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利用Level Set方法研究竖直通道中气泡上升传热与传质

元爱民  
【摘要】:随着计算机技术的快速发展,数值模拟方法已经成为研究气泡动力学的一个强有力的手段。本文着眼于采用Level Set法来捕捉气泡与周围流体的相界面,在控制容积法的基础上,结合SIMPLEC算法模拟气泡在竖直通道内的上升和传热传质规律。 首先,对单个气泡在等温体系中的浮力上升过程进行了数值模拟。计算结果表明,采用体积修正法的Level Set能很好的捕捉两相界面,无论是气泡形状,还是计算Re数都与实验结果很接近。同时,本文也对单个气泡在粘性流体中的上升做了描述,进一步地考察了液气两相的密度比和粘度比对气泡的形态和速度的影响,当密度比和粘度比都小于10时,气泡形状受粘度比的影响更大,与之相反,气泡速度受密度比的影响大于受粘度比的影响;而当密度比和粘度比都大于100时,气泡的形状和速度就几乎不受影响了。 其次,对粘性液体中的两个并排放置的相同气泡进行了数值模拟,描述了它们上升过程中的相互的作用。在Re=200的情况下,研究了We数对气泡融合的影响,发现计算We数约为2时气泡发生融合,融合发生前气泡的速度急剧下降,之后气泡速度又快速回升,但是终态速度还是大于不融合时的速度。当气泡不融合时,随着We的增大,气泡来回“碰撞”的频率也增大。 再次,对单个蒸汽泡在均匀过热流体中上升进行了数值模拟,因为相界面的温度梯度的不连续,本文提出了控制容积法下相界面的温度梯度处理方法,并在Re=40,We=5的条件下,模拟了单个蒸汽泡的上升和增大过程,结合界面平均Nu,说明了各个阶段蒸汽泡增长率。 最后,基于Level Set函数的特性,提出了另一种体积修正法,该方法不需要经验因子,物理意义强。通过单个气泡在流体中的上升和水滴自由下落到水面的模拟表明,本修正方法修正的效果与之前的修正方法大体相当。


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