發(fā)布時(shí)間：2019-06-05 12:55

【摘要】：氣泡運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象存在于許多自然現(xiàn)象和工程實(shí)際中,如水輪機(jī)和水泵的空化空蝕、船舶螺旋槳的水流空蝕、氣液兩相流和艦船水下排氣等。鑒于此,本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)水下排氣氣泡為對(duì)象,探討了發(fā)動(dòng)機(jī)水下排氣氣泡運(yùn)動(dòng)特性,包括發(fā)動(dòng)機(jī)水下氣泡生成機(jī)理及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律;單氣泡在水中的相變過程和運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,不同初始位置的雙氣泡在水中的運(yùn)動(dòng)特性;隨機(jī)多氣泡的生成機(jī)理及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律;含有可溶性組分的氣泡在水中的溶解現(xiàn)象及過程。首先,建立了氣泡生成的數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用VOF方法模擬氣液兩相交界面,結(jié)果表明:單個(gè)氣泡的生成經(jīng)歷了出現(xiàn)、緩慢生長、快速生長和脫離四個(gè)階段;在表面張力作用下,氣泡內(nèi)部壓力均勻分布且明顯高于氣泡外部壓力;基于數(shù)字圖像處理算法提出了一種計(jì)算單氣泡體積及其運(yùn)動(dòng)軌跡的方法;當(dāng)針孔直徑一定時(shí),隨著氣流速率增大,氣泡脫離時(shí)間減小,且減小趨勢放緩,而氣泡生成體積總的來說呈增大趨勢;當(dāng)氣體流速相等時(shí),孔徑越小,氣泡脫離時(shí)間越長,氣泡生成體積越大。同時(shí),還研究了表面接觸角、液體粘性系數(shù)和液面參考?jí)毫?duì)氣泡生成特性的影響。其次,研究了氣泡水下運(yùn)動(dòng)特性,研究發(fā)現(xiàn):單個(gè)氣泡在水中運(yùn)動(dòng)時(shí),其形狀由球形逐漸變?yōu)殚蠙烨驙?并且左右擺動(dòng)上升,其運(yùn)動(dòng)形狀為一條類S型曲線;不同初始位置氣泡運(yùn)動(dòng)過程中可能會(huì)發(fā)生碰撞、聚合與破碎現(xiàn)象;基于Journal功能,通過C語言編程方法生成了具有隨機(jī)特性的氣泡群;隨著液體相對(duì)黏性的增大,氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡左右擺動(dòng)幅度越來越小,最后近似于一條豎直的直線;液體表面張力起著維持氣泡形狀的作用,表面張力過小氣泡迅速破裂成許多個(gè)碎片,當(dāng)表面張力逐漸增大時(shí),氣泡形狀會(huì)越來越接近球形。最后,基于對(duì)菲克定律中組分?jǐn)U散通量的求解,運(yùn)用UDF編程模擬了含有可溶性組分氣泡在水中的溶解過程。研究成果有助于進(jìn)一步深化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水下排氣氣泡的認(rèn)識(shí),為工程實(shí)際奠定基礎(chǔ)。
[Abstract]:Bubble motion exists in many natural phenomena and engineering practices, such as cavitation erosion of hydraulic turbines and pumps, cavitation erosion of ship propellers, gas-liquid two-phase flow and underwater exhaust of ships. In view of this, this paper takes the underwater exhaust bubble of an engine as the object, and discusses the motion characteristics of the underwater exhaust bubble of the engine, including the formation mechanism and motion law of the underwater bubble of the engine. The phase transition process and motion phenomenon of single bubble in water, the motion characteristics of double bubble in water at different initial positions, the formation mechanism and movement law of random multi-bubble, the dissolution phenomenon and process of bubble containing soluble components in water. Firstly, the mathematical model of bubble formation is established, and the gas-liquid interface is simulated by VOF method. The results show that the formation of a single bubble has gone through four stages: emergence, slow growth, rapid growth and separation. Under the action of surface tension, the internal pressure of bubbles is uniformly distributed and obviously higher than the external pressure of bubbles. Based on the digital image processing algorithm, a method for calculating the volume and trajectory of single bubble is proposed. When the pinhole diameter is constant, with the increase of air flow rate, the bubble departure time decreases and the decreasing trend slows down, while the bubble formation volume tends to increase generally. When the gas velocity is equal, the smaller the pore size is, the longer the bubble separation time is, and the larger the bubble formation volume is. At the same time, the effects of surface contact angle, liquid viscosity coefficient and liquid level reference pressure on bubble formation characteristics were also studied. Secondly, the underwater motion characteristics of bubbles are studied. It is found that when a single bubble moves in water, its shape gradually changes from sphere to olive sphere, and swings from left to right, and its motion shape is a S-shaped curve. Collision, aggregation and breakage may occur in the process of bubble movement at different initial positions. Based on Journal function, bubble groups with random characteristics are generated by C language programming method. With the increase of the relative viscosity of the liquid, the swing amplitude of the bubble trajectory becomes smaller and smaller, and finally approximates to a vertical straight line. The surface tension of liquid plays an important role in maintaining the bubble shape. When the surface tension is too small, the bubble rapidly ruptures into many fragments. When the surface tension increases gradually, the bubble shape will become more and more spherical. Finally, based on the solution of component diffusion flux in Fick's law, the dissolution process of bubble containing soluble components in water is simulated by UDF programming. The research results are helpful to further deepen the understanding of engine underwater exhaust bubbles and lay a foundation for engineering practice.
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK401

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本文編號(hào)：2493542