和反射,引起二维图像处理中边界模糊,难以辨识。本文以高速摄像机获得的静止流场内大尺寸气泡二维灰度图像作为卷积神经网络（CNN）的输入,以图像内气泡二维投影面积及实验获得三维体积训练网络,并用训练好的网络预测气泡体积。实验采用小气泡叠加法获得真实气泡体积,与网络预测结果进行对比。结果表明,该方法与传统图像处理方法相比,不需要对气泡形状进行假设,提高了对大尺寸气泡的适用性。