【摘要】：以氣泡為分散相的氣液多介質(zhì)流體流動(dòng)廣泛存在于能源、石油、動(dòng)力、化工等實(shí)際工程領(lǐng)域。施加外部電場(chǎng)作用提供了一種非接觸式主動(dòng)控制氣泡動(dòng)力學(xué)行為的有效途徑。然而,在電場(chǎng)作用下氣泡的運(yùn)動(dòng)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(wèn)題,所以研究高效率的計(jì)算方法來(lái)求解電場(chǎng)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(duì)象,將不可壓縮流體的連續(xù)性方程、Navier-Stokes方程、電場(chǎng)方程等控制方程耦合建立了一個(gè)研究粘性流體中氣泡的動(dòng)力學(xué)模型,并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究了耦合電場(chǎng)的兩相流行為特征,分析電場(chǎng)作用對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的影響。論文的主要研究?jī)?nèi)容和研究結(jié)論如下:1.采用水平集(Level-set)和相場(chǎng)法(Phase-field)來(lái)跟蹤記錄氣泡上升過(guò)程中可能出現(xiàn)的形變、破裂等變化,通過(guò)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(shí)為了計(jì)算的精確度對(duì)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(lái)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(chǎng)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(chǎng)計(jì)算方法的計(jì)算效率最大提升了5倍,在垂直電場(chǎng)環(huán)境下的計(jì)算效率提升了3倍,而且相場(chǎng)法更容易捕獲氣泡上升過(guò)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(chǎng)計(jì)算方法的有效性。3.通過(guò)兩種計(jì)算方法對(duì)耦合電場(chǎng)下氣泡上升過(guò)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(chǎng)線方向拉伸成橢球形,其長(zhǎng)短軸之比與外加電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。氣泡上升速度受電場(chǎng)作用影響,垂直電場(chǎng)加速氣泡的上升,而水平方向減速。4.利用相場(chǎng)計(jì)算方法模擬了計(jì)算外部均勻豎直電場(chǎng)環(huán)境下一對(duì)共軸氣泡的運(yùn)動(dòng)、融合現(xiàn)象,計(jì)算不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)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(chǎng)加速了流體中雙氣泡的碰撞融合過(guò)程,提高了氣泡的上升速度。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí),融合氣泡后氣泡會(huì)發(fā)生破裂,破裂時(shí)間也隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減少。將相場(chǎng)方法與同條件下LBM(Lattice Boltzmann method)方法的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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(chǎng)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(gè)氣泡的運(yùn)動(dòng)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(wèn)題，通過(guò)與數(shù)值結(jié)果精度并驗(yàn)證了其質(zhì)量守恒。

同時(shí)對(duì)界面處經(jīng)過(guò)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(lái)的，主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法來(lái)求解流體力學(xué)流體流動(dòng)的相關(guān)控制方程，從而來(lái)描述多介質(zhì)流體流動(dòng)等過(guò)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(duì)自由界面的追蹤模擬分別采用水平集方法和相場(chǎng)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，，針對(duì)在外加電場(chǎng)作用下氣泡在黏性流體中的上升的模擬，在對(duì)流體問(wèn)題進(jìn)行求解時(shí)，具體計(jì)算步驟如下所示：1、分析物理問(wèn)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(shí)間的步驟。6、后處理，結(jié)果可視化、動(dòng)畫(huà)、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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O359

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2593989