气泡从浸没孔中生成与上升的数值模拟

应用改进的Level Set方法和Navier-Stokes方程,结合ALE数值算法,三维模拟了常流量下气泡在静止黏性液体中从浸没孔中生成与上升的过程。考察了气泡在两种不同的黏性液体以及在单孔和多孔条件下的生长过程。模拟结果与实验观测定性相符。数值试验表明,改进的Level Set方法改善了气泡的容积守恒性。模拟结果显示,在不同的黏性液体中单孔气泡的生成行为很不相同,在Paratherm传热流体中生成的气泡直线上升,而在水中则是盘旋上升;多孔气泡的生成不同步,气泡的尺寸及空间分布极其不均匀。     

气泡在静水中上升行为特性可视化实验研究

搭建可视化实验台,实验研究了气泡在顶部浸没管口处生成后在静水中的上升行为过程及其特性。获得了气泡尺寸、气泡等效直径、气泡宽高比、气泡上升速度以及相邻气泡质心间的垂直距离等气泡运动特征参数的变化规律。对比分析了管口管径和气体流量对气泡特性的影响,揭示了气泡上升过程中的运动轨迹。实验研究发现:相邻气泡质心间的垂直距离随着气体流量的增大呈现出减小的趋势;气体流量增大,气泡间发生破裂碰撞的机率随之增大,气泡在上升过程中的紊乱程度愈加明显;气泡在上升过程中呈现出直线型、折线型和S型三种运动轨迹;直线型轨迹下,气泡水平速度近似为0;折线型轨迹下,气泡速度随着气泡上升高度的增加呈现周期性变化规律;S型轨迹下,气泡水平速度变化幅度较小;随着时间的增加,气泡上升速度呈现出先增大再降低最后趋于平缓的规律;气泡等效直径随气体流量和管径的增大而增大;气泡宽高比随气泡上升高度呈现出增大趋势,气泡形状由最初的球状向扁平状转变,且以直线型轨迹下的气泡宽高比为最小。     

交错气泡运动特性数值模拟研究

为了进一步探讨交错气泡运动形变特征及运动过程,采用Open FOAM开源计算流体力学软件,利用VOF方法,对三维两气泡在不同间距及偏移距离时的上升运动行为进行模拟,研究气泡间距及偏移距离对流场、速度场及气泡形态等的影响。结果表明:在两气泡运动至聚并为一个气泡前,两气泡两侧存在4个大小不一的旋涡,下气泡左侧旋涡影响范围较小;两气泡聚并为一个气泡后,该一个气泡两侧形成2个大旋涡并随着偏移距离增大,左侧旋涡影响的范围也越大。两气泡的间距及偏移距离影响着气泡上升及聚并过程中的气泡形态。气泡间距一定时,下方气泡偏移距离越大,两个气泡顶部速度增幅越小。     

有限水域内球形气泡振动特性及影响参数研究

该文基于不可压NS方程,推导了有限水域条件下气泡的无量纲动力学方程,得到了与惯性力、黏性力、表面张力和不可凝结气体相关的四个无量纲数,通过数值求解的方法给出了无量纲参数对气泡振动的影响规律及其起作用的参数空间。最后,在小厚度小振幅条件下讨论了气泡振动的特性及适用范围,在此基础上给出了自由面附近气泡溃灭时间的理论预测公式。     

高温气泡浮升行为与传热特性耦合机理研究

气泡广泛存在于自然界和工业生产中,浮升时将发生变形、破碎及聚并等气泡动力学行为,其高表面积/体积比为气液界面的高效传热创造了条件,研究高温气泡浮升行为与传热特性的耦合作用机制对提高工业生产效率和实现水下物体探测识别具有重要的价值。基于VOF模型,考虑气泡所受外力以及气液界面传热作用,建立了高温气泡浮升行为与传热特性的耦合模型,以此研究了气泡初始直径和温度对气泡浮升行为、聚并行为及传热特性的影响。结果表明：气泡浮升速度和气泡形态变化程度随着气泡初始直径的增加而增加,随着气泡初始温度的增加而降低;温度的升高将使同轴双气泡聚并行为的困难度加大;温度的升高明显增强了气泡浮升后方尾迹区热特征,同时也增强了气-液和液-液间传热效果。     

复杂三维流动数值模拟的非重叠区域分解法

本文从SIMPLE-C方法出发，采用基于非重叠子区域的Dirichlet-Neumann交替算法，提出了一种计算复杂三维区域内汉体流动问题的分区并行计算方法和通用程序，并以已有的算例为对照，验证了本方法的有效性，从而展示了本方法应用于工程实际中大规模复杂三维区域问题的分区并行计算的可行性和潜力。     

一般曲线坐标系平面二维水沙数学模型研究与应用

对笛卡尔坐标系下控制方程进行坐标变换,采用控制体积法与SIMPLE算法对方程进行离散和求解,建立了一般曲线坐标系平面二维全沙模型。模型控制方程离散时物理量布置采用同位网格,避免了采用交错网格时所需的大量插值计算,提高了计算效率。模型较全面地考虑了非均匀悬移质及推移质运动,具有较好的普遍适用性。通过长江沙市河段1996年至2001年实测水沙资料对模型进行了较系统的验证,计算结果表明模型能够较合理反映天然河道水沙运动及河床变形规律。     

Non-spherical multi-oscillations of a bubble in a compressible liquid

Bubble dynamics are associated with wide and important applications in cavitation erosion in many industrial systems, medical ultrasonics and underwater explosions. Two recent developments to this classical problem are reviewed in this paper. Firstly, computational studies on the problem have commonly been based on an incompressible fluid model. However, a bubble usually undergoes significantly damped oscillation due to the compressible effects. We model this phenomenon using weakly compressible theory and a modified boundary integral method. This model considers the energy loss due to shock waves emitted at minimum bubble volumes. Secondly, the computational studies so far have largely been concerned with the first-cycle of oscillation. However, a bubble usually oscillates for a few cycles before it breaks into much smaller ones. We model both the first- and second-cycles of oscillationand predict damped oscillations. Our computations correlate well with the experimental data.     

基于CLSVOF方法的三维单个上升气泡运动的数值模拟

运用CLSVOF方法数值模拟了三维单气泡在液体中的上升和变形过程,分别考察了液体的表面张力和浮力对上升气泡变形的影响。计算结果表明:CLSVOF方法能比较精确地跟踪三维单气泡在液体中的上升过程;在相同密度比和粘度比情况下,随着液体表面张力的减小和液体浮力的增大,气泡底部形成的射流使得气泡下缘凹陷变得明显,变形幅度加大,射流穿透气泡的时间提前。     

基于植被粗糙度的生态渠道阻力系数研究

天然渠道中遍布种类众多的水生植被,河道中的植被在改善水质、减少水土流失和生态修复中起到了重要作用,但同时也会产生阻力,影响河流流速的大小以及流量的分布。本文通过对植被化河道阻力系数进行理论分析,分析出相对粗糙度和阻力长度是影响植被阻力系数的两个关键因子。通过收集到的不同学者不同工况条件下刚性植被的实验数据,利用遗传算法获得植被阻力系数的计算公式。最后通过对比实验及验证组的实测数据与公式计算值,验证该公式对于计算植被阻力系数的精确性。结果表明：本文提出的植被化生态渠道的阻力系数公式相对简洁,模拟精度较高,为阻力系数公式在植被化渠道中的应用提供了参考,对植被化渠道的流量预测及生态修复提供了理论依据。     

天然河道湍浮力流动的数值模拟Ⅰ:用隔离法实现三维复杂边界处理

作者编制了湍浮力流动的三维数学模型计算软件３ＴＢＦ。本文是作者研究成果的第一部分，主要介绍用隔离处理三维复杂边界的技术问题。     

水中气泡溃灭的理论与数值研究

从理论和数值两个方面研究了单个气泡在自由流场中的溃灭.采用Rayleigh方程推导出一个新的球形气泡演变的解析解.基于流体体积法( VOF),在考虑表面张力、粘度和可压缩性效应的情况下,对单个纯气体泡的运动进行了三维模拟.在第一次溃灭阶段,气泡体积演变的数值结果与解析解保持一致. 数值结果表明气泡体积到达最小值后开始回弹,气泡的形状、速度场和压力场在回弹点附近发生剧烈变化.     

基于图像二值化处理的气泡羽流不稳定结构分析

气泡羽流是在曝气过程中产生的一种复杂的两相流动。对气泡羽流中气泡速度信息的提取是粒子图像测速算法(PIV)的核心部分。速度信息的提取即数字图像的预处理过程。本研究主要是在读取灰度值后,通过大津法得到相应的最佳阈值分割点,再采用该灰度阈值对图像进行二值化,以此来减少噪声对流场的影响,降低图像后处理的难度,这是气泡羽流的运动规律研究的一个重要过程。图像的二值化处理能有效地提高PIV技术计算流场的精度,为研究气泡羽流在曝气过程中产生的不稳定结构奠定了基础。