静水中气泡上升运动特性的数值模拟研究
气泡在液体中运动过程的数值模拟
气泡在液体中运动过程的数值模拟气泡在液体中运动是一种常见的现象，它不仅具有一定的科学研究价值，同时也在工业生产和生物领域中有着广泛的应用。
为了更好地理解和预测气泡在液体中的运动行为，科学家们采用数值模拟的方法进行研究。
气泡在液体中的运动过程可以用流体力学的理论进行描述，其中液体可以被视为连续介质，而气泡则被视为一个个微小的物体。
在数值模拟中，液体的运动可以由Navier-Stokes方程组来描述，而气泡则可以通过对气泡表面上的力进行建模来考虑。
一般来说，气泡在液体中的运动受到多种因素的影响，其中最主要的是浮力、表面张力和惯性力。
浮力是由于气泡的体积较小而在液体中受到的向上的力，它与液体的密度差和气泡的体积有关。
表面张力是由于液体分子之间的相互作用而产生的，它使气泡表面上的液体分子形成一个薄膜，从而使气泡具有更高的能量。
而惯性力则是由于气泡在液体中的运动速度较快而产生的，它与气泡的质量和运动速度有关。
在数值模拟中，一般采用计算流体力学（CFD）方法来模拟气泡在液体中的运动。
CFD方法可以将流体力学方程离散化为有限体积或有限元的形式，并通过迭代求解来得到数值解。
在气泡模拟中，需要考虑气泡的形状、运动速度和周围液体的流动情况等因素，同时还需要考虑气泡与液体之间的相互作用。
在模拟气泡在液体中的运动时，需要确定气泡的初始位置、初始速度和初始形状等参数。
这些参数可以通过实验测量或者根据实际情况进行估计。
在模拟过程中，需要考虑气泡与液体之间的相互作用，通常采用两相流模型来描述气泡和液体之间的相互作用力。
同时，还需要考虑气泡表面上的力，包括浮力、表面张力和惯性力等，以及气泡内部的压力变化等因素。
通过数值模拟，可以得到气泡在液体中的运动轨迹、速度和形状等信息。
这些信息可以用来分析气泡在液体中的运动规律，进而预测气泡在不同条件下的运动行为。
例如，在工业生产中，气泡在液体中的运动对于液体混合、传质和传热等过程有着重要的影响，通过数值模拟可以优化液体的流动方式和设备结构，从而提高生产效率。
气泡流体力学特性的数值模拟研究
气泡流体力学特性的数值模拟研究气泡流体力学是一种研究气泡在流体中运动和相互作用的学科。
气泡可以在自由液面、气泡分散液体中和液面下运动。
气泡流体力学的研究不仅可以解释气泡在流体中的行为，并且可以为水下推进器、气泡塔和气泡浮力等应用提供理论、技术支持。
气泡流体力学的理论研究需要依赖于实验和计算。
实验虽然可以直观地观察气泡在液体中的运动，但由于实验的限制，往往无法得到全面、准确的数据。
而计算则可以方便地获取气泡在流体中的各种特性，提高研究的准确性和可靠性。
数值模拟是气泡流体力学中的一个重要方法。
数值模拟可以通过计算机对气泡运动的各种特性进行模拟，如气泡尺寸、速度、形态、破裂和聚合等，从而使气泡流体力学的理论研究更加深入和完整。
数值模拟气泡流体力学主要依赖于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）技术。
CFD技术是一种将流体力学理论、数值计算方法和计算机技术结合起来的一种技术，主要用于对流动的数值模拟分析和计算。
CFD 技术的应用使得气泡流体力学的数值模拟成为可能。
气泡流体力学的数值模拟主要分为欧拉法和拉格朗日法。
欧拉法是一种基于控制体积的流体力学数值模拟方法，将物体分为以一定点为中心的一个体积，通过对这个体积的运动状态进行计算，来推求物体在宏观上的运动和力学特性。
欧拉法在气泡流体力学中应该用于大气泡的计算模拟。
拉格朗日法是一种基于对粒子移动轨迹的运动方程建模的数值模拟方法，这种方法的优点是可以准确地追踪气泡的运动轨迹，可以用于小气泡的模拟计算和气泡间作用。
此外，拉格朗日法还可以将气泡的形态变化考虑进去，使得模拟结果更加准确。
数值模拟气泡流体力学方法的应用范围很广。
例如，在水下推进器中，气泡的运动和破裂对推进器的性能有很大的影响。
通过数值模拟气泡流体力学，研究人员可以预测气泡的行为，为推进器的设计和优化提供指导。
同样地，数值模拟气泡流体力学在气泡塔中、气泡浮力中也有广泛的应用。
《2024年气泡动力学特性的三维数值模拟研究》范文
《气泡动力学特性的三维数值模拟研究》篇一摘要气泡动力学特性作为流体力学中的重要组成部分，涉及流体动力学、相变及物质传递等多方面的基本理论。
本研究旨在运用三维数值模拟技术，对气泡动力学特性进行深入探讨，以期为相关领域提供理论依据和指导。
本文首先介绍了研究背景与意义，然后详细描述了研究方法、模型建立、模拟过程及结果分析，最后总结了研究的主要发现和未来展望。
一、引言气泡动力学特性在许多工程领域具有广泛的应用，如化工、生物医学、环境科学等。
近年来，随着计算技术的发展，三维数值模拟成为研究气泡动力学特性的重要手段。
本研究通过对气泡在流体中的运动过程进行三维数值模拟，探讨其动力学特性的影响因素和变化规律。
二、研究方法与模型建立本研究采用三维数值模拟技术，通过建立流体动力学模型，对气泡在流体中的运动过程进行模拟。
模型中考虑了气泡的形状、大小、密度、表面张力等关键因素，以及流体的速度、温度、压力等参数。
此外，还采用了高精度的数值计算方法，以确保模拟结果的准确性。
三、模拟过程及结果分析1. 模拟过程在模拟过程中，首先设定初始条件，包括气泡的形状、大小、位置及流体参数等。
然后运用计算流体动力学（CFD）软件进行三维数值模拟，观察气泡在流体中的运动过程。
通过调整参数，探讨不同条件下气泡的动力学特性。
2. 结果分析根据模拟结果，我们可以得到气泡在流体中的运动轨迹、速度变化、形状变化等信息。
通过对这些数据的分析，我们可以得出以下结论：（1）气泡形状对动力学特性的影响：不同形状的气泡在流体中具有不同的运动轨迹和速度变化。
一般来说，球形气泡在流体中的运动较为稳定，而椭圆形或不规则形状的气泡则容易发生变形和旋转。
（2）流体参数对气泡动力学特性的影响：流体的速度、温度和压力等参数对气泡的运动特性具有显著影响。
当流体速度增大时，气泡的运动速度也会相应增大；当温度和压力发生变化时，气泡的体积和形状也会发生相应的变化。
（3）表面张力对气泡动力学特性的影响：表面张力是影响气泡稳定性的关键因素。
气泡动力学特性的三维数值模拟研究
气泡动力学特性的三维数值模拟研究引言：气泡动力学特性的研究在科学与工程领域具有重要意义。
气泡的运动和变形对于多个领域的过程有着显著的影响，比如在能源工程、环境工程和生物医学等方面。
本文通过三维数值模拟研究，探索气泡在不同流场条件下的运动和形态变化，深入分析气泡动力学的特性。
一、数值模拟方法的选择在研究气泡动力学特性时，数值模拟方法是一种有效且灵活的手段。
本文选择了三维数值模拟方法，通过数值求解流体力学方程和热传导方程，确定气泡的运动和形态变化。
二、气泡的动力学模型气泡的运动受到力学和热传导的耦合作用。
本文建立了一个综合考虑了浮力、阻力、表面张力等力的气泡动力学模型。
同时，在研究中还考虑了温度对气泡的影响，建立了热传导模型。
三、气泡在静态流场中的数值模拟结果本文首先对气泡在静态流场中的运动进行数值模拟。
在模拟中，我们固定了气泡的初始位置和形态，然后通过数值方法求解流体力学方程，确定气泡的运动轨迹。
结果表明，在静态流场中，气泡的运动轨迹受到浮力和阻力的影响，随着时间的推移，气泡会逐渐趋向于平衡状态。
四、气泡在动态流场中的数值模拟结果本文进一步研究了气泡在动态流场中的运动和形态变化。
在模拟中，我们改变了流场的速度和方向，通过数值方法求解流体力学方程，得到了气泡在不同流场条件下的运动轨迹和形态。
结果表明，在动态流场中，气泡的运动更加复杂，流体的速度和压力分布对气泡的形态和运动轨迹产生了显著影响。
五、对气泡动力学特性的讨论和分析通过对数值模拟结果的分析和讨论，我们深入研究了气泡动力学的特性。
不同流场条件下气泡的运动和形态变化呈现出多种多样的特点，这为气泡在工程中的应用提供了理论依据和参考。
结论：本文通过三维数值模拟研究，对气泡动力学特性进行了深入分析。
研究结果表明，气泡的运动和形态变化受到多种因素的影响，在不同流场条件下呈现出不同的特点。
这些研究成果对于提高气泡在工程应用中的效率和精度具有重要意义。
同时，本文的研究方法和模型也为类似问题的研究提供了参考。
静水中气泡上升规律的研究和实验
Ｓ ｕ ｙ ａ ｄ Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔｏ ｈ ｗ ｆＢｕ ｂ ｅ Ｒｉ ｉ ｇ ｉ ｔ ｌ ａ ｅ ｔ ｄ ｎ ｐ ｒｍ ｎ ｎ ｔ ｅ Ｌａ ｏ ｂ ｌ ｓｎ ｎ Ｓ ｉ ｔ ｒ ｌＷ
ＬＩＡｏ ｉ ｎ Ｗ ＥＩ Ｈｅ －ｄ ａ ｎｇ
Ａｂ ｔ ａ ｔＩ ｆｕ ｎ ｅ ｏ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｔ ｅ ｂ ｂ ｌｓ ｗｉ ｉ ｅ ｅ ｔｄ ａ ｔ ｒ ｖ ｎ ｎ ｔ ｅ ｗａｅ ｔ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ｓｒ ｃ ： ｌ ｅ ｃ ｆｔ ｎ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｏ ｈ ｕ ｂ ｅ ｔ ｄ ｆ ｒ ｎ ｉｍｅｅ ｓｍｏ ｉ ｇ ｉ ｈ ｔ ｒ ｉ ｓ ｉｄ ｉ ｈ ｓ ｈ ｆ Ｓ ｕ ｐ ｐ ｒ ｉ ａ ｅ ｏ ｉ ｆ ｔ ｅ ｒｓｎ ｕ ｂ ｅ ｉ ｉ ｅ ｅ ｔｆ ｗ ｓａｅ ｎ ｉ ｅ ｅ ｔ ｓ ａ ｅ ｔ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｉ ａ ｅ ．Ｆ ｎ ｌｖ ｌｃ ｔ ｏ ｈ ｉ ｇ ｂ ｂ ｌ ｓ ｗ ｔ ｄ ｆ ｒ ｎ ｏ ｔｔ ｓ ａ ｄ ｄ ｆ ｒ ｎ ｈ ｐ ｓ ａ ｉ ｅ ｅ ｔ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｓ ｙ ｉ ｈ ｆ ｌ ｆ ｆ ｃ ｌ ｕ ａ ｅ ．Ａｎ ｈ ｅ ｓｂ ｌ ｙ ｏ ｈ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｔ ｈ ａ ｓ ｇ ｂ ｂ ｌ ｓ ｉ ａ ａｙ ｅ ｏ ． ｍｂ ｎ ｄ ｗｉ ｈ ｘ ｅ ｉ ａｃ ｌ ｔｄ ｄ ｔ ｅ ｓ ｎ ｉ ｉ ｔ ｆｔ ｅ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｔ ｅ ｒ ｉｉ ｕ ｂ ｅ Ｓ ｎ ｌ ｚ ｄ ｔ ｏ Ｃｏ ｉ ｅ ｔ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ— ｉ ｎ ｈ ｍｅ ｔ ｈ ｈ ｏ ｅ ｉａ ａ ｕ Ｓ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ ｈ ｘ ｅ ｍｅ ｔ ｖ ｌ ｅ ｈ ａ ｆ ｂ ｂ ｌ ｓ ｍｏ ｉ ｇ ｉ ｈ ｔ ｌｗ ｔｒ ｉ ｎ ．ｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ｔ ｌｖ ｌ ｅ ｉ ｏ ａ ｅ ｔ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ａｕ ．Ｔ ｅ ｌ ｗ ｏ ｕ ｂ ｅ ｖ ｎ ｎ ｔ ｅ ｓｉ ａ ｅ Ｓ ｃ ｈ ｉ ｌ ｐ ｏ ｅ ． ｈ ｕ ｂ ｅ ｇ ｎ ｒ ｔ ｒｄ ｖｃ ｓ ｄ ｔ ａ ｕ ｅ ｆ ｗ ｖ ｌ ｃ ｔ ｎ ｓｓ ｉ ｂ ｅ ａｒ ｏ ａ ｄ ｎ ｅ ｌ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｒ ｖ ｄ Ｔ ｅ ｂ ｂ ｌ ｅ ｅ ａ ｏ ｅ ｉｅ ｕ ｅ ｏ ｍｅ ｓ ｒ ｏ ｅ ｏ ｉ ａ ｄ ｉ ｕ ｔ ｌ ｉ ｗ ｎ ｅ ｄ ｅ ａ ｅ ｉ ｔ ｕ ｅ ． ｌ ｙ ｔ ａ ｌ ｆ ｏ ｋ ｙ ｗｏ ｄ ：ｂ ｂ ｌ ｆｎ ｅｏ ｉ ｆ ａ ｔ ｏ ｓ ｎ ｉ ｉ ｔ ｆ ｈ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｗ ｍｅ ｓ ｒｎ ｅ ｒ ｓ ｕ ｂ ｅ ｉ ａ ｖ ｌ ｃｔ ｌ ｔ ｌ ｙ ｏ ｍｅｈ ｄ ｅ ｓｂ ｌ ｙ ｏ ｅ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｌ ａ ｕ ｇ ｉ ｔ ｏ ｉ
《2024年气泡动力学特性的三维数值模拟研究》范文
《气泡动力学特性的三维数值模拟研究》篇一一、引言随着计算机科技与计算流体力学的持续发展，气泡动力学特性的研究已经成为了众多领域中不可或缺的一部分。
本文将通过三维数值模拟的方法，对气泡动力学特性进行深入研究。
通过模拟气泡在流体中的运动、变形以及与其他物体的相互作用，我们能够更准确地理解气泡的动态行为，为实际工程应用提供理论支持。
二、研究背景与意义气泡动力学特性的研究涉及流体力学、物理化学等多个领域，具有广泛的应用价值。
在工业生产中，如化学反应器、水力发电站、污水处理等过程中，气泡的行为特性对过程效率和产品质量具有重要影响。
此外，在生物医学、海洋科学等领域，气泡的动力学特性也对理解生命过程和自然现象具有重要作用。
然而，由于气泡行为的复杂性，实验研究往往受到诸多限制。
因此，采用数值模拟的方法进行气泡动力学特性的研究具有重要意义。
通过数值模拟，我们可以更加方便地获取气泡的运动轨迹、变形程度以及与其他物体的相互作用力等信息，从而更全面地理解气泡的动力学特性。
三、三维数值模拟方法本部分将介绍我们采用的三维数值模拟方法。
首先，我们建立了气泡和周围流体的三维模型，并采用了合适的网格划分方法。
其次，我们选择了合适的流体模型和湍流模型来描述气泡的运动和变形过程。
最后，我们利用计算机进行数值求解，得到了气泡的运动轨迹和动力学特性。
四、模拟结果与分析通过三维数值模拟，我们得到了丰富的气泡动力学特性数据。
首先，我们发现气泡在流体中的运动轨迹受到多种因素的影响，如流体的速度、粘度、表面张力等。
此外，气泡的变形程度也与其所处环境密切相关。
我们进一步分析了这些因素对气泡动力学特性的影响规律。
另外，我们还研究了气泡与其他物体的相互作用。
我们发现，当气泡与其他物体接触时，会产一定的相互作用力。
这种相互作用力的大小和方向受到多种因素的影响，如物体形状、大小、表面性质等。
我们还通过模拟不同情况下的气泡运动过程，得到了气泡与其他物体相互作用的动态过程。
不同直径气泡在静水中运动特性的研究
583
1 引言
2 数学模型
水体中存在的气泡，在许多应用领域都扮演着
重要的角色，如在冶金工业、化工工业、生物反应
器、水下爆破、水力机械、泄洪建筑物和水环境等
各领域。由于气泡在运动过程中，其发生形变、运
动轨迹以及与壁面等相互作用的复杂性，近些年
来，国内外许多学者从不同研究角度出发，都对气 泡问题进行了研究。徐炯等[1]借助高速摄像技术对
实验气源为压缩空气，其经稳压装置后通过控 制阀门开度调节进气流量以产生单个气泡。摄像机 视窗口范围为 4.5 cm×3.6 cm，对应的像素值为 1280 pixels×1024 pixels，拍摄分辨率为 28.2 pixels/mm， 拍摄速度为 2000 fps，采用背投光进行补光。
图 2 实验装置示意图 Fig.2. Schematic diagram of experimental equipment
XU Ling-jun1, CHEN Gang1, SHAO Jian-bin1, XUE Yang2
(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China;
体上的气相空间为大气压强，计算中方程的对流项
采用混合差分格式，对时间积分采用迎风差分格 式。时间步长分别试用了 1×10-3s、1×10-4 s 和 1× 10-5 s 三种步长，通过计算对比发现，采用 1×10-3 s 时间步长太大，计算不易收敛，而采用 1×10-5 s 时 间步长太小，计算量过大，因此决定采用 1×10-4 s 时间步长进行计算，这样既能获得收敛的计算结
《2024年气泡动力学特性的三维数值模拟研究》范文
《气泡动力学特性的三维数值模拟研究》篇一一、引言气泡动力学特性在多个领域中有着广泛的应用，包括化学工程、海洋科学、环境科学等。
对于理解其内部动力学行为及影响因素，我们迫切需要进行三维数值模拟研究。
本篇论文的目标即对气泡动力学的三维数值模拟进行研究，深入探索其内在机制及影响因素。
二、背景及目的近年来，随着计算机技术的发展，气泡动力学的三维数值模拟成为研究该领域的一种重要手段。
通过三维数值模拟，我们可以更直观地了解气泡的生成、发展、变化及消亡过程，从而为实际工程应用提供理论支持。
本研究的目的是通过建立精确的三维模型，分析气泡的动态特性，并探讨各种因素对气泡行为的影响。
三、研究方法本研究采用三维流体动力学模型进行数值模拟。
首先，我们建立了气泡的三维模型，并利用计算流体动力学（CFD）软件进行模拟。
在模拟过程中，我们考虑了流体的粘性、表面张力、重力等因素对气泡的影响。
此外，我们还采用了高精度网格技术以提高模拟的准确性。
四、模拟结果与分析1. 气泡的生成与变化在模拟中，我们发现气泡的生成与周围流体的性质密切相关。
当流体中的压力达到一定值时，气泡开始生成。
其形状在初生时多为圆形或近似球形，随后会受到流体动力和其他外部力的影响而发生变化。
随着气体的释放和扩散，气泡的形状变得更为复杂，出现扭曲、形变等现象。
2. 气泡的动力学特性通过模拟，我们观察到气泡在流体中的运动受到多种力的作用，包括流体动力、表面张力、重力等。
这些力共同决定了气泡的运动轨迹和速度。
此外，我们还发现气泡的大小和形状对其动力学特性有显著影响。
大而扁平的气泡在流体中更容易受到阻碍，而小而圆的气泡则更为活跃和快速地运动。
3. 影响因素的探讨我们对流体的粘性、表面张力以及气体的释放速率等因素进行了模拟研究。
结果显示，流体的粘性对气泡的大小和运动速度有显著影响，粘性越大的流体产生的气泡越小且运动速度较慢；表面张力则决定了气泡的形状和稳定性；气体的释放速率则决定了气泡生成的频率和数量。
气泡上升规律的研究与应用
０３ ．１ ０４ ．０ ０６ ．１ ０７ ．８ ０９ ．３ １１ ．３
对照 ｌ １叶６ 可得 ： ＝ｇ １
ａ ＝２． ２， １ ｂ＝Ｏ．６ ７
所 以气 泡上 升 的幂 函数形 式 为 ：
ｔ ．２ 。 ＝２ １ ｈ ・
水 深 大 于 Ｏ２ 时 ， 系 曲 线 为 直 线 ， 就 是 说 ．０ｍ 关 也
一
水 位 位 移
图 １ 气 泡 运 动 轨 迹
个 关键 问题 ，影 响气 泡 运行 时 间 的主 要 因素 有
１ 测 流 原 理
当气 泡从 河 底 产 生 ，受 浮 力 作 用 向上 运 动 过 程 中同 时 受 到水 流 流 动 的 作 用 ，气 泡 产 生 了二 维 运动 ， 即水 平 与垂 直 两 个方 向 的分 运 动 。由于 气 泡
以水深 ｈ为横坐标 ， 时间 ｔ 为纵坐标点绘 ｈ ｔ ￣
关 系 图。由关 系 曲线 可 以发 现 气泡 上 升 的规 律 ： 当
・
位移 ；为气泡运行时间 ） 解决气泡的运行时间是 ｔ 。
４ ・ ７
水文 水资 源 表１试验成果表
水深 ／ ｍ
００ ０ ．６
东北水 利水 电 由计 算 机 拟合 出直 线方 程 为 ：
ｋ ．０ ｃ ０２ ， 以直 线方 程 为 ｔ ． ｈ Ｏ２ 。 ＝１８ ， ＝ ．６ 所 ＝１ ０ ＋ ．６ 在 ８ 实验 水 深 范 围 内 ， 泡 上升 规律 为 ： 气
ｆ ２ ｒ １ ｈ０６ Ｏ＜ｈ≤ ０ ２ ２ ， ７ ．０
．
线 ， 泡 上 升 非 匀 速 ， 过 曲线 拟 合 发 现 ， 泡 上 气 经 气 升 的 规 律 为 幂 函 数 ｔａ 式 ，其 中 ｎ和 ｂ为 常 ＝ｈ 形 数 。将 ｔａ 边取 对 数 得 ｌ ｌ ＋ ｌ ， ｔ＝ ， ＝ｈ 两 ￣＝ｇ ｂｇ 令 ｔｌ ａ ｈ ｌ ，则 ￡二 ＋ 为 直线 形 式 。将 实验 数据 取 ，ｌ ６
基于OpenFOAM的气泡上升特性数值模拟
基于OpenFOAM的气泡上升特性数值模拟蔡杰进;曾庆允;渡边正【期刊名称】《热力发电》【年(卷),期】2013(042)009【摘要】基于开源OpenFOAM架构,对气泡的上升速度和形状进行模拟,模拟结果均与试验数据吻合,表明了计算模型能够准确模拟气泡的运动特征.利用经过验证的模型对不同初始直径气泡的上升速度、压力和气泡纵横比随时间的变化规律以及不同Bo数和Mo数对气泡形状的影响进行系统分析和研究发现:气泡上升过程有一定的加速时间,且速度最终趋于某稳定值,但会有很微小幅度的摆动,初始直径越大的气泡最终上升速度越大；气泡内部压力很快达到一个最大值后,随着气泡上升时间的增长而变小,同时刻下直径较大的气泡,其压力也较大；小气泡的变形较小,且当气泡直径大于某值时,最终的纵横比趋于一定；Bo数为O(0)量级以下或Mo数很大(O(8))时气泡为球形几乎不变形,增大Bo数或减小Mo数气泡逐渐产生形变.【总页数】4页(P24-27)【作者】蔡杰进;曾庆允;渡边正【作者单位】中山大学中法核工程与技术学院,广东珠海 519082;中山大学物理科学与工程技术学院,广东广州 510275;中山大学物理科学与工程技术学院,广东广州510275;福井大学核工程研究所,日本福井914-0055【正文语种】中文【中图分类】TK284【相关文献】1.单个气泡静水中上升特性的数值模拟 [J], 徐玲君;陈刚;邵建斌;薛阳2.气泡在静水中上升破裂产生射流特性的数值模拟 [J], 程军明;吴伟烽;聂娟;刘展;冯全科3.静水中气泡上升运动特性的数值模拟研究 [J], 鞠花;陈刚;李国栋4.基于界面追踪法的不同初始形状同轴双气泡上升直接数值模拟 [J], 潘雁妮;吴忱韩;张莹5.基于OpenFOAM的液态金属铅铋三维流动换热特性数值模拟研究 [J], 何少鹏;王明军;章静;田文喜;苏光辉;秋穗正因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
静水中气泡上升运动特性的数值模拟研究
１００６－４７１０（２０１１ ）０３－０３４４－０６静水中气泡上升运动特性的数值模拟研究鞠花１陈刚２李国栋２１．西安理工大学理学院，陕西西安 ７１００４８２．西安理工大学水利水电学院，陕西西安 ７１００４８摘要：采用数值模拟和实验研究相结合的方法，对静水中气泡上升运动特性进行了研究。
在考虑和不考虑Ｂａｓｓｅｔ力的情况下对推导出的静水中单个气泡上升运动控制方程进行耦合求解的基础上，对比分析了不同初始半径气泡上升速度模拟值与实测值之间的差异，研究了在考虑Ｂａｓｓｅｔ力的情况下静水中不同初始半径气泡的模拟上升速度与时间的关系以及上升速度和初始半径对气泡半径变化率的影响。
气泡；Ｂａｓｓｅｔ力；上升速度；初始半径；数值模拟Ｏ３５９＋．１ＡＲｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｔｉｏｎ Ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｂｕｂｂｌｅ Ｒｉｓｉｎｇ ｉｎ Ｓｔｉｌｌ ＷａｔｅｒＪＵ ＨｕａＣＨＥＮ ＧａｎｇＬＩ Ｇｕｏｄｏｎｇ２０１１－０３－２８陕西省教育厅科学研究计划基金资助项目（０８ＪＫ４０４）。
鞠花（１９７６－），女，河南郑州人，博士生，研究方向为气液两相流理论与数值模拟。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｈｌｋｘ＠１２６．ｃｏｍ。
陈刚（１９６６－），男，四川绵阳人，教授，博导，研究方向为水力学与流动力学。
Ｅ－ｍａｉｌ： Ｃｈｅｎ＿ｇ＠ ｍａｉｌ． ｘａｕｔ． ｅｄｕ． ｃｎ。
万方数据万方数据万方数据万方数据＠＠［ １ ］ Ｄｕｉｎｅｖｅｌｄ Ｐ Ｃ． Ｔｈｅ ｒｉｓｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅｓ ｉｎ ｐｕｒｅ ｗａｔｅｒ ａｔ ｈｉｇｈ ｒｅｙｎｏｌｄｓ ｎｕｍｂｅｒ ［ Ｊ ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ， １９９５， ２９２： ３２５－３３２．＠＠［ ２ ］ Ｄｅｌｎｏｉｊ Ｅ， Ｋｕｉｐｅｒｓ Ｊ， Ｓｗａａｉｊ Ｗ Ｖ． Ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ： ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｌｕｍｎ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ ｏｎ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ［ Ｊ ］． Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ， １９７７， ５２（２１） ： ３７５９－３７７２．＠＠［３］ Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ Ｂ Ｂ， Ｔｕｔｅｊｉａ Ｇ Ｓ． Ｍｏｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ， ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｇａｓ ｂｕｂｂｌｅ ｉｎ ａ ｖｉｓｃｏｕｓ ｌｉｑｕｉｄ ｕｎｄｅｒ ｇｒａｖｉｔｙ ［ Ｊ ］． Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｆｌｕｉｄｓ Ａ： Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ， １９９３， ５（８） ： １８７９－ １８８２．＠＠［ ４ ］ Ｏｄａｒ Ｆ， Ｈａｍｉｌｔｏｎ Ｗ Ｓ． Ｆｏｒｃｅｓ ｏｎ ａ ｓｐｈｅｒｅ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｖｉｓｃｏｕｓ ｆｌｕｉｄ ［ Ｊ ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ， １９６４， １８ ： ５９１－５９２．＠＠［ ５ ］ Ｍｏｏｒｅ Ｄ Ｗ． Ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｒｉｓｅ ｏｆ ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ ｇａｓ ｂｕｂｂｌｅｓ ｉｎ ａ ｌｉｑｕｉｄ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ， １９６５， ２３：７４９－７６６．＠＠［ ６ ］ Ｙｅｈ Ｈｓｕｃｈｉｅｈ， Ｙａｎｇ Ｗｅｎｊｅｉ． Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅｓ ｍｏｖｉｎｇ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄｓ ｗｉｔｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ［ Ｊ ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， １９６８， ３９（７）： ３１５６－３１６５．＠＠［７］张建生，吕青，孙传东，等．高速摄影技术对水中气泡运 动规律的研究［Ｊ］．光子学报，２０００，２９（１０）：９５２－９５５．Ｚｈａｎｇ Ｊｉａｎｓｈｅｎｇ， Ｌü Ｑｉｎｇ， Ｓｕｎ Ｃｈｕａｎｄｏｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｔｈｅ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ａｉｒ ｂｕｂｂｌｅｓ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｇ万方数据ｒａｐｈｙ ［ Ｊ ］． Ａｃｔａ Ｐｈｏｔｏｎｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ， ２０００， ２９ （ １０ ） ：９５２－９５５．＠＠［８］孙中国，席光，项利峰．基于无网格法的水中气泡上升 运动数值模拟［Ｊ］．工程热物理学报，２００７，２８（５）： ７７２－７７４．Ｓｕｎ Ｚｈｏｎｇｇｕｏ， Ｘｉ Ｇｕａｎｇ， Ｘｉａｎｇ Ｌｉｆｅｎｇ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｒｉｓｉｎｇ ｂｕｂｂｌｅ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｗｉｔｈ ｍｅｓｈ ｆｒｅｅ ｍｅｔｈｏｄ ［ Ｊ ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ， ２００７， ２８ （５） ： ７７２－７７４．＠＠［９］张淑君，吴锤结，王惠．单个三维气泡运动的直接数值 模拟［Ｊ］．河海大学学报：自然科学版，２００５，３３（５）： ５３４－５３７．Ｚｈａｎｇ Ｓｈｕｊｕｎ， Ｗｕ Ｃｈｕｉｊｉｅ， Ｗａｎｇ Ｈｕｉ． Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｉｓｅ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｇａｓ ｂｕｂｂｌｅ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ （Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ），２００５， ３３ （５） ： ５３４－５３７．＠＠［１０］刘胜．水中气泡运动规律的研究［Ｊ］．重庆交通学院 学报，２００７，２６（３）：１３６－１５２．Ｌｉｕ Ｓｈｅｎｇ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｗａｔｅｒ ［ Ｊ ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２００７， ２６（３） ： １３６－１５２．＠＠［１１］程文，周孝德，郭谨珑，等．水中气泡上升速度的实验 研究［Ｊ］．西安理工大学学报，２０００，１６（１）：５７－６０．Ｃｈｅｎｇ Ｗｅｎ， Ｚｈｏｕ Ｘｉａｏｄｅ， Ｇｕｏ Ｊｉｎｇｌｏｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅ ｒｉｓｉｎｇ ｉｎ ｗａｔｅｒ ［ Ｊ ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉ＇ ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０００， １６（ １ ） ：５７－６０．＠＠［１２］石晟玮，王江安，蒋兴舟．水中微气泡上浮过程的力学 影响因子研究［Ｊ］．海军工程大学学报，２００８，２０（３）： ８３－８７．Ｓｈｉ Ｓｈｅｎｇｗｅｉ， Ｗａｎｇ Ｊｉａｎｇａｎ， Ｊｉａｎｇ Ｘｉｎｇｚｈｏｕ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｂｕｂｂｌｅ ｒｉｓｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＩＶ ［ Ｊ ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００８， ２０（３） ： ８３－８７．＠＠［１３］付攀，王路．水中微气泡运动特性的理论研究与仿真 ［Ｊ］．舰船电子工程，２００９，２９（４）：１５５－１５８．Ｆｕ Ｐａｎ， Ｗａｎｇ Ｌｕ． Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｍｉｃｒｏ－ｂｕｂｂｌｅ ｉｎ ｓｔｉｌｌ ｗａｔｅｒ［ Ｊ］． Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００９， ２９（４） ： １５５－１５８．＠＠［１４］田恒斗，金良安，丁兆红，等．液体中气泡上浮与传质 过程的耦合模型［Ｊ］．化工学报，２０１０，６１（１）：１５－２１．Ｔｉａｎ Ｈｅｎｇｄｏｕ， Ｊｉｎ Ｌｉａｎｇａｎ， Ｄｉｎｇ Ｚｈａｏｈｏｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｂｕｂｂｌｅ ｒｉｓｅ ａｎｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， ２０１０， ６１ （ １ ） ： １５－２１．＠＠［１５］朱江江，陈伯义．水面舰船尾流气泡半径变化规律的 研究［Ｊ］．热科学与技术，２００５，４（２）：１４６－１４９．Ｚｈｕ Ｊｉａｎｇｊｉａｎｇ， Ｃｈｅｎ Ｂｏｙｉ． Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｂｕｂｂｌｅ ｒａｄｉｕｓ ｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｈｉｐ ｗａｋｅ ［ Ｊ ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００５， ４（２） ： １４６－１４９．＠＠［１６］徐麦荣，刘成云．水中浮升气泡的半径和速度变化 ［Ｊ］．大学物理，２００８，２７（ １１） ：１４－１７．Ｘｕ Ｍａｉｒｏｎｇ， Ｌｉｕ Ｃｈｅｎｇｙｕｎ． Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｒａｄｉｕｓ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｓｉｎｇ ｂｕｂｂｌｅ ｉｎ ｗａｔｅｒ ［ Ｊ ］． Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００８， ２７（１１）： １４－１７．＠＠［１７］由长福，祁海鹰，徐旭常．Ｂａｓｓｅｔ力研究进展与应用分 析［Ｊ］．应用力学学报，２００２，１９（２）：３１－３３． Ｙｏｕ Ｃｈａｎｇｆｕ， Ｑｉ Ｈａｉｙｉｎｇ， Ｘｕ Ｘｕｃｈａｎｇ． Ｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｂａｓｓｅｔ ｆｏｒｃｅ ［ Ｊ ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐ ｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ， ２００２， １９（２） ： ３１－３３．＠＠［ １８］ Ｃｈｅｎ Ｍ． Ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｆｏｒ ｉｍａｇｅ ［ Ｊ ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｓｏｆｔｗａｒｅ， ２００６， ２３（４） ： ８５－８６． ＠＠［１９］李庆扬．数值分析［Ｍ］．武汉：华中科技大学出版 社，２００４． ＠＠［２０］余德浩．微分方程数值解法［Ｍ］．北京：科学出版 社，２００４． ＠＠［２１］郭烈锦．两相与多相流动力学［Ｍ］．西安：西安交通大 学出版社，２００２． ＠＠［２２］邹存友，常毓文，唐玮，等．三参数非线性方程自动拟 合方法的研究及应用［Ｊ］．石油天然气学报，２００９，３１ （２）：１１１－１１５．Ｚｏｕ Ｃｕｎｙｏｕ， Ｃｈａｎｇ Ｙｕｗｅｎ， Ｔａｎｇ Ｗｅｉ， ｅｔ ａｌ． Ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｉｌ ａｎｄ Ｇａｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． ２００９．３１（２） ： １１１－１１５．万方数据。
《2024年气泡动力学特性的三维数值模拟研究》范文
《气泡动力学特性的三维数值模拟研究》篇一摘要本文通过三维数值模拟技术，对气泡动力学特性进行了深入研究。
通过对气泡生成、运动、上升和破裂等过程进行数学建模和模拟，我们能够更好地理解气泡在不同条件下的行为，从而为工业生产、环境保护、海洋工程等领域的实际问题提供理论依据和解决方案。
一、引言气泡作为流体中的基本组成部分，其动力学特性在许多领域具有重要影响。
从微观的化学反应到宏观的海洋环境，气泡的生成、运动和破裂等行为都直接影响着系统的性能和稳定性。
因此，对气泡动力学特性的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、研究方法本研究采用三维数值模拟技术，通过建立精确的数学模型，对气泡的动力学特性进行深入研究。
首先，我们确定了研究的物理模型和数学方程，包括流体动力学方程、热力学方程等。
然后，利用高性能计算机进行数值计算和模拟。
最后，通过数据分析和可视化技术，将模拟结果直观地展示出来。
三、气泡动力学特性的三维模拟1. 气泡生成与运动：在模拟中，我们研究了气泡从生成到运动的过程。
通过对流体动力学方程的求解，我们能够观察到气泡在流体中的运动轨迹和速度变化。
此外，我们还考虑了不同流体条件对气泡生成和运动的影响。
2. 气泡上升过程：我们模拟了气泡在流体中的上升过程，包括上升速度、形状变化等。
通过改变流体的物理性质（如密度、粘度等），我们研究了这些因素对气泡上升过程的影响。
3. 气泡破裂过程：我们还研究了气泡的破裂过程，包括破裂的原因、方式和影响等。
通过分析气泡破裂过程中的能量变化和流体动力学特性，我们能够更好地理解气泡破裂的机理。
四、结果与讨论通过对模拟结果的分析，我们得到了关于气泡动力学特性的重要结论。
首先，我们发现流体的物理性质对气泡的生成、运动和破裂具有重要影响。
例如，高粘度流体中的气泡上升速度较慢，而低粘度流体中的气泡则更容易破裂。
其次，我们还发现气泡的形状在运动过程中会发生变化，这种变化会影响气泡的稳定性和运动轨迹。
气泡流动的力学规律与数值模拟研究
气泡流动的力学规律与数值模拟研究气泡是指液体中的一团气体，由于密度小于液体，因此在液体中会向上浮起，形成气泡。
气泡在液体中的流动和漂浮，涉及到复杂的流体力学问题。
本文将从力学规律和数值模拟两个方面探讨气泡流动的相关问题。
一、气泡流动的力学规律1. 气泡浮力气泡浮力是指气泡由于其体积小、密度轻而受到上浮的力。
根据阿基米德定律，浮力的大小等于排出液体的重量，即F_b = ρ_vgV，其中ρ_v为气泡体积密度，g为重力加速度，V为气泡体积。
浮力的大小和气泡体积成正比，因此气泡越大，其浮力也越大。
同时，液体中的温度、压力、密度等参数也会对浮力产生影响。
2. 气泡阻力当气泡在液体中运动时，其受到的阻力是气泡运动时的速度、液体的密度、粘度以及气泡形态等因素决定的。
在液体中运动的气泡会向周围液体施加一定大小的阻力，同时也会受到周围液体施加的阻力。
气泡的形态也会对阻力产生影响，一般情况下，气泡直径越小，其形态越接近球形，所受到的阻力也就越小。
3. 气泡拖曳力气泡在向上浮起运动的同时，也会带动周围的液体形成涡旋，从而使周围的液体也产生流动。
液体在气泡运动的过程中，会受到来自气泡的拖曳力，拖曳力的大小也取决于气泡运动时所产生的流场。
对于小气泡来说，其周围的流动主要是由液体的粘性影响，所产生的拖曳力也相对较小；而对于大气泡来说，其周围的流动则主要受到液体的惯性影响，其所产生的拖曳力也相应较大。
二、数值模拟研究针对气泡流动的力学规律，目前研究人员已经开展了大量的数值模拟研究，旨在了解以及优化气泡在液体中的运动和漂浮。
下面将从几个方面介绍数值模拟在气泡流动研究中的应用。
1. 流动模拟流动模拟是指将气泡在液体中运动所产生的物理现象用数学模型描述，并通过计算机进行模拟的过程。
通过流动模拟，可以对气泡在液体中的运动轨迹、速度、压力等参数进行分析研究，以更好地了解流动的特性和动力学规律。
2. 界面模拟界面模拟是指将液体和气泡之间的接触面用数学模型进行描述，并通过计算机进行模拟的过程。
气泡动力学特性的三维数值模拟研究
气泡动力学特性的三维数值模拟研究引言：气泡作为流体力学领域中重要的研究对象，在多个领域具有广阔的应用前景。
通过数值模拟的方法，可以对气泡的动力学特性进行深入研究。
本文利用三维数值模拟方法，对气泡运动的各种特性进行了探究，旨在深入理解气泡的形态演变、运动轨迹以及与周围环境的相互作用。
一、数值模拟方法的选取数值模拟是研究气泡动力学的一种重要手段。
本文采用了计算流体力学（CFD）方法，具体应用了基于有限体积法的 Euler-Lagrange 双尺度模拟方法。
这种方法可以同时考虑气泡和周围流体的相互作用。
在此基础上，通过分析气泡与周围流体的作用力，可以揭示气泡在不同流体环境中的运动规律。
二、气泡形态演变的数值模拟分析通过数值模拟方法，可以研究气泡在不同流场中的形态演变。
在流体流场中，气泡的形态会受到流体力学的影响，发生较大变化。
通过模拟计算，可以得到不同流速下的气泡形态与流体速度分布的关系。
在较大流速下，气泡形态呈现出流线型，而在较小流速下，气泡则呈现出类似球形的形态。
三、气泡运动轨迹的数值模拟分析气泡在流场中的运动轨迹是气泡动力学研究的重要内容之一。
通过数值模拟，可以研究气泡在不同流速下的运动轨迹。
研究发现，气泡在流速较快的情况下，轨迹呈现出较大的弯曲程度。
而在流速较慢的情况下，气泡的轨迹则相对较直。
此外，研究还发现，气泡的运动轨迹与气泡的初速度、大小和形态密切相关。
四、气泡与周围流体的相互作用分析气泡与周围流体的相互作用是气泡动力学研究的核心内容之一。
数值模拟方法可以很好地模拟这种相互作用关系。
通过分析气泡与周围流体的作用力，可以了解气泡在流场中的运动受到的阻力的大小与方向。
研究发现，气泡运动过程中，流体的黏性力、压力梯度力以及重力力对气泡的运动产生重要影响。
此外，气泡表面的液膜流动也是气泡与周围流体相互作用的重要因素。
结论：通过三维数值模拟方法研究气泡的动力学特性，可以深入理解气泡形态演变、运动轨迹以及与周围环境的相互作用关系。
气泡在水中上升运动的数值模拟
气泡在水中上升运动的数值模拟朱仁庆;李晏丞;倪永燕;侯玲【摘要】基于流体体积函数(VOF)模型,借助Fluent软件,数值模拟了气泡在水中上升运动.考虑不同初始位置以及气泡大小对气泡在水中运动的影响,监测气泡在不同时刻的变形,分析了速度随时间的变化,并考察了气泡在不同密度比和粘度比的酒精流场和乙醚流场中运动.结果表明:直径大的气泡在上升过程中速度变化较大,上下表面速度差较大,大气泡较不稳定.气泡运动中,底部射流区域的速度先达到最大,然后降低,降低到一定程度会反弹.外部流体与气泡粘度比、密度比、表面张力系数对气泡运动有较大影响.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(024)005【总页数】7页(P417-422,451)【关键词】气泡;数值模拟;上升速度;流体体积函数法【作者】朱仁庆;李晏丞;倪永燕;侯玲【作者单位】江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003;江苏科技大学,船舶与海洋工程学院,江苏,镇江,212003【正文语种】中文【中图分类】U661.1水中浮泡运动常见于船舶与海洋工程实际中,如:螺旋桨空化,水下爆炸引起的气泡,波浪破碎发生卷吸而引起的空泡等.气泡在流体中运动是强非线性的,运动时界面变形较大,因此气泡运动数值模拟越来越受国内外学者的关注,而气泡运动界面追踪是研究重点.目前已发展多种界面追踪技术并应用于气泡运动数值模拟,并且取得了一定的成果.界面模拟方法有:边界积分法[1-5]，VOF法[6-8]，Level Set法[9-10]，Lattice-Boltzmann法[11]，Front Tracking法[12-13].文献[14] 采用了Front Tracking法对粘性流体中气泡进行数值模拟,并分析了气泡上升运动速度随时间的变化规律.文献[15]采用边界积分法分析了二维气泡在无粘流体中上升运动.文献[16] 采用Lattice Boltzmann法对单个气泡运动,以及2个气泡和3个气泡运动进行了数值模拟,获得气泡运动的速度等值线图和速度随时间变化曲线图,取得一定的成果. 本文基于VOF技术中的PLIC界面重构方法,采用速度和压力耦合方法求解运动方程,对单个气泡在水中的运动进行了数值模拟,追踪了液界面变化,同时分析了不同气泡直径和气泡的初始高度对气泡上升时运动速度的影响.综合考虑了气泡在不同外流场中运动,分析了由密度比、粘性比及表面张力系数对气泡上升运动的影响.1 数值模型1.1 控制方程1) 考虑表面张力的动量方程(1)式中，v为速度矢量;ρ为流体密度;μ为粘性系数;p为压强;F为表面张力源项.2) 不可压缩流体连续性方程(2)3) 采用VOF法追踪界面的相函数输运方程(3)式中，aq为第q项体积分数.对于两相流方程(1)中ρ和μ由体积分数决定ρ=ρ1aq+(1-aq)ρ2(4)μ=μ1aq+(1-aq)μ2(5)式中，ρ1,ρ2，μ1,μ2分别为2种不同流体的密度和粘度.1.2 表面张力计算本文所用的表面张力模型是由文献[17]提出的连续表面力模型.采用CSF模型计算表面张力时,首先要计算界面的曲率和界面法向.定义aq为第q相体积分数,借助于体积分数分布,可得界面法向矢量n(6)表面曲率其中单位法向矢量(7)若一个单元只有两相,故(8)2 几何模型与计算条件为了消除固壁对气泡运动产生的影响[14],本文选取计算区域大于10D(D为直径),为0.1m×0.2m,通过Gambit软件划分网格,网格间距为5×10-4m,计算边界均为无滑移边界条件，计算几何模型见图1.气泡初始时刻在水中保持静止,初始压强和速度均为0,其形状为圆形(二维).气泡密度为 1.22kg/m3；粘度系数为1.789×10-5N·s/m2.水的密度为9.982×102kg/m3;粘度系数为1×10-3N·s/m2；表面张力系数为0.0728N·s/m2.图1 计算几何模型Fig.1 Computational geometry model描述气泡特性常用的无量纲参数主要有Morton数、Reynolds数、Weber数、密度比ρf/ρb和粘度比μf/μb,下标f和b分别代表外部流场和气泡.本文考虑的气泡运动场为低雷诺数的流场,其密度比为814.5，粘度比为55.9.3 结果分析与讨论3.1 单个气泡动力学特性本文模拟了直径D=10mm气泡在水中上升运动,观察气泡在运动过程中的变形.并对气泡的运动速度和压强变化进行监测.在表面张力作用下,保持了气泡内部压强和外部流体压强的平衡,保证了气泡稳定.同时由于表面张力作用在气泡表面,气泡的内部压强要大于外部流场压强.初始时刻气泡上下表面存在一个压力差,其下表面所受的压力梯度较大，在上下表面的压力差作用下气泡向上运动.在压力差与气泡表面发展出的涡片共同诱导出一个从下方推向气泡的射流.初期的射流并不能穿透气泡上表面,只是促使气泡底部向上凹陷.射流不断向气泡顶部发展,当射流长度达到一定程度,仍不能穿透气泡表面,射流开始向气泡横向发展,并形成马蹄状气泡[18].单个气泡在静止流场上升过程中,气泡的外形变化如图3～7所示,数值模拟结果与文献[19]实验结果一致(图2).图2 水中气泡上升运动(实验结果)Fig.2 The rising of bubble in the water (experimental results)气泡在水中运动,上表面的速度随时间逐渐增大,增大到一定程度后速度保持微小增幅,继续上升,直至与自由表面接触发生破碎(图3).气泡在t=0.01s时刻的速度等值线图,气泡仍保持圆形,此时气泡在界面附近处的速度U，V(单位：m/s)最大(图4).经过0.05s,气泡射流作用下下表面发生凹陷,形成月牙状(图4a)).气泡在底部y方向的速度V较大,在气泡凹陷形成的一对脚处,水平速度U比较大.在t=0.1s时(图5),底部射流发展为横向,抹平了气泡对脚,形成扁平帽子形状.此时气泡的各方向速度已经平稳.当气泡上升到自由表面处,由于考虑了表面张力作用,气泡顶部被自由表面的表面张力束缚,导致气泡上升受阻,气泡在浮力作用下继续上升,速度变小,在压力和自由表面张力共同作用下,气泡在水平方向发生拉伸，直至在t=0.26s时,气泡突破自由表面的束缚,发生破碎.而气泡下表面仍保持惯性继续上升,同时由于气泡破碎产生较大的压强梯度,导致自由表面上升(图6～7).图3 t=0.01s时相函数分布和U，V速度等值线Fig.3 Phase function distribution and contour of U and V velocity at t=0.01s图4 t=0.05s时相函数分布和U，V速度等值线Fig.4 Phase function distribution and contour of U and V velocity at t=0.05s图5 t=0.1s时相函数分布和U，V速度等值线Fig.5 Phase function distribution and contour of U and V velocity at t=0.1s图6 t=0.25s时相函数分布和U，V速度等值线Fig.6 Phase function distribution and contour of U and V velocity at t=0.25s图7 t=0.26s时相函数分布和U，V速度等值线Fig.7 Phase function distribution and contour of U and V velocity at t=0.26s3.2 气泡大小和初始位置对气泡运动的影响本文就直径为6，8mm气泡分别在相同的初始位置(指距自由水面高度,初始自由水面高为0.8m),考虑气泡上升运动过程中的速度随时间变化，针对气泡上下表面的速度进行分析.直径较大的气泡在水中运动时较难保持形状稳定,变形较大,而且上升速度和小气泡上升速度相比较大.直径小的气泡在水中容易保持其稳定形态,其发生变形时间比大气泡晚些.气泡与自由表面接触时,直径较大的气泡产生射流较强,导致自由液面抬升要高于小气泡.图8为气泡直径为6mm,在不同初始位置气泡运动速度随时间的变化曲线.图8a)，b)初始位置分别为0.03，0.05m.初始时刻气泡底部在射流作用下速度(Vbot)在很短时刻内达到一个峰值,在运动过程中气泡下表面速度逐渐减小,此时上表面速度逐渐增加.在t=0.05s时,上下表面速度近似相平衡,此时气泡上下表面速度保持动态平衡,射流发展为气泡横向,此时气泡的形状近似稳定.图8 D=6mm气泡在不同初始位置时的速度变化曲线Fig.8 Bubble velocity versus time when initial position is 0.03 and 0.05m(D=6mm)气泡顶部的速度(Vtop)在初始时刻也有较大的增幅,在t=0.05s以后增幅减小,上下表面速度近似相等.保持一定的振幅，气泡接近自由表面时,由于自由表面在表面张力的作用下对气泡上升运动起到阻碍作用,在t=0.26s之后气泡上下表面速度都发生降低,直至气泡破裂.在气泡破裂时,上表面速度在压力梯度作用下突然增大,随后速度降低(图8b)).图9为直径8mm,初始位置分别为0.03，0.05m时气泡速度随时间变化曲线.在初始时刻，直径较大的气泡底部产生射流速度要比直径小的气泡大,而且气泡上下表面的速度随时间变化，上下振荡的幅度比直径为6mm气泡振荡幅度要大.气泡下表面产生射流导致气泡下表面速度发生周期性变化,呈衰减趋势(图9a)).由分析可知,不同初始位置对相同初始直径的气泡运动速度影响不是很大.直径大的气泡在初期产生的射流强度要大于小气泡产生的射流强度.小气泡在水中运动比大气泡要稳定.大气泡的上下速度振荡较大,容易产生较大变形,所以大气泡在水中运动易破裂.图9 D=8mm,初始位置为0.03和0.05 m时的速度变化曲线Fig.9 Bubble velocity versus time when initial position is 0.03 and 0.05m (D=8mm)3.3 外流场发生变化时对气泡运动的影响气泡在流体中运动时受到表面张力、粘性力、浮力、重力和压力梯度力等作用.为了考察各个力对气泡运动规律的影响,分别考虑了气泡在外流场为酒精和乙醚时的上升运动规律.水、酒精和乙醚参数见表1.表1 外流场的流体参数Table 1 Parameters of the ambient liquid流体密度/(kg·m-3)粘度/(N·s·m-2)密度比(ρf/ρb)粘度比(μf/μb)表面张力系数/(N·m-1)水998.20.001814.555.90.0728酒精7900.0012644.967.10.023乙醚8040.00395656.3220.80.0165图10为直径8mm气泡在酒精中上升运动时,初始射流导致速度达到一个峰值,随后速度逐渐衰减,从峰值到最小值周期为0.025s.气泡在水中上升时,底部射流导致达到峰值的速度衰减到最小值周期为0.05s.分析可知,密度比减小,气泡速度衰减的周期减小.由图10a)，b)可知,密度比相差不大情况下,气泡在流场中上下表面速度衰减趋势相同,在粘度比较大的乙醚流体中,气泡的上表面达到一定速度后保持恒定速度上升.表面张力系数较小时,气泡初期产生的射流速度较大,同时气泡运动靠近自由液面时,由于表面张力系数作用,对气泡的运动影响减小，速度趋势趋于平缓.4 结论1) 采用VOF法获得了单个气泡在水中运动的时刻历程,追踪气泡运动时界面变化,较清晰反应了气泡界面运动的规律,分析了气泡上升运动对自由液面影响.2) 通过分析单个气泡在自由液面水中上升运动时的速度场,得到气泡运动速度分布图,气泡界面处的底部速度和气泡在射流凹陷处速度最大.图10 D=8mm,初始位置为0.03 m，外流场分别为酒精和乙醚时气泡速度变化曲线Fig.10 Bubble velocity versus time when initial position is 0.03 m,D=8mm, external flow field are alcohol and ether3) 通过比较直径不同和初始高度不同的气泡在水中的运动规律,直径大的气泡运动时较易产生大的变形,初始高度越大的气泡产生的射流速度越大.4) 不同外部流场的粘度比、密度比、表面张力系数对气泡运动有较大影响,密度比对气泡底部射流有影响,密度比越大影响就越明显.粘度比对气泡上升过程保持稳定有影响,粘度系数较大,气泡的运动速度越趋近于一个恒定值.表面张力系数对气泡产生射流速度有影响,表面张力系数越大,对射流影响越大;同时气泡靠近自由液面时,表面张力对气泡上升运动有阻碍作用.参考文献(References)[1] Lorstad D, Francois M, Shyy W, et al. Assessment of volume of fluid and immersed boundary methods for droplet calculations[J]. International Journal for Number, Methods in Fluids, 2004,46(2):109-125.[2] Tryggvason G, Bunner B, Esmaeeli A, et al. A front-tracking method for the computations of multiphase flow[J]. Journal of Computational Physics, 2001,169:708-759.[3] 宗智,何亮,张恩国.水中结构物附近三维爆炸气泡的数值模拟[J].水动力学研究与进展： A辑,2007,22 (5):592-602.Zong Zhi, He Liang, Zhang Enguo. Numerical simulation of a three-dimensional underwater explosion bubble near a structure[J]. Journal of Hydrodynamics:Ser A, 2007, 22 (5) : 592-602. (in Chinese)[4] 张阿漫,姚熊亮.近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究[J].物理学报,2008,57(1):339-352.Zhang Aman, Yao Xiongliang. The law of the underwater explosion bubble motion near free surface[J]. Acta Physica Sinica, 2008,57(1):339-352. (in Chinese)[5] 张阿漫,姚熊亮.单个三维气泡的动力学特性研究[J].应用力学学报,2008,25(1):107-111.Zhang Aman, Yao Xiongliang. Dynamics for single three-dimensional bubble[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2008,25(1):107-111. (in Chinese)[6] Lorstad D. Numerical modeling of deforming bubble transport related to cavitating hydraulic turbines[D].Sweden: Department of Heat and Power Engineering, Lund University, 2003.[7] Puckett E G, Almgren A S, Bell J B, et al. A high-order projection method for tracking fluid interfaces in variable density incompressible flows[J]. Journal of Computional Physics, 1997,130:269-282.[8] 端木玉,朱仁庆.流体体积方程的求解方法[J].江苏科技大学学报：自然科学版，2007,21(2):10-15.Duan Muyu, Zhu Renqing. Method for solving fluid volwm equation[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2007,21(2):10-15. (in Chinese)[9] Osher S, Fedkiw R P. Level set methods: an overview and some recent results[J]. Journal of Computional Physics, 2001,169:463-502.[10] Sussman M, Smereka P, Osher S. A level set approach for computing solutions to incompressible two-phase flow[J]. Journal of Computional Physics, 1994,114:146-159.[11] Watanabe T, Ebihara K. Numerical simulation of coalescence and breakup of rising droplets[J]. Computational Fluids, 2003,32:823-834. [12] 陈斌， Kawamura T, Kodama Y. 静止水中单个上升气泡的直接数值模拟[J].工程热物理学报, 2005,26(6):980-982.Chen Bin, Kawamura T, Kodama Y. Direct numerical simulations of a singlebubble rising in still water[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2005, 26(6)：980-982. (in Chinese)[13] 陈斌.倾斜壁面附近上升气泡的直接数值模拟[J]. 工程热物理学报,2007,28(26)：965-967.Chen Bin. Direct numerical simulation of a single bubble rising along an inclination wall[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007,28(26)：965-967. (in Chinese)[14] Hua Jinsong, Lou Jing. Numerical simulation of bubble rising in viscous liquid [J]. Journal of Computational Physics， 2007,222:765-769. [15] Robinson P B, Boulton-Stone J M, Blake J R. Application of boundary integral method to the interaction of rising two-dimensional, deformable gas bubbles [J]. Journal of Engineering Mathematics, 1995,29:393-412. [16] Gupta A, Kumar R. Lattice Boltzmann simulation to study multiple bubble dynamics[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008,51:5192-5203.[17] Brackbill J U, Kothe D B, Zemach C. A continuum method for modeling surface tension[J]. Journal of Computational Physics, 1992,100:335-354. [18] 张淑君,吴锤结.气泡之间相互作用的数值模拟[J].水动力学研究与进展, 2008,23(6):683-684.Zhang Shujun, Wu Chuijie. Numerical simulation of the interactions between two three-dimensional deformable bubbles[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics, 2008, 23(6 ):683-684. (in Chinese)[19] Walters J K, Davidson J F. The initial motion of a gas bubble formed in an inviscid liquid, Part 1: The two dimensional bubble [J]. Journal of FluidMechanics, 1962,12:408-416.。
《2024年气泡动力学特性的三维数值模拟研究》范文
《气泡动力学特性的三维数值模拟研究》篇一摘要本文旨在通过三维数值模拟的方法，对气泡动力学特性进行深入研究。
通过建立数学模型，运用计算流体动力学（CFD）技术，对气泡在流体中的生成、运动、变形及破裂等过程进行数值模拟。
本文首先介绍研究背景和意义，然后详细阐述数学模型的建立、数值模拟方法及结果分析，最后总结研究成果并展望未来研究方向。
一、引言气泡动力学是流体力学中的一个重要研究领域，涉及气泡在流体中的生成、运动、变形及破裂等过程。
这些过程在许多工程领域中具有广泛应用，如化工过程中的气液传质、海洋工程中的气泡减阻、医学领域的微气泡诊断和治疗等。
因此，对气泡动力学特性的研究具有重要的理论价值和实际应用意义。
二、数学模型的建立为了对气泡动力学特性进行数值模拟，需要建立相应的数学模型。
本文采用计算流体动力学（CFD）技术，通过求解Navier-Stokes方程和连续性方程等基本流体动力学方程，来描述气泡在流体中的运动过程。
同时，考虑到气泡的表面张力、粘性力、浮力等影响因素，建立了包含这些因素的数学模型。
三、数值模拟方法1. 网格划分：为了进行数值模拟，首先需要对计算区域进行网格划分。
根据气泡的运动特性和计算需求，采用合适的网格划分方法，确保计算的准确性和效率。
2. 求解方法：采用高精度数值求解方法，如有限元法或有限差分法等，对建立的数学模型进行求解。
通过迭代计算，得到气泡在流体中的运动轨迹、形状变化及受力情况等。
3. 边界条件与初始条件：根据实际问题，设定合理的边界条件和初始条件。
如设定流体的速度、温度、压力等参数，以及气泡的初始位置、大小、速度等。
四、结果分析1. 气泡生成与运动：通过数值模拟，可以观察到气泡在流体中的生成过程。
随着气体的不断加入，气泡逐渐形成并开始在流体中运动。
其运动轨迹受到流体速度、粘性力、表面张力等因素的影响。
2. 气泡变形与破裂：在流体中运动的气泡会受到各种力的作用，从而发生变形。
静水中气泡上升运动特性的数值模拟研究
关键 词 ：气泡 ； ａｓｔ ； Ｂ ｓｅ 力 上升 速度 ； 始半径 ； 值模拟 初 数 中图分类 号 ： ３ ９ １ ０ ５ ． 文献标志 码 ：Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｓ ａ ｃ ｎ Ｎｕｍｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｆＭ ｏ ｏ ｈａ ｉ ｒ ｒｃ ｌＳ ｍ ｌ ｔｏ ｏ ｉ ｎ Ｂｅ ｖ ｏ ｓ ｌ
ｆｒ ｅ ａ ｄ ｗｉ ｏ ｔｃ ｎ ｉ ｅ ｎ ｔ ｈ ｏ ｐ ｅ ｓ ｌｔｏ ｏ ｔ ｅ ｄ ｒｖ ｄ ｅ ｕ ｔ ｎ ｆｒ ｔ ｅ ｓｎ ｌ ｕ ｂ ｅ ｒｓｎ ｏ ｃ ｎ ｔ ｕ ｏ ｓｄ ｒ ｇ ｉ，ｔ ｅ ｃ ｕ ｌ ｏｕ ｉｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｑ ａ ｉ ｏ ｈ ｉ ｇｅ ｂ ｂ ｌ ｉｇ ｈ ｉ ｉ ｏ ｉ ｍｏｉ ｎ ｃ ｎ ｒｌｉ ｔ ｌｗａｅ Ｓ ｃ ｒ ｅ ｕ ．ｏ ｈ ａ ｉ ｆｗｈ ｃ ｔ ｏ ｔｏ ｎ ｓｉ ｔｒ ｉ ａｒ ｄ ｏ ｔ ｎ ｔ ｅ ｂ ｓｓ ｏ ｉｈ．ａ ｃ ｍｐ ｒ ｔ ｅ ａ ａｙ ｉ Ｓ ｍａ ｅ ｏ ｌ ｏ ｌ ｉ ｏ ａ ａ ｉ ｎ ｓｓ ｉ ｄ ｆｔｌ ｖ ｌ ｅ ｄｆｅ ｅ ｅ ｔ ｅ ｈ ｉ ｌｔ ｄ ｖ ｕ ｓｏ ｓｎ ｅｏ ｉｉｓ ｏ ｕｂ ｌｓ ｗｉｈ ｄｆｅ ｅ ｔｉ ｉｉ ａ ｉ ｓ ｓ ａ ｄ ｉ ｒｎｃ ｓｂｅｗｅ ｎ ｔ ｅ ｓｍｕ ａｅ ａ ｅ ｆｒ ｉｇ ｖ ｌ ｃｔｅ ｆｂ ｂ ｅ ｔ ｉ ｒ ｎ ｎ ｔａ ｒ ｄ ｕ ｅ ｎ ｌ ｉ ｌ
ｌ ｃｔｅ ｆｔｅ ｂｕ ｂ ｅ ｔ ｉ ｅ ｅ ｔｉ ｉｉ ａ ｉ ｓ ｓ ｉ ｔ ｌｗａｅ ｓｗｅｌａ ｈ ｆ ｃ ｆｔ ｅ ｒｓｎ ｅｏ ｉ ｏ ｉｉｓｏ ｂ ｌｓｗｉ ｄ ｆ ｒ ｎ ｎ ｔａ ｒ ｄ ｕ ｅ ｎ ｓｉ ｔ ｒａ ｌ ｓｔ ｅ ｅｆ ｔｏ ｈ ｉ ｇ ｖ ｌｃ ・ ｈ ｈ ｌ ｌ ｅ ｉ ｔｅ ｎｄ ｉ ｉ ａ ａ ｉ ｓ ｕ ｏ ｈｅ ｂｕ ｂ ｅ ｒ ｄｕｓ ｖ ｒａｉ ｎ ｒ ｔ ｓ ｕ ｄ ｒ ｔ ｅ ｃ ｎ ｉｉｎ ｏ ｏ ｓｄ ｒｎ ｓ ｓ ｔ ｉｓ ａ ｎ ｔ ｌ ｒ ｄ ｕ ｐ ｎ ｔ ｂ ｌ ａ ｉ ａ ｔ ａｅ ｎ ｅ ｈ ｏ ｄ ｔ ｆ ｃ ｎ ｉ ｅ ｇ Ｂａ ｅ ｉ ｉ ｏ ｏ ｉ
单个气泡静水中上升特性的数值模拟
单个气泡静水中上升特性的数值模拟徐玲君;陈刚;邵建斌;薛阳【摘要】为了研究静水中气泡运动的水力学特性,验证数值模拟方法对气泡运动模拟的有效性和准确性,采用基于流体体积法(VOF法)的几何重构技术捕捉水气两相界面,通过自编后处理程序提取模拟结果数据,获得气泡运动的速度、上升轨迹、变形等参数.模拟结果与模型试验结果比较表明:二者吻合情况良好,说明VOF法能准确地捕捉到气泡界面的变形情况,是一个强大的捕捉两相交界面的工具.随后分析了气泡的变形机理、运动轨迹与瞬时速度变化规律,旨在为相关气泡运动特性研究提供参考.%fn order to study bubble hydrodynamic characteristics in stilt water and validate the accuracy of the numerical simulation method, the Geometric Reconstruction Method of volume-of-fluid(VOF)was employed to track the interface between gas and liquid, and parameters such as bubble deformation, trajectory and speed were processed by digital image processing technology. Simulation results were compared with the model experimental results and found they agreed well with each other. The work showd that VOF method could accurately capture the deformation of the bubble, VOF method was a powerful tool to capture the two intersect interface. The deformation mechanism, trajectory and instantaneous velocity variation were investigated to provide reference for relevant studies on hydrodynamic characteristics of the bubble.【期刊名称】《沈阳农业大学学报》【年(卷),期】2012(043)003【总页数】5页(P357-361)【关键词】VOF方法;气泡;数值模拟;速度【作者】徐玲君;陈刚;邵建斌;薛阳【作者单位】西安理工大学水利水电学院,西安710048;西安理工大学水利水电学院,西安710048;西安理工大学水利水电学院,西安710048;中国水电顾问集团华东勘测设计研究院,杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TV131.4水中气泡上升过程是一个非常复杂的、非线性的和不稳定的水动力学现象。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
西安理工大学学报 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｘ ｉ ’ ａ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ （ ２ ０ １ １ ）Ｖ ｏ ｌ ． ２ ７Ｎ ｏ ． ３
文章编号： １ ０ ０ ６ ４ ７ １ ０ （ ２ ０ １ １ ） ０ ３ ０ ３ ４ ４ ０ ６
[
]Hale Waihona Puke 当水温均匀恒定时， Ｔ为常量， 式（ ４ ）的右边为 常数。 对式（ ４ ）两边对时间 ｔ 求导并整理得： ｒ ｄ Ｚ ４ σｄ ＝ｒ （ ５ ） ρｇ （ ｐ ＋ρ（ Ｈ－Ｚ ） ）＋ ] [３ ｔ ｄ ｔ ｒｄ
０ Ｌ Ｌ
由于
ｄ Ｚ ＝ｕ ， 故得气泡在静水中上升运动时的半径 ｄ ｔ ｒ ｇ ｕ ρ ｄ ｒ Ｌ ＝ ｄ ｔ [ ４ σ ]＋ ３Ｐ （ Ｈ－Ｚ ） ０ ＋ρ Ｌ ｒ
２ Ｋ ｒ π μ ρ Ｂ Ｌ 槡
上升高度 Ｚ ｔ ， 其中 ｕ Δ ｊ的计算公式为 Ｚ ｊ ＝∑ ｕ ｉ ｉ为
ｉ ＝ １
第ｉ 个时刻气泡的上升速度。 ３ ）参数取值确定 （ ２ ）
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｅｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｅ ｄｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄｏ ｆ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙｉ ｓ ａ ｄ ｏ ｐ ｔ ｅ ｄｔ ｏｃ ａ ｒ ｒ ｙｏ ｕ ｔ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｏ ｎｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎｂ ｅ ｈ ａ ｖ ｉ ｏ ｒ ｓ ｏ ｆ ｂ ｕ ｂ ｂ ｌ ｅ ｒ ｉ ｓ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎｓ ｔ ｉ ｌ ｌ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ．Ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｂ ａ ｓ ｓ ｅ ｔ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅａ ｎ ｄｗ ｉ ｔ ｈ ｏ ｕ ｔ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇｉ ｔ ，ｔ ｈ ｅｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎｔ ｏｔ ｈ ｅｄ ｅ ｒ ｉ ｖ ｅ ｄｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅｂ ｕ ｂ ｂ ｌ ｅｒ ｉ ｓ ｉ ｎ ｇ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｉ ｎｓ ｔ ｉ ｌ ｌ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄｏ ｕ ｔ ，ｏ ｎｔ ｈ ｅｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ，ａｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｖ ｅａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｉ ｓ ｍ ａ ｄ ｅｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎｔ ｈ ｅｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｓ ｏ ｆ ｒ ｉ ｓ ｉ ｎ ｇｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｂ ｕ ｂ ｂ ｌ ｅ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｒ ａ ｄ ｉ ｕ ｓ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅｒ ｅ ａ ｌ ｄ ｅ ｔ ｅ ｒ ｍ ｉ ｎ ｅ ｄｏ ｎ ｅ ｓ ．Ａ ｌ ｓ ｏ ，ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎｔ ｉ ｍ ｅ ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ｉ ｓ ｉ ｎ ｇ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｕ ｂ ｂ ｌ ｅ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｒ ａ ｄ ｉ ｕ ｓ ｅ ｓ ｉ ｎｓ ｔ ｉ ｌ ｌ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ａ ｓ ｗ ｅ ｌ ｌ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｉ ｓ ｉ ｎ ｇ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｄｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｒ ａ ｄ ｉ ｕ ｓｕ ｐ ｏ ｎｔ ｈ ｅｂ ｕ ｂ ｂ ｌ ｅｒ ａ ｄ ｉ ｕ ｓｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ａ ｔ ｅ ｓｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇＢ ａ ｓ ｓ ｅ ｔ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｓ ． Ｋ ｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ：ｂ ｕ ｂ ｂ ｌ ｅ ；Ｂ ａ ｓ ｓ ｅ ｔ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ；ｒ ｉ ｓ ｉ ｎ ｇｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ；ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｒ ａ ｄ ｉ ｕ ｓ ；ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 气泡广泛存在于化工、 生物、 医药、 动力设备、 核 反应堆、 航天、 热能等领域， 如水轮机和水泵的空化 空蚀、 船舶螺旋桨水流、 气 液化 学 反 应、 废水处理 等， 因而对气泡运动规律的研究对生产实际、 流体力 学及两相流动的发展都有着重要的意义， 也越来越 受到国内外学者的关注。目前利用实验测量、 理论 分析、 数值模拟等方法对液体中气泡的上浮速度、 气 液传质、 气泡分布等问题已进行了较为全面的研 究
半径变化率的影响， 以期为更好地对液体中气泡的 运动研究、 利用提供理论依据。
１ 模拟理论与方法
１ ． １ 运动控制方程 １ ． １ ． １ 基本假定 为了研究的方便， 在对静水中气泡上升运动特 性进行数值模拟前， 做两个假设： ①初始半径较小的 气泡在短距离上升运动过程中的形状始终保持为球 形； ②气泡内的气体温度始终保证恒温状态。 １ ． １ ． ２ 气泡运动平衡方程 在上述两个假定的基础上， 建立静水中单个气 泡上升运动的运动平衡方程为： ｄ ｕ ｍ ＝Ｆ ｂ ｇ ＋Ｆ ｂ ＋Ｆ ｄ ＋Ｆ Ａ ＋Ｆ Ｂ ｄ ｔ （ １ ）
１ ２ ２ Ｊ ＵＨ ｕ ａ ，Ｃ Ｈ Ｅ ＮＧ ａ ｎ ｇ ，Ｌ Ｉ Ｇ ｕ ｏ ｄ ｏ ｎ ｇ
（ １ ． Ｆ ａ ｃ ｕ ｌ ｔ ｙｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ，Ｘ ｉ ａ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｘ ｉ ’ ａ ｎ７ １ ０ ０ ４ ８ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ．Ｆ ａ ｃ ｕ ｌ ｔ ｙｏ ｆ Ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄＨ ｙ ｄ ｒ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃＥ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｘ ｉ ａ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｘ ｉ ’ ａ ｎ７ １ ０ ０ ４ ８ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
， 并得到了许多实用性的研究成果， 而针对气
收稿日期： ２ ０ １ １ ０ ３ ２ ８ 基金项目：陕西省教育厅科学研究计划基金资助项目（ ０ ８ Ｊ Ｋ ４ ０ ４ ） 。 作者简介：鞠花（ １ ９ ７ ６ ） ， 女， 河南郑州人， 博士生， 研究方向为气液两相流理论与数值模拟。 Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｊ ｈ ｌ ｋ ｘ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ 。陈 刚（ １ ９ ６ ６ ） ， 男， 四川绵阳人， 教授， 博导， 研究方向为水力学与流动力学。Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ： Ｃ ｈ ｅ ｎ ＿ ｇ ＠ｍ ａ ｉ ｌ ． ｘ ａ ｕ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 。
＋ 中图分类号：Ｏ ３ ５ ９ ． １ 文献标志码：Ａ
．
Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｏ ｎＮ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ Ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎＢ ｅ ｈ ａ ｖ ｉ ｏ ｒ ｓ ｏ ｆ Ｓ ｉ ｎ ｇ ｌ ｅＢ ｕ ｂ ｂ ｌ ｅＲ ｉ ｓ ｉ ｎ ｇｉ ｎＳ ｔ ｉ ｌ ｌ Ｗａ ｔ ｅ ｒ
［ １ １ １ ］
泡上升运动的加速过程和气泡半径变化率对气泡上
１ ２ １ ６ ］ 升运动特性的影响等方面的研究相对较少 ［ 。
本研究采用数值模拟和实验研究相结合的方 法， 通过受力分析， 对静水中单个气泡上升运动过程 中的气泡运动平衡方程和气泡半径变化率方程进行 了理论推导， 并将考虑和不考虑 Ｂ ａ ｓ ｓ ｅ ｔ 力情况下的 不同初始半径气泡上升速度模拟值与实测值进行了 比较分析； 研究了静水中不同初始半径气泡的上升 速度与时间的关系以及上升速度和初始半径对气泡
变化率方程为： （ ６ ）
式中， ｍ ｕ 为气泡上升速度； ｔ 为时间变 ｂ是气泡质量； 量； ｍ ｂ ｄ ｕ 为气泡运动的惯性质量力； 重力 Ｆ ｇ和浮力 ｄ ｔ
２ ）和式（ ６ ）联立， 得到气泡在静水中上 将式（ 升运动的控制方程组。 １ ． ２ 数值计算方法与参数取值确定 １ ）数值计算方法 为了提高数值计算结果的精度， 本研究采用先
静水中气泡上升运动特性的数值模拟研究
鞠花１，陈刚２，李国栋２
（ １ ． 西安理工大学 理学院，陕西 西安 ７ １ ０ ０ ４ ８ ； ２ ． 西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 ７ １ ０ ０ ４ ８ ）
摘要：采用数值模拟和实验研究相结合的方法， 对静水中气泡上升运动特性进行了研究。在考虑 和不考虑 Ｂ ａ ｓ ｓ ｅ ｔ 力的情况下对推导出的静水中单个气泡上升运动控制方程进行耦合求解的基础 上， 对比分析了不同初始半径气泡上升速度模拟值与实测值之间的差异， 研究了在考虑 Ｂ ａ ｓ ｓ ｅ ｔ 力的 情况下静水中不同初始半径气泡的模拟上升速度与时间的关系以及上升速度和初始半径对气泡半 径变化率的影响。 关键词：气泡；Ｂ ａ ｓ ｓ ｅ ｔ 力；上升速度；初始半径；数值模拟
ｊ
１ ｄ ｕ ｄ ， 其中 Ｋ 为 Ｂ ａ ｓ ｓ ｅ ｔ τ ∫ ｄ ｔ －τ τ 槡
０ Ｂ
ｔ
４ ３ ｄ ｕ ４ ］ 力经验系数 ［ ； Ｆ ｒ Ｋ ， 其中 Ｋ π ρ Ａ ＝－ Ｌ ｍ ｍ 为附 ３ ｄ ｔ
４ ］ ； 加质量力经验系数 ［ μ为液体动力粘性系数。
将上述各力表达式代入式（ １ ） ， 整理得静水中 单个气泡上升运动平衡方程为： ４ ３ ｄ ｕ ｒ （ ） ＝ π ρ ｂ ＋Ｋ ｍρ Ｌ ３ ｄ ｔ ４ ３ １ ２ ２ ｒ （ ） ｇ－ π ｒ Ｃ ｕ － π ρ ρ Ｌ －ρ ｂ Ｌ ｄ ３ ２