PDF《利用格子 斅旓旍 旚旡旐斸旑旑 方法模拟单个气泡》

第 熬淼逼 衬苍〖扑懔ρаП 捕〔 文章编号 道酶褡 罘椒Ｄ獾ジ銎 在复杂流道内的运动特性 李维仲 ∷锖烀 《〔ㄍ 大连理工大学 海洋能源利用与节能教育部重点实验室 大连 ┱∫ 利用格子 罘椒Ｄ饬说ジ銎菰诰哂腥霭朐残魏聿康母丛恿鞯滥诘纳仙Ｍü治 气泡运动过程中的形态 运动轨迹及运动速度的变化 研究复杂流道对气泡运动特性的影响Ｑ芯拷峁砻 在 上升过程中 由于壁面的影响 气泡的形状发生严重的变形 运动轨迹也发生相应的偏转Ｍü笛榻峁亩员 验证了模拟结果的正确性＝峁砻鞲褡 罘椒梢杂糜谀Ｄ饩哂懈丛颖呓绲牧较嗔魑侍 关键词 气泡 复杂流道 运动特性 格子 罘椒 两相流 中图分类号 ∥南妆曛韭 甘崭迦掌 恍薷母迨盏饺掌 被鹣钅 国家自然科学基金 还易匀 科学基金重点 ┳手钅 作者简介 董〔ㄍ 博士后 讲师 钇 焕钗 教授 博士生导师 ∫ 言 气泡在复杂流道中运动是实际工程中常见的 现象Ｔ诙嗍榭鱿 气泡的存在对于实际生产是 不利的＠ 如 气泡对管道阀门和泵等元件有腐蚀 冲击作用 孔板流量计测量两相流动时气泡对 测量精度有影响６诠 发生器和换热器流道 中 气泡的存在会扰动流场 从而增强换热 但是 如果气泡附着在管壁上将会阻碍换热 导致管壁受 热不均 易于发生爆管等Ｗ罱改 国内外针 对气泡两相流的研究都取得了很多成果 如詈 菅芯苛似菰诓煌禾逯性硕 稳定 性和行为特性 蠛 探讨了气泡在非粘性液体中的形成机理及气泡形成后 的运动情况９谝恍┭芯垦д叨云菰谝禾逯 运动 菀约傲鞯莱叽缍云菰硕形 莸挠跋旖 行了研究５庑┭芯看蟛糠质窃谛巫垂嬖虻牧 道或容器中进行 对于气泡在复杂流道中运动的研 究相对较少 然而研究气泡在复杂流道中的运动特 性对实际工程更有实际的应用价值 随着计算流体力学方法的发展 繁衍出很多计 算方法 为两相流的研究奠定了基础Ｆ 中格子罘椒 斓 是近十几年发展起来的一 种新的探索复杂系统的数值计算方法 和传统的数 值模拟方法相比 其具有算法简单 易于程序化处 理 计算效率高和有天然的并行性及处理复杂边界 容易等优点 受到很多研究学者的青睐 已被成功 应用到单相流 多相流及多孔介质内渗流等流体系 统中１疚慕 斓 模拟单 个气泡在 复杂流道内上升运动过程 分析复杂流道对气泡形状以及 速度等运动特性的影响 结合实验结果对模拟结果 进行了验证 「褡 罘椒 本文采用 钇斓 的模型来模拟气泡的上 升过程 该模型包含了界面捕捉方程Ｒ虼 更适 合处理气泡与流体的两相界面问题Ｔ诟媚Ｐ椭 首先假设气体和液体的密度分别为 和 周围的液体是不可压的等温牛顿流体Ａ硗 定义 两个宏观变量 半密度和 栖埠桶朊芏 差 １淞 正比于流场压力且在 整个流场中近似保持常值 变量 为指示两相的相 序参数Ｃ扛隼肷⒏褡咏诘悴捎昧教追植己 其 中分布函数 用来定义流体的质量和动量的输运 而分布函数 用来追踪两相界面 其对应的演 化方程分别为 ㄆ 栖ㄆ 栖┦街 栖补 ┢ 烧 栖财ㄆ ┦街 ┖┓直鹗瞧胶 态粒子分布函 数 和 分别是松弛时间 和 表示格子速度 相序 参数 的一阶梯度烧 和二阶梯度 烧 可以采用二 阶中心差分格式确定 Ｊ腔 表达式为 ┦街 湾 ㄍ 是表面张力 是相界面厚度 是平衡态相序参数１疚氖 ┎捎 辜扑隳Ｐ 而式 采用 导扑隳 型 平衡态分布函数 可以表示为 狡财补┦街 灯彻 栖彻 ┯善胶馓植己枰阒柿渴睾阍 得 栖ㄉ┕┢胶馓植己 ┒ㄒ 狡芷┦街 ┖街 是移动系数 基于 蚨嗉墩箍 锲於喑 度展开技术 在二阶截断误差精度近似下 式 ┛梢曰毓榈玫胶旯鄯匠 如下 灯苌 灯苌 て苌 栖灯苌 缴 ∈ 验 ∈笛橄低匙爸 为验证模拟结果 本文利用高速摄像仪观察了 常温常压下单个气泡在浮力的作用下 在复杂流道 中的上升过程Ｊ笛樽爸萌缤彼Ｎ烁 地观察气泡在上升过程中的运动特性及变形情况 容器使用透明的 有机玻璃材质制成 容器尺寸为 Ｓ扇 径为 长度为 的圆管与玻璃平板组成的复杂 流道设置于容器中 其研究观测的复杂流道形状及 几何尺寸如图菜 因为容器的尺寸相对于复杂 流道的尺寸足够大 所以容器壁面对气泡运动的影 响可以忽略 Ｎ饲宄嘏纳愕狡莸脑硕 态 在容器后面设有灯光照明设备Ｕ鍪笛樽爸 都是透明可视的 容器中的液体为甘油溶液 实验中 首先将甘油溶液倒入容器中 然后用 一个可以精确控制气体流量的空气泵 将气泡从容 器底部打入 容器底部设有一个逆止阀 气泡在气 泵的作用下将阀门打开 气泡进入流道 阀门关闭 气泡的大小由空气泵控制Ｊ褂酶咚偕阌耙桥纳 记录气泡的运动过程 图 ∈笛樽爸檬疽馔 槠 〉逼 李维仲 等豪酶褡 罘椒Ｄ獾ジ銎菰诟丛恿鞯滥诘脑硕匦 图 「丛恿鞯赖募负涡巫醇俺叽 槠 迤 ∑菟俣燃扑 为分析气泡的运动过程 将拍摄的图片每隔 帧进行抽样分析 利用 崞 巴枷翊 理软件对图片进行处理 可以得出气泡形状及质心 坐标８菹嗔谑笨唐莸闹市奈恢 可以计算出 气泡运动速度 云菔彼俣任 ┦街 是气泡质心的 坐标位置 壳 是两张抽样 图片之间的时间间隔Ｍ 可以计算出气泡上升 过程水平速度 〗峁治 ∧Ｄ馓跫 通常情况下 在斓 中 为了计算方便 物理 量均为无量纲的格子单位 可以通过选取适当的特 征长度 特征时间和特征质量 根据实验条件来确 表∧Ｄ夂褪笛橹械奈锢聿问∪ 粑锢聿问 物理单位 格子单位 特征长度 壳 焯卣魇奔 壳 焯卣髦柿 壳 肫炝鞯乐本 捌葜本 案视兔芏 旗翱掌芏 旗父视宛ざ 掣视 空气表面张力系数 分亓铀俣 睹商厥 翟继馗ニ故 抖Ｄ庵械奈蘖扛俑褡拥ノ 实验和模拟中的物理 量见表＜扑阃袷 案褡拥ノＷ笥 边界为无滑移反弹边界 上下边界为周期边界３ 始时刻 一个半径为 档脑残纹菸挥诹鞯赖牡 部位置 ∑菰诟丛恿鞯滥谏仙 气泡在浮 力作用下的上升过程如图乘 从图晨梢郧宄乜闯 气泡在复杂流道中的运动 呈现复杂特性 直观地表现在气泡的变形和运动轨 迹上Ｆ菰硕降谝桓霭朐残魏聿恐 即在下 面的直流道部分 气泡的形状保持稳定的半圆形状 气泡的运动轨迹为一条直线 当气泡运动到喉 部位置时 由于受到壁面的影响 气泡的形状发生 严重的变形 并且 在气泡掠过三个喉部的过程中 气泡的形状一直发生着不稳定的变化 运动轨迹也 发生相应的偏转 当气泡远离喉部位置时 气泡形 态和运动轨迹又逐渐恢复稳定的状态＝Ｄ饨 果与相应的实验结果作对比 如图此Ｍü 图 ∑莸纳仙 槠 钇 逋 ∑菰诓煌恢檬钡男巫炊员 槠 奔扑懔ρаП〉 熬 图 ∑菰诓煌恢檬彼俣仁噶康哪Ｄ饨峁 槠 笃莸脑硕翁亩员确治 可以发现模拟结果与 实验结果吻合良好 验证了模拟结果的正确性 基于 斓 方 法 获得了流场的分布情况 图滴菰诓煌仙恢檬绷鞒〉乃俣仁噶客 可以看出 当气泡位于下端的直流道时 气泡周围 的流场左右对称 气泡保持平衡状态 所以 此时气 泡能够保持稳 定的形态和相对稳 定的运动轨迹 当气泡掠过喉部段时 由于喉部的存在 气泡周围 流场的平衡性被打破 使得气泡周围的流场不再对 称 气泡形状和轨迹也发生复杂的变化５逼菰 离喉部时 气泡周围的流场逐渐摆脱喉部的影响 只受到左右对称壁面的影响 平衡性慢慢恢复 气 泡的形态也随之恢复稳定４恿鞒『推菰硕 性的变化可以得出 流道的形状通过影响流场的分 布 来影响气泡的运动特性 ∑菟俣 气泡在复杂流道中上升时 不仅其形态和运动 轨迹会发生不稳定的变化 其运动速度也呈现复杂 的变化Ｍ段莸氖鄙仙俣人嫔仙叨 变化的数值模拟结果与实验结果的对比５逼 位于下端的直流道处时 气泡在浮力 重力和阻力 的作用下受力平衡 加速度为零 所以上升竖直速 度基本保持稳定状态 在气泡遇到第一个喉部时 由于流道横截面积变小 气泡受到上升阻力增加 浮力不变 故其上升速度急剧减小 达到一个极小 值５逼菰独氲谝桓龊聿渴 速度减小导致流动 阻力减小 气泡受力不平衡 会产生一个向上的加 速度 所以其上升速度开始增加Ｆ菁绦铀偕 升 当其掠过第二个喉部时 其上升速度又一次急 剧减小 达到一个极小值５逼菰独氲诙龊聿 时 其上升速度又开始少许增加５逼萋庸谌 个喉部 其上升速度再一次减小 又达到一个极小 值 其中在第二个喉部位置时的极值是整个运动过 程的上升速度最小值Ｔ谄菰独氲谌龊聿恐 后 气泡的竖直上 升速度增加逐渐达到一个稳定值Ｍ肺萆仙剿俣人嫔仙叨鹊氖 模拟结果与实验结果.

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