气泡在水中上升运动的数值模拟

基于流体体积函数(VOF)模型,借助Fluent软件,数值模拟了气泡在水中上升运动.考虑不同初始位置以及气泡大小对气泡在水中运动的影响,监测气泡在不同时刻的变形,分析了速度随时间的变化,并考察了气泡在不同密度比和粘度比的酒精流场和乙醚流场中运动.结果表明:直径大的气泡在上升过程中速度变化较大,上下表面速度差较大,大气泡较不稳定.气泡运动中,底部射流区域的速度先达到最大,然后降低,降低到一定程度会反弹.外部流体与气泡粘度比、密度比、表面张力系数对气泡运动有较大影响.     

2个气泡运动的数值模拟

基于VOF模型,借助FLUENT软件,对初始位置不同、大小不同的2个气泡进行了数值模拟,主要研究气泡在上升过程变形、融合、破裂等现象,分析气泡上升过程中的尾迹流,揭示了水平和竖直2个气泡相互吸引、排斥等现象,分析了2个气泡速度场相互影响。研究表明,气泡间距越小,速度场相互影响越大,气泡越容易相互吸引、融合。     

熵格子Boltzmann方法的亚格子尺度模型

熵格子Boltzmann方法对格子Boltzmann方法的改进使其具有稳定模拟高雷诺数湍流的潜力。尝试将大涡模拟的重整化群亚格子尺度湍流模型引入到熵格子Boltzmann方法中。同时建立基于熵格子Boltzmann方法的大涡模拟重整化群亚格子尺度模型及大涡模拟标准Smagorinsky亚格子尺度模型,进行高雷诺数湍流圆柱绕流场的模拟计算。结果表明:所建立的熵格子Boltzmann方法重整化群亚格子尺度模型能够有效模拟高雷诺数湍流流动,其对高雷诺数湍流的模拟计算结果略优于熵格子Boltzmann方法的大涡模拟标准Smagorinsky亚格子尺度模型。     

基于LBM方法的圆盘等速入水空泡的数值模拟

采用单相格子Boltzmann模型进行了物体垂直入水问题的研究.该模型适用于大密度比的气液两相流动,其特点是忽略了系统中气相对液相的动力学影响.模拟了圆盘垂直等速入水过程,给出了入水过程中空泡与自由面的变化规律,研究了圆盘入水空泡相对闭合深度与Froude数之间的关系.数值模拟结果与相关的实验结果吻合良好,验证了格子Boltzmann方法(LBM:Lattice Boltzmann Method)模拟物体入水问题的可行性.     

基于OpenFOAM的平板微气泡减阻数值分析

本文基于OpenFOAM两相欧拉求解器(twoPhaseEulerFoam)对二维平板进行微气泡减阻数值模拟。模型直接求解两相N-S方程,同时采用标准k-ε湍流模型,并考虑两相间作用力的影响,通过求解界面输运方程来模拟气泡的聚并和破碎。将数值结果和Madavan[1]试验结果进行对比,验证了模型的可行性。分析了不同流速下气泡直径、通气速度、浮力对减阻率的影响,并且研究了气泡对边界处流体速度分布、气体体积分数的影响。从数值结果可以看出通气速度较大且气泡直径较小时,减阻效率高,并且浮力对减阻有一定影响。     

基于格子Boltzmann方法的方腔内自然对流与换热的数值模拟

基于双分布格子Boltzmann模型,建立了适合于流体流动和换热的热格子Boltzmann模型.温度分布函数中采用D2Q9离散速度模型.以热格子Boltzmann模型,模拟了方腔内自然对流的形成及其演化,通过与相关文献的计算结果对比可以发现,热格子Boltzmann模型在处理流体流动与传热方面存在着独特的优点,文中建立的数值模拟计算方法和程序是切实有效的.     

熵格子Boltzmann方法的重整化群代数湍流模型

重整化群理论所建立的湍流模型能够最大程度地减小模型经验性,因此文章尝试将重整化群代数湍流模型引入到熵格子Boltzmann方法中,建立新型的计算模型以对高雷诺数湍流进行模拟研究。同时为了进行比较研究,还建立了熵格子Boltzmann方法的标准大涡模拟模型。完成了对高雷诺数湍流绕流场的模拟计算。结果表明:所建立的熵格子Boltzmann方法重整化群代数湍流模型能够有效地模拟高雷诺数湍流流动问题;其对紧贴壁面处较小尺度湍涡的模拟结果趋近于大涡模拟的结果;重整化群代数湍流模型在对高雷诺数湍流的模拟中表现出耗散模型的特征。     

格子Boltzmann方程模拟高雷诺数三维方腔流

为分析方腔流内部流场的特性和验证格子Boltzmann方法模拟湍流的能力,应用标准Smagorinsky涡粘性模型与多松弛时间格子Boltzmann方程(Multiple Relaxation Time Lattice Boltzmann Equation,MRT-LBE)组合对高雷诺数(Re=10 000)三维方腔流进行数值研究,计算了时间平均量,如速度,均方根速度、雷诺应力以及中心断面(y=W/2)处的流线等高线。模拟结果与已有实验和数值模型结果比较可知,MRT-LBE能够精准地计算剪切驱动方腔内流场的变化。另外,将基于图形处理(graphic processor unit,GPU)的计算统一设备架构(Compute Unified Device Architecture,CUDA)并行技术引入到基于MRT-LBE的Smagorinsky模型以提高计算效率,计算效率提高达200倍。     

计入能量损失的气泡运动三维数值模拟

在前人研究的基础上,假设能量损失主要发生在气泡体积达到最小的瞬间,通过改变压力参数计及能量损失,结合势流理论,建立气泡三维动力学数值模型。采用边界积分法求解该数值模型,计算得到气泡的动态特性,计算值与实验值吻合良好,验证了数值模型和计算方法的有效性。基于此,分别对自由场中和边界附近的气泡动力学特性进行了模拟,包括水下爆炸气泡以及空化气泡,得到了一些规律性的曲线和结论,旨在为气泡的相关动态特性研究提供参考。     

微气泡减阻的二相湍流边界层模型计算

利用边界层中注入微气泡来降低固体壁面摩擦阻力是一项有实用价值且有待进一步研究的减阻技术.本文以含微气泡的湍流边界层为研究对象,以气液二相流理论为基础,对二相湍流边界层控制方程进行了详细讨论,并利用差分网格法进行了求解,计算结果表明微气泡具有明显的减阻效果.最后对影响减阻效果的因素进行了分析,指出了今后的研究方向.     

基于PIV的船首气泡下扫现象试验研究

以某载人潜水器支持母船为研究对象,通过气泡发生器产生气泡来模拟该船在正常航行时的气泡条件,气泡的位置通过PIV测量系统观测与拍摄,从而捕捉到气泡流的运动轨迹。通过对试验结果的分析,较为有效的显现了气泡下扫以及气泡流迹的现象,同时证明了船体邻近水域内气泡流迹并不是简单的水平和垂向速度的合成。     

二维船舶微气泡减阻数值模拟

为了研究来流雷诺数、微气泡浓度等因素对减少船舶摩擦阻力的影响,采用Lam-Bremhorst低雷诺拓展的K-ε模型,应用相间滑移算法,考虑了气-水两相的相间阻力、相间升力、相间压力和相间虚质量力以及气泡对湍流的作用,对二维平底型船舶,在船首底部喷射微气泡,进行了微气泡减阻的数值模拟.结果显示：提高边界层内气泡浓度是减阻的重要因素,而来流雷诺数过高对减阻不利.     

基于VOF方法的驻留微气泡形状稳定性仿真研究

亚微米级的驻留微气泡在强剪切流中发生变形,会导致将气泡简化为完全滑移刚性壁面而进行的数值仿真出现明显误差.文中采用了VOF方法求解驻留微气泡的气—液两相流平板Couette流场模型,利用剪切流粘性力与表面张力的比值毛细数Ca作为判据,得到了Ca=0.1作为亚毫米尺度微气泡在剪切流中发生显著变形的临界值,并将Ca＜＜0.1作为将驻留微气泡简化为完全滑移刚性壁面的适用条件.通过仿真得出滑移长度随毛细数增大而减小,当毛细数超过0.1时,驻留微气泡起到增阻作用.在微气泡不发生严重变形的前提下,选择尽量大尺寸的气泡有利于提高减阻效果.     

浸没边界格子Boltzmann方法的改进及转动圆柱绕流模拟

针对浸没边界格子Boltzmann方法计算效率不足的问题,提出一种改进浸没边界格子Boltzmann方法。通过使用作用力格子Boltzmann模型,并简化流固耦合作用力的计算方法,使计算流程得到简化,同时,对比原方法转动圆柱绕流计算结果,计算时间缩短一半以上,提高了数值计算效率。结合改进算法研究转动圆柱绕流的流场升阻力系数、压力系数、流场速度等流体参数场随转速比的关系,揭示了一定的转动圆柱绕流动力学规律。研究结果表明,改进方法准确可靠。     

平板微气泡减阻预报及影响因素研究

假定气-液两相流均匀混合,且微气泡在水流中存在滑移,运用流体计算软件Fluent中的混合多相流模型对平板微气泡减阻过程进行数值模拟,研究了微气泡流的减阻机理及喷气速度与主流速度之比、微气泡大小、空隙率分布等对水中运动平板减阻效果的影响规律,并指出微气泡减阻率为喷气速度与主流速度之比的非线性对数函数,且存在相对饱和喷气速度,同时建立了一个平板微气泡减阻率大小的预报模型,并从理论上对减阻效果进行了预报。     

含微气泡二相湍流边界层减阻理论计算

利用边界层中注入微气泡降低固体壁面摩擦阻力的方法是一项有实用价值且有待进一步研究的减阻技术.本文以含有微气泡的湍流边界层为研究对象,以气液二相流理论为基础,建立了二相湍流边界层控制方程,在对控制方程进行详细讨论的基础上,利用差分网格法进行了求解,计算结果表明微气泡具有明显的减阻效果.最后对影响减阻效果的因素进行了分析,并指出了今后的研究方向.     

基于大涡模拟的槽道微气泡减阻数值模拟

以大涡模拟和mixture两相流模型计算微气泡对湍流边界层的影响,以达到减小湍流边界层阻力的目的.数值模拟中,在同一水流速度和不同气泡喷射速度下,阻力随着气泡的喷射速度的增加而得到很大的减小,但当气泡量达到饱和时,减阻效果下降.数值模拟结果表明,在湍流边界层中注入微气泡是一种有效的减阻方式.     

纳米流体沸腾传热研究进展

综述近年来纳米流体在池沸腾和流动沸腾传热领域的实验研究和数值模拟研究.实验包括纳米流体沸腾传热的临界热流密度、沸腾换热系数以及换热机理方面的研究,并简要分析纳米流体强化或弱化沸腾传热的主要原因.数值模拟主要介绍格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)在纳米流体沸腾传热领域的最新研究进展,包括基于不同的LBM模型模拟气泡产生、成长到脱离壁面的过程,对气泡的脱离直径和频率进行分析.最后展望纳米流体沸腾传热的发展方向.     

横流中水下气泡运动特性模型对比研究

为更好地研究水下气泡的运动规律,开展横流作用下水下气泡的运动特性模型研究。首先以动量定理为基础,推导横流中水下高速气体的射流轨迹模型;其次依据牛顿定理,对水下气泡进行受力分析,建立横流中单气泡的运动数学模型;最后采用龙格-库塔法对2个模型进行求解与分析。结果表明,2个计算模型在各自的气泡速度范围内,能够模拟对应的气泡运动轨迹,而随着横流速度的不断增加,计算结果误差越来越大。研究结果为水下气泡在复杂流场中的运动特性研究提供参考。     

基于自适应直角网格的高速方尾船气泡尾流模拟

航行水面舰船的尾流中含有大量气泡。气泡尾流具有演化时间长、扩散范围广等特征,对舰船的噪声、隐身性能等产生影响。这项研究通过自主开发的两相流求解器,采用大涡模拟方法对方尾船后的近场尾流进行数值模拟。使用自适应直角网格方法进行动态网格加密,通过几何VOF方法捕捉自由面和尾流中较大的气泡,利用高阶浸入边界方法模拟方尾船体表面。通过对方尾船不同吃水深度下气泡尾流的模拟,获得其形态特征。对尾流模拟数据进行时间平均和空间平均,得到尾流两相混合区域的速度分布。使用自主开发的气泡识别程序,获得尾流中气泡尺寸的分布和空间分布规律。