气泡动力学特性的三维数值模拟研究

【摘要】：本文采用VOF中的PLIC界面捕捉方法，结合考虑了表面张力的运动方程，对重力场中单个气泡和气泡群的上升及变形运动进行了三维数值模拟研究，深入研究了曝气池中气泡在运动过程中的动力学特性，主要的工作有： (1)对前人有关气泡运动的研究方法、内容取得的进展及成果进行了较为全面地总结，指出借助于界面捕捉方法来研究气泡动力学特性的必要性和可行性。 (2)建立基本控制方程组，详细介绍了VOF中的PLIC界面捕捉方法的基本原理，并对模型进行了验证。 (3)对单个气泡的上升运动进行了三维数值模拟研究，考察了粘性、表面张力、密度比和粘度比对气泡变形和上升速度及路径的影响，得出粘性和表面张力的作用非常显著，但流体与气泡的密度比和粘度比对气泡变形和上升速度的影响不大，当密度比超过一定范围时，仅使气泡的破裂时间提前。 (4)对水平和上下放置的球形气泡和变形较大的两个气泡在浮力作用下的上升及变形过程进行了模拟，分析了气泡间距与Re数之间的关系，揭示了气泡融合过程中上升速度的降低与反弹现象。 (5)对规则排列的大量气泡的动力学特性进行了模拟，分析了气泡在运动过程中的碰撞与融合现象及其对周围流场的扰动程度，以及排列位置和气泡数量对整体上升速度的影响。