摻氣水流中氣泡的動(dòng)力學(xué)特性數(shù)值模擬與圖像測(cè)量.pdf

1、摻氣水流流動(dòng)是高速水流的一種主要流動(dòng)現(xiàn)象，這種流動(dòng)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)之一是模擬和測(cè)量其復(fù)雜的氣泡流動(dòng)。摻氣水流中氣泡體積大小不同，存在周期有長(zhǎng)有短，其形成、生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)過程呈現(xiàn)出不同的幾何結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的水動(dòng)力學(xué)特性。氣泡的形成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律與實(shí)際工程應(yīng)用息息相關(guān)。因此，全面深入研究氣泡的形成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬三方面綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的研究進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)在以往的

2、研究中，對(duì)氣泡在運(yùn)動(dòng)過程中，氣泡變形對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響研究大多不夠深入，對(duì)兩個(gè)或多個(gè)氣泡的相互作用研究資料相對(duì)較少等，本文針對(duì)上述問題，采用CLSVOF法，引入表面張力模型并配合模型實(shí)驗(yàn)對(duì)氣泡的形成及上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。本文的主要研究工作和結(jié)論如下:
　　(1)在總結(jié)分析前人氣泡研究成果的基礎(chǔ)上，建立了三維氣泡動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，在變形氣泡模擬中引入Realizablek-ε模型，在此基礎(chǔ)上采用采用CLSVOF法結(jié)合表面張力模

3、型同時(shí)指定不同計(jì)算條件的壁面粘附角模擬了氣泡的形成及上升運(yùn)動(dòng)過程。
　　(2)設(shè)計(jì)建立了一套可用于測(cè)量氣泡形成與運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置，通過高速攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，通過C++編程和圖像分析算法對(duì)圖像進(jìn)行了處理分析，獲取氣泡運(yùn)動(dòng)信息，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)源程序，用于處理數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，
　　(3)分析了不同進(jìn)氣流量和不同銳孔孔徑對(duì)氣泡形成及上升運(yùn)動(dòng)的影響，模型實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了CLSVOF法的可靠性，通過數(shù)據(jù)分析得出:

4、氣泡的形成周期隨著進(jìn)氣流量增大而縮短，縮短的趨勢(shì)也趨于平緩;進(jìn)氣速度相同時(shí)，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(shí)，進(jìn)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(jìn)入引導(dǎo)氣泡尾流區(qū)后，跟隨氣泡會(huì)加速上升，并最終發(fā)生合并;氣泡脫離銳孔后，氣泡的運(yùn)動(dòng)速度曲線隨著進(jìn)氣流量和銳孔孔徑的增大會(huì)逐步形成有規(guī)律的震蕩周期，震幅也逐漸加大。
　　(4)對(duì)單氣泡的上升運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬分析，在氣泡運(yùn)動(dòng)軌

5、跡上，界定了氣泡從一維直線型轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)，隨之轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎆字形與三維螺旋運(yùn)動(dòng)交替出現(xiàn)的狀態(tài)的變形參數(shù)，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(xiàn)變形氣泡在上升初期，E值急速下降，在下降達(dá)到一個(gè)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(dá)到穩(wěn)定，但是仍然表現(xiàn)為周期性震蕩的形式;根據(jù)得到的氣泡參數(shù)擬合了可以準(zhǔn)確描述文中氣泡的變形情況的E與Eo

6、、We與Ta關(guān)系式;在氣泡運(yùn)動(dòng)速度上，認(rèn)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(shì)相反，通過氣泡運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算出阻力系數(shù)CD與升力系數(shù)CL;隨之對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)浮力和阻力在一個(gè)量級(jí)單位，它們?cè)跉馀葸\(yùn)動(dòng)中起主導(dǎo)作用，而慣性力、虛假質(zhì)量力和basset力呈震蕩狀態(tài)，升力與重力在氣泡運(yùn)動(dòng)中起到的作用最小，基本可以忽略不計(jì)。
　　(5)研究了同特征均勻分布?xì)馀莺筒煌?/p>

7、征非均勻分布的雙氣泡和多氣泡的運(yùn)動(dòng)過程，發(fā)現(xiàn)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(huì)促使氣泡發(fā)生合并;氣泡間距對(duì)合并的影響大于氣泡排列方式對(duì)合并的影響;氣泡變形較小時(shí)，升力主要受速度梯度的影響，升力系數(shù)變化范圍不大，氣泡變形較大時(shí)，升力主要受氣泡變形的影響，升力系數(shù)變化范圍增大;氣泡的升力系數(shù)平均值隨著氣泡數(shù)量增多和Eo的增大，瞬時(shí)升力系數(shù)與單氣泡相比會(huì)有一個(gè)劇烈的減小過程，在減小過程中會(huì)出現(xiàn)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(duì)泄洪洞反弧段動(dòng)水中不同變形程度的氣泡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出小Eo氣泡對(duì)反弧段的摻氣減蝕可以起到更長(zhǎng)距離的保護(hù)作用;氣泡切向運(yùn)動(dòng)速度與氣泡總運(yùn)動(dòng)速度變化趨勢(shì)相同，徑向速度均為正值，通過對(duì)氣泡受力分析得出:不管氣泡是處于靜水中還是動(dòng)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(shì)。阻力和浮力仍然是主要作用力，慣性力、虛假質(zhì)量力和basset力呈震蕩狀態(tài)，氣泡受到的升