發(fā)布時間：2020-03-21 21:52

【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(shí)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(yùn)動行為的模擬研究中存在計(jì)算量大,計(jì)算效率低、精度不高等問題,所以研究高效率的計(jì)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(jì)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(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)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(yùn)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(yàn)證了兩種計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和有效性,同時為了計(jì)算的精確度對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行了一定的網(wǎng)格劃分,并使用網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)來計(jì)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(jì)算效率和計(jì)算精度上都有一定提升。其中,在相同網(wǎng)格下相場計(jì)算方法的計(jì)算效率最大提升了5倍,在垂直電場環(huán)境下的計(jì)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(jì)算結(jié)果的質(zhì)量也更好,驗(yàn)證了相場計(jì)算方法的有效性。3.通過兩種計(jì)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(qiáng)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(jì)算方法模擬了計(jì)算外部均勻豎直電場環(huán)境下一對共軸氣泡的運(yùn)動、融合現(xiàn)象,計(jì)算不同電場強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行了對比,兩種方法所得氣泡形態(tài)變化吻合良好,驗(yàn)證了本文相場計(jì)算模型的正確性。
【圖文】：

圖 1.1 D3Q19 LBM 離散模型的計(jì)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(jì)位置的兩個氣泡的運(yùn)動情況，分析兩影響。史冬巖等[57]改進(jìn)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(yàn)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(jì)算步驟計(jì)算流體力學(xué) Computational Fluid Dynamics(CFD)，是為了彌補(bǔ)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究分析方法的不足而發(fā)展起來的，主要是通過計(jì)算機(jī)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(jìn)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(shí)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(jìn)行求解時，具體計(jì)算步驟如下所示：1、分析物理問題，閱讀相關(guān)參考文獻(xiàn)，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(jì)算節(jié)點(diǎn)，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(jì)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(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 呂雅琪;聶德明;林建忠;;三維雙氣泡融合的格子Boltzmann模擬[J];計(jì)算物理;2015年05期

2 陳慶國;宋春輝;梁雯;鄭天宇;劉增;趙忠山;魏新勞;;非均勻電場下乳化油中液滴變形動力學(xué)行為[J];化工學(xué)報(bào);2015年03期

3 孟輝;張興偉;牛小東;胡平;;格子Boltzmann方法分析氣泡的運(yùn)動及其相互作用[J];應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào);2014年04期

4 史冬巖;王志凱;張阿漫;;一種模擬氣液兩相流的格子波爾茲曼改進(jìn)模型[J];力學(xué)學(xué)報(bào);2014年02期

5 梁猛;李青;王奎升;劉競業(yè);陳家慶;;勻強(qiáng)電場作用下分散相液滴的變形和破裂[J];化工學(xué)報(bào);2014年03期

6 吳杰;徐爽;趙寧;;一種模擬大密度比多相流的混合算法[J];計(jì)算物理;2013年01期

7 石萬元;張鳳超;田小紅;XZ田隆夫;;相場法模擬懸浮熔融硅液滴內(nèi)部對流及自由界面變形現(xiàn)象[J];西南交通大學(xué)學(xué)報(bào);2012年04期

8 張淑君;吳錘結(jié);;氣泡群動力特性模擬分析[J];河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2010年02期

9 范文元;馬友光;李小磊;李懷志;;非牛頓流體中的兩并行運(yùn)動氣泡周圍流場及氣泡間相互作用的PIV研究(英文)[J];Chinese Journal of Chemical Engineering;2009年06期

10 趙知辛;王煥然;李彥鵬;席光;;用Level Set方法對水下兩個氣泡運(yùn)動的數(shù)值模擬[J];西安交通大學(xué)學(xué)報(bào);2009年07期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 呂雅琪;氣泡融合及其在剪切作用下的數(shù)值研究[D];中國計(jì)量學(xué)院;2016年

2 金效興;低微重力場下池內(nèi)沸騰氣泡動力學(xué)及傳熱數(shù)值模擬[D];上海大學(xué);2014年

3 李小磊;非牛頓流體中平行雙氣泡行為及流場特性[D];天津大學(xué);2009年

本文編號：2593989