摻氣水流中氣泡的動力學特性數值模擬與圖像測量.pdf

1、摻氣水流流動是高速水流的一種主要流動現象，這種流動的研究重點和難點之一是模擬和測量其復雜的氣泡流動。摻氣水流中氣泡體積大小不同，存在周期有長有短，其形成、生長和運動過程呈現出不同的幾何結構和復雜的水動力學特性。氣泡的形成和運動規(guī)律與實際工程應用息息相關。因此，全面深入研究氣泡的形成和運動規(guī)律，對于更好地為氣泡研究提供參考具有十分重要的意義。
　　本文從理論分析、模型實驗和數值模擬三方面綜述了國內外對氣泡運動的研究進展，發(fā)現在以往的

2、研究中，對氣泡在運動過程中，氣泡變形對運動規(guī)律的影響研究大多不夠深入，對兩個或多個氣泡的相互作用研究資料相對較少等，本文針對上述問題，采用CLSVOF法，引入表面張力模型并配合模型實驗對氣泡的形成及上升運動進行了數值和實驗研究。本文的主要研究工作和結論如下:
　　(1)在總結分析前人氣泡研究成果的基礎上，建立了三維氣泡動力學數值模型，在變形氣泡模擬中引入Realizablek-ε模型，在此基礎上采用采用CLSVOF法結合表面張力模

3、型同時指定不同計算條件的壁面粘附角模擬了氣泡的形成及上升運動過程。
　　(2)設計建立了一套可用于測量氣泡形成與運動的實驗裝置，通過高速攝像機進行實時圖像采集，通過C++編程和圖像分析算法對圖像進行了處理分析，獲取氣泡運動信息，并在此基礎上改進源程序，用于處理數值模擬的計算結果，
　　(3)分析了不同進氣流量和不同銳孔孔徑對氣泡形成及上升運動的影響，模型實驗與數值模擬的結果對比驗證了CLSVOF法的可靠性，通過數據分析得出:

4、氣泡的形成周期隨著進氣流量增大而縮短，縮短的趨勢也趨于平緩;進氣速度相同時，銳孔孔徑越大，氣泡之間越容易發(fā)生合并與分裂;孔徑相同時，進氣速度越大，氣泡之間也越容易發(fā)生合并與分裂，跟隨氣泡有一半的投影面積進入引導氣泡尾流區(qū)后，跟隨氣泡會加速上升，并最終發(fā)生合并;氣泡脫離銳孔后，氣泡的運動速度曲線隨著進氣流量和銳孔孔徑的增大會逐步形成有規(guī)律的震蕩周期，震幅也逐漸加大。
　　(4)對單氣泡的上升運動過程進行了實驗和模擬分析，在氣泡運動軌

5、跡上，界定了氣泡從一維直線型轉化為二維平面型，再到三維螺旋形，最后到初始為一小段直線運動，隨之轉變?yōu)槠矫鎆字形與三維螺旋運動交替出現的狀態(tài)的變形參數，并給出了氣泡在這四種軌跡路線上橫向偏移量的變化規(guī)律;在氣泡變形上，發(fā)現變形氣泡在上升初期，E值急速下降，在下降達到一個極小值之后，以震蕩的形式逐漸增大再減小，在氣泡上升后期，E值總體上達到穩(wěn)定，但是仍然表現為周期性震蕩的形式;根據得到的氣泡參數擬合了可以準確描述文中氣泡的變形情況的E與Eo

6、、We與Ta關系式;在氣泡運動速度上，認為不同變形程度的氣泡速度震蕩幅度不同，氣泡速度震蕩與形狀震蕩的周期幾乎同步，二者的變化趨勢相反，通過氣泡運動速度計算出阻力系數CD與升力系數CL;隨之對氣泡運動過程中的受力情況進行了分析，發(fā)現浮力和阻力在一個量級單位，它們在氣泡運動中起主導作用，而慣性力、虛假質量力和basset力呈震蕩狀態(tài)，升力與重力在氣泡運動中起到的作用最小，基本可以忽略不計。
　　(5)研究了同特征均勻分布氣泡和不同特

7、征非均勻分布的雙氣泡和多氣泡的運動過程，發(fā)現水平排列氣泡間的速度矢量起阻止氣泡的合并的作用，豎直排列的氣泡間的速度矢量會促使氣泡發(fā)生合并;氣泡間距對合并的影響大于氣泡排列方式對合并的影響;氣泡變形較小時，升力主要受速度梯度的影響，升力系數變化范圍不大，氣泡變形較大時，升力主要受氣泡變形的影響，升力系數變化范圍增大;氣泡的升力系數平均值隨著氣泡數量增多和Eo的增大，瞬時升力系數與單氣泡相比會有一個劇烈的減小過程，在減小過程中會出現一定幅度

8、的震蕩，并且震蕩幅度隨著氣泡Eo的增大而增大。
　　(6)對泄洪洞反弧段動水中不同變形程度的氣泡運動進行了數值模擬，得出小Eo氣泡對反弧段的摻氣減蝕可以起到更長距離的保護作用;氣泡切向運動速度與氣泡總運動速度變化趨勢相同，徑向速度均為正值，通過對氣泡受力分析得出:不管氣泡是處于靜水中還是動水中，氣泡受到各種力的大小基本都隨著Eo的增大呈增大趨勢。阻力和浮力仍然是主要作用力，慣性力、虛假質量力和basset力呈震蕩狀態(tài)，氣泡受到的升