黏性流体中单气泡的运动特性

采用高速CCD成像技术实验测定了单个气泡在水及不同黏度甘油水溶液中的形变特性及上升终速度.结果表明,随着液相黏度的增加,小气泡均能呈良好球形,而大气泡则由类似椭球形的不规则形状逐渐向球帽形转变;气泡的周期性振荡趋于平缓,气泡上升终速度降低.提出了计算气泡上升终速度的关联方程,其预测结果与实验值吻合良好.     

倾斜下表面上形成的气泡形状及尺寸

本文研究了在倾斜下表面上，经小直径导管引入液相的气体所形成的气泡形状和尺寸及其受倾斜角度、导管直径及气体流量大小的影响。并获得了预测气泡脱离容积的关系式。     

功能性多孔介质中气泡输运调控的格子Boltzmann分析

为提高毛细蒸发海水淡化技术中的蒸发效率,多孔介质层需要维持一定的毛细压力,同时还要确保气泡能够快速通过。基于此背景,本文建立了多孔介质参数化模型,探究了气泡穿越多孔介质间隙过程的运动特征,研究在保持一定孔隙毛细压力的同时,通过调控孔道尺寸及排布从而使气泡能够更快速地通过多孔介质层。基于格子Boltzmann伪势模型分析了多孔介质孔隙率、壁面润湿特性、孔道排布及气泡水平方向初速度等对气泡形貌、上升速度、与壁面平均接触面积及孔隙毛细力的影响,获得了多孔介质的孔隙率设计范围,骨架润湿特性调控以及孔道排布方式的选择依据。同时还获得了在实际蒸发过程中,可以使气泡存在一定的水平方向初速度,从而能够更快地脱离多孔介质的策略。     

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。     

倾斜上升弹状流中Taylor气泡运动速度研究

用高速动态分析仪对倾斜上升管中气液两相弹状流中Ｔａｙｌｏｒ气泡的运动速度进行了研究。获得了无干扰流场下Ｔａｙｌｏｒ气泡运动参数的测量结果，并分析了混合物流速及管倾角对气泡头部位置的影响，以及由此而引起的气泡漂移速度及液体速度影响系数的变化情况，在理论分析的基础上，推荐了计算气泡运动速度的实验关联式。并且与可利用的结果进行了比较，两者符合较好。     

单个运动气泡近界面浓度场的研究

对单个气泡传质的近界面浓度场影响因素进行了实验和理论研究．实时激光全息干涉法测量结果表明,运动气泡近界面浓度是一个定态值,受流速、泡径、温度等因素影响显著;假设该传质过程达到局部平衡,进行热力学分析,得到的结论与实验结果一致．在实验测量结果的基础上,对单个O_2气泡在乙醇中吸收时的传质近界面浓度场进行了数值模拟,取得了良好的结果．     

管道泄漏污染物一维迁移的LBM模拟

石油管道泄漏现象时有发生,对环境造成了危害,研究埋地管道石油污染物泄漏尤为关键。在此采用Boltzmann研究方法,通过多尺度技术和局部平衡态分布函数的Chapman-Enskog展开得到运算的平衡态方程,并给出了石油管道污染物泄漏迁移的一维有源扩散方程的格子Boltzmann模型,通过C++软件数值模拟进行运算。最终得出结果与理论解一致,验证了用Boltzmann方法研究污染物泄漏迁移的可行性。     

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。     

球形胶囊内约束熔化过程的LBM模拟

为了准确预测球形胶囊内部材料的相变性能,为后续相变微胶囊浆体的多尺度研究提供微观相变信息,采用格子Boltzmann方法（LBM）,引入浸入式移动边界处理方案,借鉴糊状区和热焓理论,构建了适于相变模拟的数值模型,模拟了球形胶囊内部固液相变过程,讨论了不同粒径尺度下熔化机制的区别。结果表明,利用LBM方法得到的预测结果与可视化实验数据吻合较好,清晰地呈现出球体上部温度热分层和下部液相强对流共存的特性。随着粒径尺度的不断减小,胶囊内部对流作用逐渐减弱,甚至当粒径小于3 mm时,其内部对流作用可忽略。     

陶瓷过滤管管壁内气体流动的LBM并行模拟

采用格子Boltzmann方法,编制并行程序,计算了陶瓷过滤管管壁内的流体流动,从微观角度对滤管多孔介质结构内的流动进行分析。以陶瓷过滤管管壁扫描电镜图片为基础,根据实际滤管的厚度,确定计算中的多孔介质结构。分析了无膜滤管微细通道内的速度及压力随入口参数的变化情况以及多孔介质结构对速度的影响,给出了压力沿滤管厚度方向的变化曲线;分析了有膜滤管内的流动情况,给出了压力变化曲线,由计算结果可知,滤膜压降占滤管压降的比例较大。对过滤管微孔结构内流动的研究,可为陶瓷过滤管的性能优化提供理论指导。     

运动颗粒对传质过程影响的格子Boltzmann模拟

颗粒的主动运动对传质过程有重要影响.以表面恒浓度的二维球形颗粒为研究对象,采用耦合传质的格子Boltzmann方法(LBM)模拟了颗粒在自旋和振动两种情况下的相间传质过程.选择浸入运动边界法和非平衡态外推法处理运动颗粒边界,研究了颗粒自旋速度、颗粒振幅及振动频率对传质过程的影响.结果表明,中等雷诺数的自旋颗粒绕流中,随...     

Numerical simulation of single bubble rising in vertical and inclined square channel using lattice Boltzmann method

A lattice Boltzmann equation (LBE) model based on the Cahn–Hilliard diffuse interface approach is used to investigate the dynamics of a bubble rising in a vertical and inclined square channel with large density and viscosity ratios. Deformation parameter Δ, film thickness δ, and terminal velocity U_t of the bubble are interrelated quantities which depend on non-dimensional numbers such as Bond number Bo, Morton number Mo, and ratio between bubble diameter and channel width k as it was reported by previous experimental studies. As k is increased, higher Δ and smaller δ are exhibited. This finding is independent of the value of Bo and Mo. In addition, a relationship was established between δ and Δ with non-dimensional numbers such as Capillary number Ca and Weber number We. An evaluation was performed for inclined channels to relate the Froude number Fr with the inclination angle θ, where in each case there is a critical value of θ which corresponds to the highest value of Fr, consequently highest U_t. This finding is consistent with previous simulation and experimental results. Moreover, a relation was established between the critical value of θ and Ca and Bo. This three-dimensional study was performed using a range of Bo (1<Bo<12), Mo (10⁻⁴<Mo<10³) and the inclination of the channel is varied from 0 to 75°.     

多孔介质内颗粒流动特性的格子Boltzmann模拟

地下岩石孔隙中小颗粒的运移和沉积会使得储层渗透性能降低,影响石油开发。为了探究悬浮颗粒在多孔介质中的流动过程,采用格子Boltzmann方法对三维多孔介质内流体和颗粒的运动过程进行了数值模拟,采用有限体积颗粒法构建多孔介质中骨架颗粒和悬浮颗粒。通过Half-Way反弹格式实现流体与颗粒间的相互作用,考虑孔隙结构、入口流速、孔隙率和颗粒直径对颗粒流动特性的影响,探究颗粒的运移和沉积规律。结果表明,入口速度对不同孔隙结构下颗粒的运动作用显著。随着入口速度增大,颗粒与颗粒、孔隙壁面以及流体之间的动量和能量交换作用增强,缩短了颗粒的运移路径,颗粒沉积率逐渐变小,颗粒拟温度增大。孔隙率的下降强化了颗粒间的碰撞,孔隙率由0.581降低至0.400,使得颗粒拟温度提升至9倍。颗粒拟温度随颗粒直径的增加而增加。但随着孔隙率增加,颗粒轴向速度增加,颗粒最高轴向速度可达入口流速的11倍,而颗粒接触力降低。     

轻质热塑性复合片材浸渍过程中的格子Boltzmann方法模拟

应用REV尺度的格子Boltzmann方法模拟了树脂沿轻质毡厚度方向的流动过程,考察了加压方式、载荷、温度、双钢带压机结构等对浸渍的影响,为浸渍速度和浸渍时间的预测提供了一种新方法。结果表明：与平板压机相比,双钢带压机通过施加高低交替的压力更能有效地浸渍轻质毡,缩短浸渍时间。另外发现,浸渍不仅与树脂最大浸渍速度有关,还取决于片材在高压区的停留时间。通过增加载荷或升高温度均可提高树脂最大速度,而片材在高压区的停留时间则对压机辊柱直径及载荷更为敏感,仅依靠调节钢带运行速度不能达到缩短浸渍时间的目的。     

Lattice Boltzmann simulation of biofilm clogging and chemical oxygen demand removal in porous media

Understanding mechanisms of controlling the bacteria growth and degradation of pollutants is critical for effective improvements in water treatment and bioremediation in porous media. In this study, we developed an integrated model of individual-based model and multicomponent lattice Boltzmann method to study interactions of oxygen, bioclogging, chemical oxygen demand (COD) removal, and their influence on growth and permeability of microbial biofilms. We found biofilm growth to be very heterogeneous on the surface of the solid matrix and pores. There is a biofilm porosity threshold. Beyond this threshold, the porosity of biofilm has no obvious influence on the flow rate and COD removal. We also studied the influence of initial cell populations, bulk oxygen concentration and biofilm permeability on the flow rate and COD removal. It demonstrated the capability of the present model to investigate biofilm growth, clogging and contaminants degradation in porous media, and its potential applications in water treatment.     

单个固体颗粒促进薄液膜破裂的格子Boltzmann研究

采用等温格子Boltzmann方法两相流模型结合颗粒运动模型对单个颗粒与薄液膜之间的相互作用进行了研究。通过模拟直观展示了单个球形疏水颗粒导致液膜破裂的详细过程,模拟结果表明与薄液膜接触的球形疏水颗粒会导致液膜弯曲变形从而产生毛细力,毛细力会驱动液膜在颗粒表面移动从而导致液膜破裂。疏水颗粒的接触角对液膜破裂的时间有明显影响,模拟发现接触角为106.7°的疏水颗粒导致液膜破裂时间最短。此外,当液膜的厚度发生变化时,颗粒导致液膜破裂的时间也会不同。     

电场作用下液滴分裂动力学行为的格子Boltzmann模拟

采用格子Boltzmann方法（LBM）伪势模型,耦合流场和电场控制方程,研究了电场作用下油水共存体系中水滴分裂的动力学行为及特性,借助形变率衡量液滴的形变大小,展现了液滴从形变至分裂的动态演变过程,分析了外加电场大小和液滴内外介电常数比对液滴分裂行为的影响。结果表明：外加电场能促使液滴发生振荡形变,且存在临界电毛细数和临界介电常数比决定液滴是否发生分裂：高于临界值,液滴形变率振荡幅度随时间不断增长,最终发生分裂;低于临界值,则液滴形变率振荡幅度不断衰减,并最终趋于一稳定值。在此基础上,综合考虑电场强度与介电常数比的影响,提出了基于现有电毛细数的修正电毛细数唯一地表征电场作用下液滴分裂与否。     

流经突然扩张的微通道的单气泡界面形态演变的数值模拟

采用界面追踪方法(FTM)研究了狭窄通道内受浮力上升的单气泡经过突然扩张通道时的运动形态,考察了狭窄通道和宽阔通道的通道宽度比及Eotvos数(Eo)和Morton数(Mo)对气泡形态和上升速度的影响. 结果表明,在狭窄通道、扩张部位和宽阔通道内气泡形态呈不同特性,气泡在离开扩张处时高宽比最大. 随通道宽度比增大,气泡最大高宽比减小. Eo数较小时,减小Mo数,气泡高宽比减小,气泡上升速度增大;增大Eo数,气泡上升时形变更严重. 改变初始时刻气泡相对于狭窄通道的位置对气泡形态有影响,初始位置靠近单侧壁面时,气泡横向变形较严重,在两侧壁面之间摆动上升.