不同曝气量和纵横比下针孔喷射气泡羽流摆动特性的数值模拟研究

该文采用三维欧拉-欧拉法结合标准k-ε紊流模型模拟了矩形鼓泡塔内针孔喷射的气泡群的瞬时流动特性,并开展了纵横比和曝气量对气泡羽流摆动特性的影响分析。数值模拟结果很好地复现了低空隙率气泡羽流的周期性运动特性。当纵横比H/W=1.0时,气泡羽流的流动形态和结构稳定;当纵横比H/W=2.25和H/W=3.0时,气泡羽流的流动形态不稳定,呈现周期性摆动规律。在模拟计算中曝气量Q_0的范围为13.3 mL/s–170.4 mL/s。随着Q_0的增加,气泡羽流摆动周期减小并且趋于稳定,液体的含气率在增加并呈线性趋势;两种纵横比对气泡羽流的摆动周期和气体总空隙率的影响较小。     

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。     

气泡羽流空隙率的计算及其不稳定规律的研究

在气液两相流中,气相和液相各自有不同的流场,而液相的速度场取决于气泡的运动特性。空隙率是气液两相流中描述气泡分散相间相互作用的一个重要的参数,通过对气泡羽流的空隙率分布分析,可了解气泡羽流的运动机理与实验条件之间的关系。本文采用图像处理的方法测量在高密度气泡下的瞬时空隙率分布。对拍摄的图片进行预处理,得到其灰度图像和灰度值,建立其局部灰度值与投影空隙率间的相关关系,进一步计算出气泡羽流的不同位置处的空隙率值分布,在此基础上分析不同工况下空隙率值的分布情况及其对气泡羽流结构的影响。结果表明：该方法适合用于气液两相流空隙率的测量,在纵横比为1.0时,气泡羽流的结构受压强影响小,羽流结构稳定;纵横比为1.5和2.0时,随着压强的增大,羽流结构呈现不稳定。     

气泡羽流空隙率的计算及其不稳定规律的研究

摘要：在气液两相流中，气相和液相各自有不同的流场，而液相的速度场取决于气泡的运动特性。空隙率是气液两相流中描述气泡分散相间相互作用的一个重要的参数，通过对气泡羽流的空隙率分布分析，了解气泡羽流的运动机理与实验条件之间的关系。本文采用图像处理的方法测量在高密度气泡下的瞬时空隙率的分布。对拍摄的图片进行预处理，得到其灰度图像和灰度值，获得其局部灰度值与投影空隙率间的互相关曲线及相互关系式，进一步计算出气泡羽流的不同位置处的空隙率值分布，在此基础上分析不同工况下空隙率值的分布情况及其对气泡羽流结构的影响。结果表明：该方法适合用于气液两相流空隙率的测量，在纵横比为1.0时，气泡羽流的结构受压强影响小，羽流结构稳定；纵横比为1.5和2.0时，随着压强的增大，羽流结构呈现不稳定。     

射流理论在水环境保护中的应用

从污水海洋处置工程、射流冲沙清淤、射流曝气改善水质、空化射流治理湖泊富营养化以及气泡羽流阻止盐水入侵等方面对射流理论在水环境保护中的应用进行了综述和分析,并指出应从理论、试验与实际应用等各方面继续加强对射流的研究。     

二相流基本方程的封闭问题及水气二上流数学模型

讨论了平均二相流基本方程的封闭问题。在此基础上，从建立数学模型的角度，提出将水利工程中的水气相流划分为稀疏气泡流区、气相连续流区和掺气形成区（稠密气泡流）三个区；根据已有的方程封闭的研究成果，提出了可有于稀疏气泡流计算的双流体模型。     

二元溶液凝固过程中组分通量随时间演化的实验研究

该文在氯化铵水溶液定向凝固过程中,观察液相区双扩散对流条纹的形成并研究其随时演化规律。在固液混合边界层中,由于固态氯化铵盐的析出形成由盐度梯度驱动的多孔杂质模式下的对流运动。其中形成的低温、低浓度的柱状羽流与液态区进行热盐交换,导致了双扩散对流条纹的形成和移动。通过平行光暗影法成像,系统地分析了双扩散对流条纹移动速度的演化过程,由此确定了二元溶液凝固过程中由凝固区向液态区提供的盐流体积通量随时函数关系。结果表明,柱状羽流体积通量和时间成幂函数关系,幂指数为–1.51±0.18。而在某时刻,柱状羽流体积通量和高度成幂函数关系,幂指数约为2.5。同时,柱状羽流的卷吸率随溶液初始浓度的增加而减小,初始体积通量随初始溶液浓度的增加而减小。     

生物倍增反应器气泡流态特性分析

利用激光粒子图像测速技术(PIV)对生物倍增反应器在7种不同进水流量下的气泡流态特性进行了测量和分析,利用特征正交分解方法对所测2个截面的气泡流场进行分解,提取流场中含能大尺度结构。结果表明, 进水流量的增加导致了气泡轴向速度减小,径向速度增大,气泡附壁效应增强;不同进水流量对气泡的扰流影响程度不同,气泡流态的速度场和涡量面积分布存在差异,在特定工况下气泡流场产生了涡旋。上部区域进水流量为0时,1阶模态占能比例最高,约为7.2%;下部区域进水流量为0.18 m3/h时,1阶模态占能比例最高,约为4.5%。低阶特征模态中存在明显的大尺度结构,且大尺度的流动结构与液相混合行为间接相关。当进水流量为0.90 m3/h时,2个截面的涡量面积分布最均匀,气泡死区最少,此时气泡流态最佳。在本试验条件下,进水流量为0.90 m3/h时,反应器整体气泡流态最佳。     

环状气泡动力学数值模型

本文假设气泡运动过程中流场是无旋、不可压缩的理想流体,运用势流理论导出气泡边界面运动的控制方程,建立气泡动力学模型,用边界积分法求解得到气泡等边界的变形及位置.在环状气泡阶段,本文在前人研究成果的基础上分别建立了轴对称涡面模型、轴对称涡环模型以及三维涡环气泡模型.对比不同模型的优缺点及其适用范围,总结了环状气泡模型建立的详细步骤及其必须注意的关键技术,并开发了相应的程序.运用不同模型模拟重力场中气泡的运动,并进行讨论.最后计算了流场中滞后流的速度以及压力随时间的变化,得到一些有规律性的曲线,旨在为相关环状气泡动态特性研究提供参考.     

电机转速对文丘里混合充氧机工作性能的影响

为了解决传统混合充氧机能耗高、水下安装维护难的问题,研制了新型文丘里混合充氧机,重点研究了电机转速对文丘里混合充氧机工作性能的影响。结果表明,在电机转速200~1 400 r/min条件下,文丘里混合充氧机的循环水量与电机转速呈线性关系;建立了基于气泡羽流模型的径向混合水流运动模型,并利用实测流速数据优化了水流的能量损失系数及夹带系数,成功模拟了不同电机转速条件下的径向水流速度分布;研究了不同电机转速条件下的有效混合半径,确定了文丘里混合充氧机的合适安装间距。电机转速400~1 200 r/min条件下,当电机转速逐渐增大时,水体复氧速率、氧的总传质系数和氧的传质效率均随之增大,混合充氧性能随之改善。     

叶片式泵内气液两相泡状流的三维数值计算

为研究旋转叶片式泵中的气液两相流动规律及泵性能，本文根据气泡泡状流模型提出了一个两相流三维数值分析方法。该数值计算由两部分的计算迭代完成，第一部分是已知含气率分布的连续相(液相)流场的计算。液相流动方程的三维数值求解采用了流面坐标迭代法。第二部分是已知液相流场后的分散相(气泡)轨迹的计算。气泡运动方程中考虑了流场压力梯度差产生的力、气泡周围液体产生的阻力及由于液相质量产生的惯性力等影响气泡运动的因素。通过对气泡运动方程进行数值求解，可得到泵内的含气率分布。再将两部分的计算进行反复迭代，最终得到收敛解。本文将该三维两相流数值计算方法用于多级螺旋轴流式增压泵叶轮的计算、设计。计算结果表明：从叶轮回转面上看，气泡运动转轨并不明显地偏离液相流线。然而从叶轮子午面上看，几乎所有的气泡，不论其初始位置如何，它们最终都移向轮毂表面。该三维两相流数值计算以其简单实用的特点，有望成为工程中气液两相增压泵的一种有效设计工具。     

气泡大小对涌升流流量影响的实验研究

该文基于开放水域中点源注气法产生涌升流的机理,在多功能实验水槽中,先后利用孔径为0.2 mm、0.3 mm和0.5 mm的孔板分别进行水下注气实验,以探究气泡大小对涌升流流量的影响。借助数字图像处理技术对摄相机拍下的气泡图像进行边缘提取,并将其近似标定成标准几何图形,进而计算出各个气泡的体积。考虑到气泡在上升过程中体积会发生变化,将涌升流区域分割成棱长为5 cm的正方体子区域,并用螺旋测速仪测量各子区域中上升的流速。然后通过积分,计算出了不同注气时水体中涌升流的流量大小。最后归纳了基于Ashton涌升流流量计算方法的修正公式,并用实验数据验证了其准确性。     

水中结构物附近三维爆炸气泡的数值模拟

该文阐述水下爆炸结构物附近三维非对称气泡运动的计算模型,基于势流理论采用边界积分法求解拉普拉斯方程。通过与参考文献实验的比较,验证了计算模型的正确性。最后以椭球形结构物下方爆炸气泡为算例进行详细的数值模拟和分析,获得气泡运动规律、流场压强变化,结构物危险载荷及其分布情况,旨在为工程领域水下爆炸气泡运动规律探索以及结构物的破坏机理研究提供参考。     

静水中气泡帷幕产生水平流的数值模拟研究

本文以变密度单流体的连续性方程、雷诺平均方程和k-ε方程为控制方程,采用VOF方法追踪空气和水的界面,通过在连续性方程中添加附加质量源,建立了静水中气泡帷幕的数学模型。数值模拟得到的静水中气泡帷幕产生水平流的特性与Bulson的试验结果吻合较好。通过对数值计算结果的分析得到不同供气量Q时气泡帷幕产生的水平流速度Vm,水平流厚度d等主要特征,对气幕防波堤的消波性能研究具有指导意义。     

静水中上升气泡沿倾斜壁面的运动特性试验研究

水中气泡在倾斜壁面附近的运动规律研究是当前气液两相流研究领域的热点问题.该文通过试验采用高速摄影和数字图像处理技术,初步研究了静水中上升气泡沿倾斜壁面的变形、黏附、滚动、反弹特性.研究结果表明,壁面倾斜角度越小,气泡接触壁面后的变形就越大;气泡以滚动的形式沿倾斜壁面运动;当壁面水平放置时,气泡会黏附在壁面上,而当壁面倾斜角度θ＜4.67.时,气泡会沿着倾斜壁面滚动一段距离后也会黏附在倾斜壁面上,当θ＞4.67.时,气泡会一直沿着倾斜壁面滚动直至脱离壁面;在更大的壁面倾角下,气泡在壁面上发生连续的碰撞和反弹运动,而气泡与壁面碰撞的反弹幅度随着壁面倾斜角度的增大而增大.该文研究结果旨在为相关的近壁面气泡运动特性研究提供参考.     

海船闸气幕防咸数值模拟研究

为分析海船闸气幕防咸机制及其影响因素,采用OpenFOAM?的双流体数学模型和对流扩散数学模型,建立气幕防咸的三维数值模型,开展限制区域内气泡羽流、盐水入侵以及气幕防咸过程的数值模拟.数值模拟结果表明:新模型能够准确模拟海船闸气幕防咸过程;当供气量足够时,气幕能有效阻止盐从底部入侵;气幕防咸效果与气幕弗劳德数有关,且气...     

基于水动力学计算的气泡上升规律研究

不同直径气泡上升时间与水深之间的关系是气泡浮子法测流的基础。针对静水中气泡上升的加速与匀速过程进行了计算与分析,将气泡上升过程划分为加速与匀速段,基于流体力学原理,求得气泡匀速上升速度与直径之间的关系、加速时间及其高度占总上升过程的比例,以及不同直径气泡冒出时间与水深之间的关系。结果表明,气泡直径在[0.5,2.0]mm区间时最终速度的流态处于过渡区,在（2.0,4.0]mm区间时最终速度的流态处于紊流区,且最终速度随直径增大而增大;加速上升时间及其高度占总过程的比例极小,故可对气泡上升全过程近似做匀速处理;相同水深下,气泡直径越大,冒出时间越短。     

受限空间中烟羽流结构的实验研究

在建筑物火灾中，烟气运动对于火灾的的蔓延，报警等有着重要作用，我们对有侧壁影响的受限空间中的烟气羽流进行了实验研究，测量了温度分布、速度分布和湍流脉动强度分布。结果表明，由于受到侧壁的影响，这些分布都呈现非对称性，羽流向粼近的壁面偏斜。     

基于多相LBM和Liutex方法的三维气泡聚合过程涡场分析

气液两相流广泛存在于石油化工、食品加工和生物制药等领域,其中气相通常以气泡的形式分散在液相中.气泡聚并过程由于气泡界面的变化及气泡震荡变形,流场及涡场变化较为复杂.该文使用多相格子玻尔兹曼方法对三维气泡的聚合过程进行了模拟,并使用Liutex方法及其他涡识别方法对聚合过程中的涡变量的变化进行了分析,结果呈现了Liute...     

基于双针光纤探头改进的破碎波卷入气泡尺寸测量方法研究

基于双针光纤探头(D-OFP)的气液两相流测量方法可实现气泡粒径、弦长、运动速度、含气率等参数测量.目前,D-OFP已广泛应用于环境工程和石油化工等领域,但由于破碎波卷入气泡形状的不规则性及运动复杂性等特点,若直接将D-OFP用于破碎波卷入气泡尺寸测量,测量的精度和可靠性将有所降低.为克服上述不足,该文从D-OFP测量气泡尺寸的原理出发,着重分析了气泡侧向运动产生的测量误差,得出结论:当气泡运动方向与探头主轴方向夹角小于10°时的测量结果是准确合理的.并提出了基于双针光纤探头(D-OFP)改进的四针光纤探头(F-OFP)测量法,通过建立F-OFP数学模型,推导出了F-OFP多维度测量破碎波卷入气泡尺寸的基本公式,论证了F-OFP多维度测量破碎波卷入气泡的可行性,为破碎波卷入气泡尺寸分布研究提供了理论依据.