橫向水流作用下圓孔通氣流場在船舶、化工及水中兵器等領(lǐng)域廣泛出現(xiàn),影響流場流動狀態(tài)的因素包括但不限于橫向水流速度、通氣流量、通氣孔直徑、表面張力、重力、氣體可壓縮性和通氣方向。該文基于有限體積方法,結(jié)合VOF界面捕捉方法與大渦模擬（LES）方法,采用商用工程軟件（FLUENT）,建立了橫向水流作用下圓孔通氣多相非定常流場的數(shù)值模擬方法,并且分析了不同的橫向水流速度和通氣流量時氣泡參數(shù)變化規(guī)律,以及通氣泡的斷裂頻率,分析得到擬合關(guān)系式。 

【文章來源】：水動力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯）. 2020,35(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

計算域及網(wǎng)格

利用此數(shù)值模型及計算方法對Rek等[8]的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，橫向水流速度Vl=0.723 m/s，通氣流量Qg=3?10-5 kg/s。用一個矩形框?qū)⑼馀莅鼑匦慰虻闹行淖鴺?biāo)(x/D,y/D)定義成氣泡位置坐標(biāo)。選取t=1.070 s時的氣液界面圖像，如圖2(a)所示。橫向水流作用下通氣流場是一種復(fù)雜的非定常流動，不同周期內(nèi)氣泡的位置和形狀存在差異，因此將氣泡位置取平均值，如表1所示，除了氣泡2誤差略大于10%，其它氣泡位置坐標(biāo)在實(shí)驗(yàn)值附近輕微波動。在一定速度的橫向水流作用下，通氣泡會發(fā)生偏轉(zhuǎn)、拉長、斷裂和分離等周期行為，斷裂頻率由通氣泡的兩個相鄰斷裂的時間間隔計算得到。表2中實(shí)驗(yàn)的斷裂頻率平均值為38.7 Hz，本文得到的平均值為37.4 Hz，計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均有一定的散布，體現(xiàn)出氣泡發(fā)展演化和斷裂分離的不規(guī)則性,模擬結(jié)果的氣泡位置和斷裂頻率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明模擬方法適用。

橫向水流速度Vl=0.723 m/s，通氣流量情況下，選取t0=0.495 s,t0+T=0.522 s一個周期的氣液界面如圖3所示，每一行的左圖為主視圖，右圖為俯視圖。氣體經(jīng)通氣孔進(jìn)入流場，在通氣孔上游形成高壓，氣體軌跡向下游偏轉(zhuǎn)，并且在通氣孔附近氣泡表面波動明顯。通氣泡部分附著于壁面，附著部分沿水流方向增長，直到如圖3(d)發(fā)生頸縮。持續(xù)通氣，通氣泡X方向長度逐漸拉長，Y和Z方向長度變化不大，通氣泡內(nèi)部末端區(qū)域壓強(qiáng)大于外部流場而膨脹，末端由尖銳變得平緩，表面的不規(guī)則波動不如通氣孔附近。氣液界面存在Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性，通氣泡表面某位置出現(xiàn)較大凹陷，動量大得多的橫向水流在此位置擠壓通氣泡，并推動下游部分使其斷裂分離，分離出的氣泡受浮力作用逐漸向上抬升脫離壁面。如此循環(huán)往復(fù)，流場中形成串型氣泡流場。在通氣孔上方3D處設(shè)置測壓點(diǎn)，測得的壓強(qiáng)為表壓，數(shù)據(jù)點(diǎn)時間間隔為0.001 s，流場內(nèi)測壓點(diǎn)壓強(qiáng)部分變化如圖4所示，測壓點(diǎn)壓強(qiáng)整體呈現(xiàn)周期性變化，這段時間中最小壓強(qiáng)為160 Pa，最大壓強(qiáng)為860 Pa。高壓時刻基本與氣泡斷裂時刻相對應(yīng)，相鄰壓強(qiáng)較高點(diǎn)之間存在壓強(qiáng)的不規(guī)則小幅波動，這與氣泡表面不規(guī)則波動相對應(yīng)。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]水下航行體微氣泡減阻特性試驗(yàn)研究[J]. 宋武超,王聰,魏英杰,路麗睿.  振動與沖擊. 2019(05)



本文編號：3112090