晃荡条件下气泡上升速度特性研究

第３６卷第６期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀哈㊀尔㊀滨㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ．３６ɴ．６

２０１５年６月㊀㊀㊀㊀㊀

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ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｊｕｎ．２０１５

晃荡条件下气泡上升速度特性研究

宋禹林１，谭思超１，付学宽１，李小辉２

（１．哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨１５０００１；２．中国舰船研究设计中心，湖北武汉４３００６４）

摘㊀要：海浪㊁地震等条件都会导致核动力设备中储存自由液面的设备产生剧烈的晃荡㊂为了分析晃荡条件下液体中的气泡行为特性，本文运用ＣＬＳＶＯＦ（ｃｏｕｐｌｅｄｌｅｖｅｌ⁃ｓｅｔａｎｄｖｏｌｕｍｅ⁃ｏｆ⁃ｆｌｕｉｄ）模型追踪两相流体交界面，数值模拟气泡在液体中受余弦简谐激励和自由液面影响的上升过程㊂计算结果显示余弦简谐激励降低了气泡纵向运动速度，而横向速度略大于激励速度；自由液面的波动在纵向上会使气泡上升速度骤然降低，甚至出现负速度，越接近自由液面横向速度峰值越大㊂计算结果表明晃荡运动的影响是余弦简谐激励与自由液面波动影响的叠加，晃荡条件下自由液面波动是气泡速度变化的主要因素，气泡的本身属性起次要作用㊂关键词：上升气泡；晃荡；ＣＬＳＶＯＦ；大空间ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６⁃７０４３．２０１４０４０２３

网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．ｕ．２０１５０４２８．１１１５．０１７．ｈｔｍｌ中图分类号：ＴＬ３３４㊀文献标志码：Ａ㊀文章编号：１００６⁃７０４３（２０１５）０６⁃０８６５⁃０６

Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｉｎｇｌｅｂｕｂｂｌｅｒｉｓｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｕｎｄｅｒｓｌｏｓｈｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ

ＳＯＮＧＹｕｌｉｎ１，ＴＡＮＳｉｃｈａｏ１，ＦＵＸｕｅｋｕａｎ１，ＬＩＸｉａｏｈｕｉ２

（１．ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｏｎＮｕｃｌｅａｒＳａｆｅｔｙａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＳｈｉｐｄＥｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＤｅｓｉｇｎＣｅｎｔｅｒ，Ｗｕｈａｎ４３００６４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｃｅａｎｗａｖｅｓａｎｄｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｓｃａｎｃａｕｓｅｖｉｏｌｅｎｔｌｙｓｌｏｓｈｉｎｇｏｆｔｈｅｆｒｅｅｌｉｑｕｉｄｓｕｒｆａｃｅｉｎａｃｏｎｔａｉｎｅｒ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｒｉｓｉｎｇｂｕｂｂｌｅｉｎｌｉｑｕｉｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｓｌｏｓｈｉｎｇ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｅｓｔｈｅＣＬＳＶＯＦ（ｃｏｕｐｌｅｄｌｅｖｅｌ⁃ｓｅｔｔｈｅｖｏｌｕｍｅ⁃ａｎｄ⁃ｆｌｕｉｄ）ｍｏｄｅｌｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｔｗｏ⁃ｐｈａｓｅｆｌｕｉｄｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｏｂｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｒｉｓｉｎｇｂｕｂ⁃ｂｌｅｉｎｔｈｅｌｉｑｕｉｄｗｉｔｈｃｏｓｉｎｅｈａｒｍｏｎｉｃｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｒｗａｖｅｏｆｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｃｏｓｉｎｅｈａｒｍｏｎｉｃｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｂｕｂｂｌｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓｓｌｉｇｈｔｌｙｂｉｇｇｅｒｔｈａｎｔｈｅｍｏｔｉｖａｔｉｏｎｓｐｅｅｄａｎｄｔｈｅｗａｖｅｏｆｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｗｉｌｌｍａｋｅｔｈｅｂｕｂｂｌｅｒｉｓｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｐｌｕｍｍｅｔａｎｄｅｖｅｎｌｅａｄｔｏｎｅｇａ⁃ｔｉｖｅｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅｌａｔｅｒａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｐｅａｋｉｎｃｒｅａｓｅｓｇｒａｄｕａｌｌｙｃｌｏｓｅｒｔｏｔｈｅｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅｔｈａｔｓｌｏｓｈｉｎｇｉｓｔｈｅｏｕｔｃｏｍｅｏｆｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈｃｏｓｉｎｅｈａｒｍｏｎｉｃｅｘｃｉｔａｔｉｏｎａｎｄｗａｖｅｏｆｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｄｅｎｓｉｔｙｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎａｉｒａｎｄｗａｔｅｒｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｆｏｒｃｅｓｏｆｂｕｂｂｌｅｍｏｔｉｏｎ．Ｉｎｓｌｏｓｈｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｏｆｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｉｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｏｆｃｈａｎｇｅｓｉｎｂｕｂｂｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｔｈｅａｔｔｒｉｂｕｔｅｏｆｂｕｂｂｌｅｉｓｔｈｅｗｅａ⁃ｋｅｓｔｆａｃｔｏｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｉｓｉｎｇｂｕｂｂｌｅ；ｓｌｏｓｈｉｎｇ；ＣＬＳＶＯＦ；ｌａｒｇｅｓｐａｃｅ收稿日期：２０１４⁃０４⁃０７．网络出版时间：２０１５⁃０４⁃２８．基金项目：黑龙江省青年学术骨干支持计划资助项目（１２５４Ｇ０１７）；

核安全与仿真技术国防重点学科实验室基金资助项目（ＨＥＵＦＮ１３０５）．

作者简介：谭思超（１９７９⁃），男，教授，博士生导师．通信作者：谭思超，Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｔａｎｓｉｃｈａｏ＠ｈｒｂｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．

㊀㊀行驶在海洋中的船舶㊁运行在陆地上的核电站，在遇到风浪㊁地震等外界激励时，会使存在自由液面的容器产生剧烈的晃荡㊂强烈的晃荡产生的复杂流场必然对气泡的运动有着不可忽视的影响㊂正常工况下运行的蒸汽发生器㊁除氧器还有事故工况下未停止运行的反应堆都存在大量的气泡，气泡的大小㊁形状及运动规律等对气液传热传质都有这种影响，因此晃荡对气泡运动行为的影响或危机设备的安全运行㊂而这方面的研究却未见诸公开报道，因此有必要对晃荡条件下气泡的运动行为特性进行研究㊂

１㊀数值计算方法与静水中气泡的上升

气泡运动的数值模拟主要通过界面追踪法来实现，ＬｅｖｅｌＳｅｔ和ＶＯＦ都是优秀的界面跟踪方法，Ｃ．Ｗ．Ｈｉｒｔ［１］首次将ＶＯＦ方法应用到数值模拟晃荡现象中，ＳｕｓｓｍａｎＭ［２］等将ＬｅｖｅｌＳｅｔ方法应用于数值模拟气泡的上升运动㊂ＳｏｎＧ［３］等完善了ＣＬＳＶＯＦ方法，相比其他两相流界面追踪方法，ＣＬＳＶＯＦ方法计算得更精准并且收敛的更快㊂耦合ＬｅｖｅｌＳｅｔ方法与ＶＯＦ方法关键的过程在于相函数的耦合方法㊂相函数耦合又分为以ＬｅｖｅｌＳｅｔ方法为主还是以ＶＯＦ方法为主，这里选以ＬｅｖｅｌＳｅｔ为主的ＬｅｖｅｌＳｅｔ－相界面法为例，式（１）是一种最基本的耦合方法，利用Ｈｅａｖｉｓｉｄｅ函数建立了ＬｅｖｅｌＳｅｔ函数φ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）和ＶＯＦ流体体积函数ｆ（Ω，ｔ）的关系［４］：