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基于质点运动方程的气泡生长数值模拟方法研究

翟雨佳  
【摘要】:摘要:气泡生长脱离过程普遍存在于化工、医药、能源等工业过程中,气泡的生长脱离特性影响着传热传质过程,掌握和控制气泡生长规律对工业设备的设计及优化具有重要意义。气泡生长过程是一个复杂相界面的形成和迁移变化过程,目前对气泡的生长预测研究多采用实验方法和CFD方法。本文提出并建立了通过计算相界面上质点运动轨迹获得气泡生长和脱离规律的全新数值方法,论文主要内容包括: 首先设计和建立附壁气泡生长脱离可视化实验系统,通过可视化实验获得不同流量和不同附壁孔径气泡生长脱离规律,包含气泡形状,脱离频率和脱离直径等参数,并为验证数值计算结果提供准确的数据。其次,完成通过计算相界面上质点运动轨迹获得气泡生长和脱离规律的全新数值方法,包括应用质点运动力学理论,把气液界面的运动过程看作是一层薄液膜质点在压力的驱动下运动的过程,以质点运动的动量方程为基础,建立气泡生长计算的完整数学模型,实现数值算法的程序开发。最后,采用该方法对不同孔径下的附壁气泡生长脱离特性进行数值计算研究。 可视化实验发现不同壁面孔径气泡呈现出两种不同的脱离模式,说明孔径大小对气泡生长过程中内部压力分布影响较大,导致气泡形状和脱离模式发生变化。论文建立的气泡生长模型中充分考虑了气液界面上质点受到的液体压力、气体压力、表面张力以及运动阻力的数学表达式,引入壁面接触角算法使程序获得准确的气泡附壁形状。计算结果表明,当附壁孔径较大时,气泡内部压力较均匀,外部液体压力基本是重力作用下的静压分布,计算得到的气泡生长和脱离形状与实验吻合非常好。通过对计算获得的气液界面上速度分布分析,进一步揭示了气泡生长特点,解释了颈缩现象对气泡脱离的影响规律。


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