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中国工程热物理学会 多相流
学术会议论文 编号:076167
浮力作用下上升气泡的变形
和驻涡形成机理研究
倪明玖
中国科学院研究生院,北京,100049
Tel:010一8825—8837,EⅢail:mjniogucas.ac.cn
摘要:采用直接模拟方法,研究气泡在浮力作用下的变形机理及气泡尾部驻涡形成机理。用二阶时空
of
精度的变密度投影方法解Naviel._Stokes方程,用v0F(voluⅢe
fIuid)方法捕捉界面。获得了气泡
平衡时的上升速度。研究气泡的变形机理,取决于两动压差的相互制衡。气泡顶部和底部间的压差引
起气泡变形,而气泡里外间的压差(表面张力)抵制变形。同时,本文研究气泡内部环流和气泡尾部
驻涡间的关系。
of
关键词:驻涡,VOF(volumefIu;d)方法,气泡变形。
O前言
多相流的研究对火箭工程)化学反应、多相混合传递、气蚀、环境工程等流体工程
非常重要。实验对气泡在静止粘性流体内的流动已经做了很好的研究与分析。气泡在流
体里的流动不同于固体颗粒在流体里的流动:(1)气泡在水动力的作用下会变形;(2)气
液界面问的动量传递会引起气泡内部的环流。单个气泡在垂直的圆柱内的流动与气泡的
大小有关。当气泡很小,球形气泡会沿着直线上升。大的气泡会以椭球型或不规则的形
状沿着螺旋状的或蜿蜒曲折的路径上升。进一步增加气泡尺寸,气泡会变成半球帽状,
数西=g∞。一几k居来表述。g是重力加速度,几和几表示液体和气体的密度,儿
和盹则是液体和气体的粘性系数,口是表面张力系数,凶是气泡初始直径。Grace的图
c。:婴心:罢,耽:£型:掣,厅:三上:旦墼。
2
“3u凡 3胄e2胁{ 4 历{ 4cD 尉{
驻涡存在的主要条件是变形的气泡有足够大的曲率。事实上,当气泡是球状,无论多大
数超过临界值,在一定的Reynolds数下,分离
流开始形成。Ryskin&Leal的数值结果清晰
的证明了自由表面分离流的存在。
1akagi等【4】在2D适体坐标下,用SI好LER
方法解Navier-Stokes方程。气泡内的压力当
常数处理,通过气泡体积不变的约束来获得.
Ryskin&Le8l【3,6】采用涡一流函数法模拟
气泡上升流动。这两办法只能应用与气相作用
可忽略不计的情况,气泡内的环流与气泡外流
体的相互作用没法考虑。Tomiyama等【7】用
voF方法模拟两维单个气泡在静止流体和线性
剪切流体内的流动。他们的结果证明该方法定
性上可用于研究M0rton数和E6tvjs数对气泡变形
的影响。 Francois&Shyy【8】用Eulerian—
Lagrangian方法研究密度比和粘性系数比对气
图一:胁:9x】o。:脚6:从踟
泡上升时流动的影响a倪等则用水平集(LeVel
到2l。时阊间隔3,外如}123
set)方法研究Karman涡阶对重力驱动下液滴下
对三维球形气泡在浮力作用下,在静止流体内的流动进行数值模拟。主要研究气泡变形
机理和驻涡形成机理。 ,
1数值方法
surface
采用CsF(continuum
可压界面流体的控制方程有:
v.v=O (1)
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