气泡动力学的格子Boltzmann方法模拟

论文摘要

气泡动力学现象广泛存在于自然和化学工业、航海、军事等实际工程领域,对其开展研究具有十分重要的现实意义。气泡在浮力作用下上升,会产生一系列形状变化,由最初的圆形变成椭圆形、帽盖形、裙带性,当气泡变形剧烈的情况下裙带断裂从而产生子气泡,产生飞溅现象。因此,气泡动力学特征极为复杂,目前对气泡在不同物性参数下运动学机理的认识还不充分。传统的计算方法难以处理流体间的相互作用,在研究该类复杂问题受到一些限制。而基于介观动理论的格子Boltzmann方法可以方便描述流体与流体间相互作用,因此在模拟气液两相流问题具有一定的优势,并将用于本文气泡动力学行为的研究。针对水-空气组成的大密度两相系统,本文将利用改进的基于Allen-Cahn相场理论的格子Boltzmann模型,详细的研究二维微通道内单个气泡和多个气泡的动力学行为,其主要工作包含如下几个方面:（1）通过模拟气泡上升运动,验证基于Allen-Cahn相场理论的格子Boltzmann模型具有可行性,当气液两相密度比达到1000时,其运动形状及位置的数值解与文献吻合很好。（2）研究二维情况下密度比达到1000的单个气泡通过静止流体上升的运动过程。在这个过程中主要考察几个重要的物理量,包括Eotvos数、Reynolds数、密度比、粘度比、气泡大小和初始气泡形状,对气泡界面动力学行为、质心位置及上升速度的影响。数值结果表明,气泡随着Eotvos数或雷诺数的增加而发生较大的变形,甚至在Eotvos数或雷诺数足够大的情况下发生破碎,从而产生多个子气泡。在平衡状态下,气泡的最终上升速度随着Eotvos数的增加初始呈现出上升趋势,最终随着Eotvos数的增加而减小,而雷诺数的增加可以提高气泡的上升速度。此外其他参数也会对其运动产生一系列影响。（3）研究二维情况下密度比达到1000情况下两个气泡通过静止流体上升的过程。我们重点分析气泡中心距离、Eotvos数、Reynolds数两气泡合并状态、运动轨迹、形态变化的影响。在研究过程中具体的将每种情况分为垂直方向和水平方向,在不同放置情况下其表现为不同的运动状态。数值结果表明,在垂直情况下,气泡中心距离越接近,两气泡之间相互作用越显著,从而更容易产生合并现象。在水平情况下,中心距离对于合并没有显著影响,但在其在相互作用下气泡呈现出相互吸引再产生排斥的往复现象。对于Eotvos数和雷诺数,两个气泡均随着参数的增大而产生较大的形变。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 苏婷

导师: 徐江荣

关键词: 气泡运动学,气液两相流,大密度比,相场,格子方法

来源: 杭州电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 杭州电子科技大学

分类号: O359.1

DOI: 10.27075/d.cnki.ghzdc.2019.000095

总页数: 53

文件大小: 3168k

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