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湍流场中单个气泡破碎的数值模拟与实验研究

曹家颖  
【摘要】:气泡破碎是多相流反应器中的常见现象,气泡破碎可以显著地提高气-液接触面积,促进传质、传热,在多相流反应器中起到重要作用和影响。本课题主要采用CFD软件对有机玻璃槽内射流流场以及气泡在湍流场中的运动及破碎过程进行数值模拟,并进行相关内容的分析研究。本文采用高速摄像技术、二维粒子成像技术分别对气泡破碎及单相流场进行实验研究,获得气泡及流场的相关信息。同时,利用ANSYS软件分别对二维与三维结构、不同的网格尺寸、湍流模型等进行模拟计算,并将液相流场和气泡破碎情况与实验现象进行对比,从中优选得到适宜的模拟方法。结果表明,采用分块性的结构化网格,联合使用大涡模拟(LES)方法的湍流模型与VOF方法的三维数值模拟可以得到与实验较为吻合的结果,并且能够较为真实、准确地还原气泡破碎过程。数值模拟中,通过改变射流喷口流速、气泡直径、气泡初始发生位置等参数,对不同条件下的气泡破碎过程进行研究,与实验结果对比并分析了气泡的形变过程以及不同条件下的破碎概率。同时对气泡的运动轨迹、子气泡个数、表面积变化、最大稳定气泡直径、气泡与流场的相互作用等内容进行了相应的分析。基于液相流场和气泡之间的相互作用,对气泡破碎时刻进行受力分析,发现在气泡破碎的瞬间,相比于气泡的其他位置气泡颈处受到了明显偏大的剪应力。通过气泡周围的流场分析,发现气泡表面湍流压力大于表面力时,气泡能够发生破碎。根据气泡运动过程中周围液相流场的特性提出的一种临界韦伯数的表达形式,发现当气泡韦伯数大于0.5时,气泡能发生破碎。


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