多相流廣泛的存在于自然界,工業(yè)生產(chǎn)和工程應(yīng)用之中。但是由于兩相流復(fù)雜的相界面運動,并且在單一組分兩相流中還同時伴隨著相變傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生,使得兩相流問題一直是一個復(fù)雜的科學(xué)問題。近年來,隨著計算技術(shù)和先進的測量手段的發(fā)展,兩相流問題也有了更好的研究手段,使兩相流問題受到了越來越多的關(guān)注,并且已經(jīng)快速的發(fā)展成為了流體力學(xué)和傳熱學(xué)交叉的重要交叉學(xué)科。為了研究兩相流的運動特性和傳熱傳質(zhì)特性,需要利用數(shù)值模擬手段和可視化實驗對兩相流進行更加細致研究。因此,本文使用了數(shù)值模擬方法和可視化實驗對兩相流問題進行了研究。主要可分為三個大的方面:(一)基于擴散界面法對氣泡在靜水中的浮升運動特性進行了數(shù)值模擬研究。驗證了擴散界面法在兩相流問題中應(yīng)用的可行性,并對在不同網(wǎng)格劃分方式下對不同大小氣泡的計算效率,計算結(jié)果進行了對比。(二)基于擴散界面法,通過引入相變引起的傳熱傳質(zhì)源項,對單個氣泡在核態(tài)沸騰下的生長過程和影響因素進行了研究。(三)利用高速相機和粒子速度成像系統(tǒng),對汽泡在疏水壁面的生長,脫離和上升過程進行了可視化研究。文中首先對擴散界面法的基本思想和控制方程進行了闡述,對比了現(xiàn)有的兩相相界面捕捉方法,擴散界面法在相界面的處理上物理量的變化更加平滑,相界面的描述和計算方式與分子化學(xué)中對相界面的描述相一致。具有更加合理的物理意義,能夠很好的處理表面張力在相界面的作用,能夠避免在壁面處出現(xiàn)物理奇點導(dǎo)致計算出錯的問題。接著基于擴散界面法對氣泡在靜水中的浮升過程進行了計算,計算結(jié)果與實驗文獻進行了對比,表明擴散界面法能夠很好的模擬氣泡在上升過程中的速度變化和形態(tài)變化。進而對較大氣泡在靜水中的上升特性和在窄通道對氣泡上升過程的影響進行了進一步的研究。隨后為了在保證計算準確的前提下更好的提高兩相流的計算效率,分別使用歐拉-拉格朗日動網(wǎng)格法(Arbitrary Lagrange Euler,ALE)和自適應(yīng)網(wǎng)格法(Adaptive Mesh Refinement,AMR)對不同大小的氣泡在靜水的浮升運動進行了計算,對比了采用兩種不同的網(wǎng)格下的計算結(jié)果和計算效率。計算結(jié)果表明在氣泡較小的情況下ALE方法有著更快的計算效率,而對于大氣泡情況,AMR方法的計算能夠更好的體現(xiàn)氣泡的形變,計算效率也更高。在驗證了擴散界面法能夠準確的相界面的運動進行計算后,進一步的對存在相變情況下的汽泡生長過程進行數(shù)值計算。通過在相界面添加傳熱傳質(zhì)源項,修正連續(xù)性方程,相場控制方程和能量方程。對汽泡在不同接觸角下的生長過程進行了數(shù)值模擬,計算分析了汽泡在生長過程中的汽泡形態(tài)變化、脫離半徑、脫離時間、接觸線運動和加熱壁面溫度分布的變化。結(jié)果表明在潤濕條件下,汽泡的脫離半徑和生長時間都隨著接觸角的增大而增大。在壁面溫度分布中,汽泡中心溫度最高,汽液固三相接觸位置的溫度最低。在不潤濕壁面情況下,汽泡脫離時的形狀呈現(xiàn)明顯的不同。汽泡上部分通過頸部與壁面附著的汽體相連,當頸部位置變細斷裂時,汽泡脫離壁面向上浮升,但是仍然有部分汽體附著在壁面處。其中加熱壁面溫度分布與潤濕情況相似,但是在汽泡中心位置溫度更高。為了進一步探索在核態(tài)沸騰下,單個汽泡在加熱壁面上生長過程的機理問題,在原有的三相接觸線相變傳熱傳質(zhì)模型中,添加了在汽泡與加熱壁面間的微液層模型。通過建立一維偏微分方程,將微液層在汽泡生長過程中的傳熱傳質(zhì)模型引入數(shù)值計算中。研究了微液層的運動特性和其對汽泡生長過程與壁面溫度分布的影響。結(jié)果顯示在汽泡生長過程中,微液層覆蓋區(qū)域會隨著汽泡接觸線的增大而增大,但同時中心區(qū)域也會由于蒸干而變成干性區(qū)域。在兩者的共同作用下,微液層的區(qū)域會先增大后減小,在汽泡生長的最后階段汽泡底部完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦尚詤^(qū)域。并且受到微液層的影響,汽泡底部的溫度分布呈現(xiàn)環(huán)形溫度分布。最后通過搭建池式核態(tài)沸騰實驗臺架,通過溫度控制系統(tǒng)和粒子速度成像系統(tǒng),對汽泡在疏水表面的生長、脫離和上升過程進行了可視化研究。對在不同的加熱功率下和過冷度下,汽泡的生長形狀,生長周期和脫離半徑進行了研究。并利用熒光粒子示蹤了汽泡生長過程中周圍流體的運動情況。研究結(jié)果對進一步深入探討汽泡核態(tài)沸騰下的流動和傳熱特性有著重要的意義。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TK124;O359
【部分圖文】：

圖１－邋１邋Ｇｒａｃｅ經(jīng)驗關(guān)系圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－１邋Ｇｒａｃｅ邋Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ邋Ｄｉａｇｒａｍ逡逑圖１－１為Ｇｒａｃｅ經(jīng)驗關(guān)系圖，該圖中表示了氣泡在靜水浮升過程中，在最終穩(wěn)定過逡逑程中呈現(xiàn)的形狀。Ｇｒａｃｅ經(jīng)驗關(guān)系圖經(jīng)過大量的實驗驗證，能夠比較準確的反應(yīng)和預(yù)測逡逑２逡逑

１．３核態(tài)沸騰下氣泡生長理論模型逡逑在靜水中，當熱量不斷從底部加入時，能量傳遞會依次從自然對流換熱到核態(tài)沸騰逡逑換熱，再到過渡沸騰，最終達到膜態(tài)沸騰的過程，如圖１－２所示。逡逑４逡逑

２．１數(shù)學(xué)物理模型及控制方程逡逑擴散界面法中，相界面不是一個明確，銳利的分界面，而是存在一個有厚度，但是逡逑非常薄的連續(xù)變換的擴散界面，如圖２－１所示。在擴散界面法中，通過在固定網(wǎng)格下追逡逑蹤相場變量的變化取代直接追蹤相界面的運動來計算兩種不相容的流體的運動，和相界逡逑面的變化。逡逑２５逡逑

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 何丹;李彥鵬;劉艷艷;;初始形狀對浮升氣泡動力特性的影響[J];西安交通大學(xué)學(xué)報;2011年01期

2 王琳琳;田輝;李國君;;基于Level Set方法對油水和氣水兩相界面的數(shù)值模擬[J];應(yīng)用力學(xué)學(xué)報;2010年02期

3 李彥鵬;王煥然;;基于Level Set方法的氣-液-固三相流動模型與模擬[J];應(yīng)用力學(xué)學(xué)報;2008年04期

4 徐炯;王彤;楊波;谷傳綱;王煥然;;靜止水下氣泡運動特性的測試與分析[J];水動力學(xué)研究與進展A輯;2008年06期

5 李彥鵬;關(guān)衛(wèi)省;;應(yīng)用Level Set方法模擬三維氣泡與液滴的運動[J];地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報;2007年02期

6 陳凡紅;王成;郝莉;寧建國;;用Level Set方法追蹤運動界面[J];力學(xué)與實踐;2006年04期

7 朱君,趙寧,戴嘉尊;R-M界面不穩(wěn)定性Level Set方法[J];南京理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2004年02期

8 李元香，陳炬樺，黃樟燦;LB方法的一個簡單多速模型[J];計算物理;1995年04期

9 錢躍z

本文編號：2819309