气泡动力学特性的三维数值模拟研究

论文摘要

本文采用VOF中的PLIC界面捕捉方法，结合考虑了表面张力的运动方程，对重力场中单个气泡和气泡群的上升及变形运动进行了三维数值模拟研究，深入研究了曝气池中气泡在运动过程中的动力学特性，主要的工作有： (1)对前人有关气泡运动的研究方法、内容取得的进展及成果进行了较为全面地总结，指出借助于界面捕捉方法来研究气泡动力学特性的必要性和可行性。 (2)建立基本控制方程组，详细介绍了VOF中的PLIC界面捕捉方法的基本原理，并对模型进行了验证。 (3)对单个气泡的上升运动进行了三维数值模拟研究，考察了粘性、表面张力、密度比和粘度比对气泡变形和上升速度及路径的影响，得出粘性和表面张力的作用非常显著，但流体与气泡的密度比和粘度比对气泡变形和上升速度的影响不大，当密度比超过一定范围时，仅使气泡的破裂时间提前。 (4)对水平和上下放置的球形气泡和变形较大的两个气泡在浮力作用下的上升及变形过程进行了模拟，分析了气泡间距与Re数之间的关系，揭示了气泡融合过程中上升速度的降低与反弹现象。 (5)对规则排列的大量气泡的动力学特性进行了模拟，分析了气泡在运动过程中的碰撞与融合现象及其对周围流场的扰动程度，以及排列位置和气泡数量对整体上升速度的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
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• 表格目录
• 第一章 绪论
• 1.1 气泡运动的应用背景及理论意义
• 1.2 气泡运动研究进展
• 1.2.1 理论研究进展
• 1.2.2 数值模拟进展
• 1.3 本文的研究目的及主要工作
• 第二章 数值方法
• 2.1 控制方程组
• 2.2 界面跟踪
• 2.2.1 确定界面法向量
• 2.2.2 界面位置的确定与重构
• 2.2.3 界面运动跟踪
• 2.3 动量方程和表面张力的离散
• 2.3.1 表面张力的离散
• 2.3.2 动量方程的离散
• 2.4 计算步骤
• 2.5 模型验证
• 2.5.1 气泡在不同流体中的上升与变形
• 2.5.2 气泡在水中的上升及变形过程
• 第三章 单个气泡动力特性分析
• 3.1 流动参数与初始条件、边界条件设定
• 3.2 单个气泡变形分析
• 3.3 表面张力和粘性力对气泡变形及上升速度的影响
• 3.3.1 表面张力和粘性力对气泡变形的影响
• 3.3.2 表面张力和粘性对气泡上升速度的影响
• 3.4 密度比和粘度比对气泡上升及变形的影响
• 3.4.1 粘度比和密度比对气泡变形的影响
• 3.4.2 粘度比和密度比对气泡上升速度的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 气泡之间的相互作用
• 4.1 流动参数与初始条件、边界条件设定
• 4.2 变形程度不大气泡的破裂与融合
• 4.2.1 并排放置的气泡动力特性
• 4.2.2 上下放置的气泡动力特性
• 4.3 变形程度大的气泡破裂与融合
• 4.3.1 并排放置的气泡动力特性
• 4.3.2 上下放置的气泡动力特性
• 4.4 本章小结
• 第五章 气泡群动力特性分析
• 5.1 气泡平均上升速度
• 5.2 气泡群动力特性分析
• 5.2.1 气泡群上升过程
• 5.2.2 气泡群引起的速度及压力脉动
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读博士学位期间的科研工作和论文发表情况
• 附录 B 攻读博士学位期间出版教材及获奖情况
• 索引