【摘要】：以氣泡為分散相的氣液多介質(zhì)流體流動廣泛存在于能源、石油、動力、化工等實際工程領(lǐng)域。施加外部電場作用提供了一種非接觸式主動控制氣泡動力學(xué)行為的有效途徑。然而,在電場作用下氣泡的運動行為的模擬研究中存在計算量大,計算效率低、精度不高等問題,所以研究高效率的計算方法來求解電場作用下兩相流模型具有非常重要的意義。本研究基于不同計算方法,以氣液兩相流為研究對象,將不可壓縮流體的連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程、電場方程等控制方程耦合建立了一個研究粘性流體中氣泡的動力學(xué)模型,并進行數(shù)值模擬計算,研究了耦合電場的兩相流行為特征,分析電場作用對氣泡運動的影響。論文的主要研究內(nèi)容和研究結(jié)論如下:1.采用水平集(Level-set)和相場法(Phase-field)來跟蹤記錄氣泡上升過程中可能出現(xiàn)的形變、破裂等變化,通過質(zhì)量守恒驗證了兩種計算方法的準(zhǔn)確性和有效性,同時為了計算的精確度對計算區(qū)域進行了一定的網(wǎng)格劃分,并使用網(wǎng)格獨立性檢驗來計算得到了最優(yōu)的網(wǎng)格大小。2.相較于水平集方法,相場法在計算效率和計算精度上都有一定提升。其中,在相同網(wǎng)格下相場計算方法的計算效率最大提升了5倍,在垂直電場環(huán)境下的計算效率提升了3倍,而且相場法更容易捕獲氣泡上升過程中氣泡發(fā)生的細(xì)微變化,模擬計算結(jié)果的質(zhì)量也更好,驗證了相場計算方法的有效性。3.通過兩種計算方法對耦合電場下氣泡上升過程的模擬分析,結(jié)果表明氣泡在靜電力、浮力和表面張力的相互作用下,沿電場線方向拉伸成橢球形,其長短軸之比與外加電場強度成正比。氣泡上升速度受電場作用影響,垂直電場加速氣泡的上升,而水平方向減速。4.利用相場計算方法模擬了計算外部均勻豎直電場環(huán)境下一對共軸氣泡的運動、融合現(xiàn)象,計算不同電場強度對上升氣泡相互作用和相互融合的影響。研究結(jié)果表明,均勻強電場加速了流體中雙氣泡的碰撞融合過程,提高了氣泡的上升速度。當(dāng)電場強度較大時,融合氣泡后氣泡會發(fā)生破裂,破裂時間也隨電場強度的增加而減少。將相場方法與同條件下LBM(Lattice Boltzmann method)方法的結(jié)果進行了對比,兩種方法所得氣泡形態(tài)變化吻合良好,驗證了本文相場計算模型的正確性。
【圖文】：

圖 1.1 D3Q19 LBM 離散模型的計算：0 0 ( 1, 0, 0) , (0 1 0) (0 0 1) ( 1, 1, 0) , ( 1 0 1) (0 1 1) c c c c c c （ ，）， ， ，，，，， ，， ，3c1 3 01 18 1 61 36 7 18iiw ii [55]格子 Boltzmann 方法(LBM)究了氣。孟輝等[56]利用格子 Boltzmann 法計位置的兩個氣泡的運動情況，分析兩影響。史冬巖等[57]改進了 Swift 的 LB比(1:1000)的氣液兩相流問題，通過與數(shù)值結(jié)果精度并驗證了其質(zhì)量守恒。

同時對界面處經(jīng)過局部加密網(wǎng)格，得到網(wǎng)格劃分圖如圖 2.3 所示。圖 2.3 網(wǎng)格劃分示意圖2.3.2 數(shù)值模擬計算步驟計算流體力學(xué) Computational Fluid Dynamics(CFD)，是為了彌補理論分析和實驗研究分析方法的不足而發(fā)展起來的，主要是通過計算機和數(shù)值方法來求解流體力學(xué)流體流動的相關(guān)控制方程，從而來描述多介質(zhì)流體流動等過程中的物理特性。本文基于以上控制方程，將方程進行耦合求解，對自由界面的追蹤模擬分別采用水平集方法和相場方法來實現(xiàn)，，針對在外加電場作用下氣泡在黏性流體中的上升的模擬，在對流體問題進行求解時，具體計算步驟如下所示：1、分析物理問題，閱讀相關(guān)參考文獻，確定物理模型所使用的控制方程2、創(chuàng)建幾何模型，定義物理參數(shù)3、設(shè)定邊界條件和初始值4、生成網(wǎng)格:將求解域分解成單元，生成計算節(jié)點，調(diào)整網(wǎng)格選取合適的網(wǎng)格大小。5、求解(設(shè)定 Solver 參數(shù))離散方程：求解組裝得到的大型稀疏矩陣，這是最消耗內(nèi)存和時間的步驟。6、后處理，結(jié)果可視化、動畫、輸出，后處理的目的是有效或直觀的觀察和分析計算結(jié)果。為更好的處理模擬結(jié)果，如氣液形狀、氣泡體積、壓力等，可通
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O359

【參考文獻】

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本文編號：2593989