基于COMSOL的气泡聚并行为仿真研究

第36卷第7期计算机仿真2019年7月文章编号:1006-9348(2019)07-0191-04

基于COMSOL的气泡聚并行为仿真研究

蒋晓刚，苑志江，翟玉婷，郑智林

(海军大连舰艇学院航海系，辽宁，大连,116018)

摘要:气泡聚并不仅对气液、气液固流化床中的气泡运动速度和形状有重要影响，而且对相间传质过程有着重要意义。利用多物理场耦合数值计算软件COMSOL Multiphysics对气泡聚并行为进行了仿真研究，从共轴气泡、平行气泡和随机气泡三个方面分析了相对位置对气泡聚并的影响。结果表明，两共轴气泡之间垂向距离较小时，会形成追赶效应，下气泡上升速度大于上气泡，最终形成聚并。两水平气泡距离较近时才有可能发生聚并，当水平距离较大时，两气泡最终以螺旋交替的形式上升，无法发生聚并。随机气泡聚并受水平距离影响较大，相比而言水平距离较小时更容易发生聚并。

关键词:气泡动力学;气泡聚并;气泡运动;仿真

中图分类号:TP391.9文献标识码：B

Simulated Analysis of the Relative Location Impact on Bubbles Coalescence Behavior in the Water Based on COMSOL

JIANG Xiao-gang,YUAN Zhi-jiang,ZHAI Yu-ting,ZHENG Zhi-lin

(Dept,of Navigation,Dalian Naval Academy,Dalian L iaoning116018,China) ABSTRACT：The movement and shape of bubble are impacted by bubble coalescence.The bubble coalescence be­havior was researched though COMSOL Multiphysics simulation software.The relative locations of bubbles were divid­ed into three types,coaxial,parallel and random.The results show that when the two coaxial bubbles were close,the catch-up effect is formed,the velocity of below bubble is higher than the above bubble which will coalesce at last.

The two parallel bubbles coalesce when the distance is short,otherwise they rise in a spiral and do not coalesce.The horizontal distance is important for coalescence of random bubbles.It is easy for random bubbles to coalesce when the horizontal distance is short.

KEYWORDS:Bubble dynamics；Bubbles coalescence；Bubble motion；Simulation

1引言

水溶液中气泡聚并行为是气泡动力学研究中的重要内容,在化工、海洋以及军事等诸多涉及气液两相流的领域一直都是热点和难点问题,如泡沫的稳定、三级石油的回收、聚合物的液化、水下沼气的收集、危险化学反应的模拟等诸多问题都与气泡聚并行为相关⑴。目前,对于气泡聚并行为的研究主要集中在实验和仿真两个方面，例如，沈鉴彪等⑵从相间传质角度对气泡聚并的影响进行了实验研究，结果表明相间传质诱导的Marangoni效应使聚并时间随温度升高呈先减小后增大的趋势；陈阿强⑶等对浮选气泡聚并进行了模拟,表明聚并是影响气浮池内气泡尺寸的主要因素;金良安等⑷对舰船尾流气泡聚并进行了研究,通过对模型的修正，模拟得出了舰船尾流气泡的分布特点;叶再春等⑸对双气泡

基金项目：国防预研课题(30203010303)

收稿日期：2018-01-14修回日期：2018-03-29聚并过程的动力学规律进行了分析研究，提出了一个双气泡聚并模型,并利用MATLAB进行仿真模拟。

然而,上述研究成果中少有针对气泡处于不同位置时的聚并行为分析，本文利用多物理场耦合数值计算软件COM­SOL Multiphysics进行气泡聚并研究，该软件多物理场耦合的特点对于气液传质之间的模拟有其独特的优势，选取合适的网格尺寸和气泡参数是保证仿真结果可靠有效的重要依据，也是仿真计算的难点，本文通过研究相关文献并结合COM­SOL Multiphysics软件特点，设定了合理的仿真参数对共轴、平行和任意位置的水中气泡聚并行为进行了仿真研究，方法和结论可为相关领域研究提供一定的借鉴和参考。

2水中气泡聚并仿真模型构建

仿真模型的合理构建对于水中气泡聚并行为影响显著，对水中气泡聚并尺寸的合适选取、网格区域的合理设置以及各参数的典型设定，是研究气泡聚并行为首要条件。

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2.1水中气泡聚并尺寸选取

气泡尺寸对气泡运动特性影响较大，合理选取气泡聚并的直径非常必要。Saffman等⑹通过实验研究了水中气泡的运动过程，支出气泡直径小于1.4mm时保持直线上升，气泡直径大于1.4mm后,气泡由球形转变为椭球形;徐玲君等采用实验和数值模拟相结合的方法研究了水中气泡的运动轨迹⑴，指出气泡直径小于2mm时，运动轨迹呈直线或之字形运动状态，直径大于2mm时，运动轨迹呈螺旋形或者更复杂的随机运动;程文等B通过实验研究了不同直径的气泡在水中的运动特性，研究表明直径为5-8mm的气泡呈螺旋形上升，直径大于8mm的气泡呈直线上升。

从以上描述来看，气泡的运动形态如何最根本地取决于气泡的直径大小。而气泡的运动过程最复杂的变化在于毫米级别的，通过以上文献可知，当气泡直径在2mm-8mm之间时，气泡的运动轨迹较为特殊，因此本文选取宜径为4mm 的气泡进行建模研究。

2.2水中气泡聚并模型建立

为了满足计算区域的要求和节省计算资源，根据文献[9]的结论，当气泡中心和壁面的距离大于5倍半径时，壁面的影响可以忽略不计;除此之外计算区域高度要足够大，使气泡能够达到终端速度和终端形状。综合考虑，该模型选择40mmx80mm的矩形区域，区域内充满静止的液体。直径d= 4mm的气泡在其中完成聚并任务。

令聚并气泡1放置于点(20,5)的位置，被聚并气泡2放置于距离1若干距离的位置上，如图1所示为dl=4mm,d2= 4mm的气泡放置方式。

P普+P(u•W)u=pg+F”+F+

v-C-pZ++M7.)(Vu+(Vu)r)]

u=0

(1)

V-(2) Ab

p—+p{u・V)^=P k-pe+

dt

▽•[(“+制以]

p^+p(u-v)e=V-[(“+牛)％]

5-C^T

(p =phils

壁1采用计算公式

Utang=U-(u•n)n

C p

Vk•n=：0,£=p―勺一

(3)

(4)

(5)

V(p-(p(1-(p)(6)

(8)

(10)

(11)

(12)—+u•Va>=y V*

dt1

+

£=ep

u•n=0

+Mr)(Vu+(Vu)r)3

⑺

图1气泡位置图

具体建模步骤如下：

1)几何模型：如图1所示建立一个宽度为D,高度为H 的水槽，其中D=40mm,H=80mm。然后在水槽底部建立直径为d(dl,d2)的圆,作为上升用的气泡。

2)材料属性:在流体和气体中选择Air和Water添加至材料选项。

3)流体属性:增加选项，流体属性、壁1、重力、初始值2、初始界面,压力点约束。其中流体属性计算公式

重力采用公式

P普+P(u.=Pg+F“+F+

V-[-pZ+(ju.+Mr)(Vu+(Vu)r)]

4)网格设置:在网格的设置窗口中,定位到网络设置栏,在单元尺寸列表中选择细化，单击全部构建。如果放大这个水槽和气泡，可以观察到物理场控制的网格提供了边界层网格。

各参数的设置情况为:重力g=-=const,流体压力等于g _constxtpf.rhol x(0.8-y)+1[atm],温度为293.15K,体积力为-g_const x tpf.rho,空气密度为1.25kg/m3，水的密度为lOOOkg/n?,空气粘度为1.789X10--5Pa•s,水的粘度为0. 001Pa•s,表面张力系数为0.074N/m o模型设置后的网格分布如图2所示。

3水中气泡聚并计算仿真研究

气泡相对位置不同产生的气泡聚并行为具有明显区别,通过对共轴气泡、平行气泡以及随机气泡三种典型气泡位置进行仿真研究，得出位置因素对气泡聚并行为的影响。

3.1共轴气泡聚并行为研究

共轴气泡聚并过程是指两个气泡在同一轴线上升，逐渐靠近并相互聚并的过程。整个过程中，下方气泡上升进入上方气泡的尾流区,期间会形成一层液膜，但这层液膜随着下方的气泡的追赶逐渐变薄直至破碎，聚并由此完成。

以气泡直径d=4mm,两气泡垂直间距=10mm为例，

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