（化工过程机械专业论文）ehd作用下冷态气泡行为的数值模拟及实验研究.pdf

独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 20 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即： 我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 20 年 月 日 20 年 月 日 a thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering numerical simulation and experimental research on the cold air bubbles behavior by electrohydrodynamics effect major : chemical engineering candidate : zhang tao supervisor : associate professor. yang xia lecturer wu yanyang wuhan institute of technology wuhan, hubei 430074, p. r. china may, 2012 摘 要 i 摘 要 电水动力学（electrohydrodynamics，简称ehd)是一种主动的强化 传热方法与技术手段，其具有效果好、功耗小的特点，具有广阔的应 用前景。电场使气泡行为特征和运动规律发生改变，从而改变流场结 构可实现传热强化，所以气泡起着核心纽带作用，气泡行为及运动规 律等内容的研究，成为电场强化传热技术研究的难点与关键。 首先，为探讨电场强化换热机理，本文主要围绕电场作用下的气 泡行为进行数值模拟研究。气泡行为主要包括电场参数对气泡形状、 大小、变形、脱离周期、脱离直径等参数。本文针对网格电极形成的 均匀电场工况下，建立合理的气泡模型，研究了附着于铜板壁面的单 个气泡上升的形态、脱离铜板周期，以及气泡行为对于气泡周围的电 场分布的影响；通过实验研究了电场强度和孔径对于气泡行为的影 响，并对比了数值模拟结果和实验研究结果。 数值模拟电场作用下气泡行的结果表明如下。 1、 电场作用下，气泡脱离周期变短，脱离时刻气泡沿场强方向拉 长。 2、 无气泡存在的条件下，模型内形成均匀电场，气泡的介入，对 原均匀电场产生扰动，形成非均匀电场。 3、 在模型内，气泡内部场强最大，而在气泡赤道外部的场强大于 气泡顶部和底部的场强，气泡顶部外法向上的梯度最大。 其次，本文对电场作用下的气泡行为进行实验研究，研究结果表明 如下。 1、 气泡在无电场工况下呈球形脱离铜板壁面，随着电压的增大， 气泡脱离壁面呈椭圆柱状形态越明显。 2、 在相同孔径下， 场强增大， 气泡脱离周期变短， 气泡长轴拉长， 长径比变大，脱离体积减小。 3、 根据气泡表面应力的计算表明，气泡的两侧受到压缩力，而气 泡的顶部受到拉伸力，当孔径变大时，气泡的受到的力也相应的 增大。 关键词：电水动力学 强化换热 气泡行为 研究 武汉工程大学硕士学位论文 ii abstract iii abstract electrohydrodynamics（short for ehd) is a kind of active heat transfer enhancement method and technology，which has good effect of the characteristics and small power consumption, so it has promising application foreground. electric field can change the bubble behavior characteristics and movement, to change the structure of flow field can achieve heat transfer strengthening, so the bubble plays a core link during the heat transfer process. the content about the bubble behavior and the motion law become difficulties and key point in the ehd heat transfer enhancement. firstly, to discuss the effects of electrohydrodynamics nucleate boiling heat transfer. the bubble behavioral characteristics were analyzed by numerical simulation and experimental research in this paper, bubble behavior mainly including the bubble deformation, the departure period, and size under electric field effect. in this paper, under the condition of the grid of electrodes forming by the uniform electric field, establishing the reasonable bubbles model, the single bubble rising shape, the departure period and the bubble behavior affecting the distribution of the electric field around the bubble were researched when the bubble attached on the coins wall. the bubble behavior was experimental researched through the influence factors the electric field strength and the gas hole diameter, the experimental results and numerical results are compared to validate the numerical results. as follows，the results of the bubble behavior was numerical simulated under the effect of the electric field. 1、 the departure period decreased while the bubble elongated along the direction of the electric field under the electric field. 2、 square pool model form the uniform electric field under the no bubble existence condition, but for the formation of air bubbles, which deranged the uniform electric field, and forming uneven electric field in 武汉工程大学硕士学位论文 iv the square pool model. 3、 the electric-field strength in the bubble is the largest of all and in the top center outside the bubbles, the electric field strength minimum in the square pool model, along the ball toward the surface bubbles in the bottom and top, field strength gradually decreased, so the gradient of the electric field is largest at the top of the spherical bubbles. secondly, the bubble behavior was researched under the electric field; experimental investigation shows that as follows. 1、 the departure shape is as well as the ellipse, the shape of the departing bubble formed the cylindrical shape more obvious along with the increase of the voltage. 2、 the bubble elongated along the direction of the electric field, with increasing electric field strength, the bubbles aspect ratio at the departure increased while the departure volume and period decreased. 3、 the electric stresses on the actual bubble surface were calculated, which indicated that the electric stress exerted on the bubble tip pulled the bubble while that exerted on the bubble sides pressed the bubble, causing the bubble elongation deformation along the electric field direction. the bigger the diameter of the gas hole is, the larger stress will exerted on the bubble key words: ehd; enhancement of heat transfer; bubble behavior; research 目录 v 目目 录录 摘 要 . i abstract . iii 目 录 . v 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究的背景及其意义 . 1 1.2 强化传热的研究现状 . 1 1.2.1 强化传热概述 . 1 1.2.2 强化传热技术分类 . 2 1.2.3 国内外强化传热研究现状 . 2 1.3 本文研究手段 . 3 1.3.1 数值计算 . 3 1.3.2 实验研究 . 4 1.4 本文的选题 . 4 1.5 本文主要研究内容 . 4 第 2 章 电场作用下气泡行为的数值模拟 . 7 2.1 方形池的计算模型 . 7 2.1.1 方形池的模型简化假设 . 7 2.1.2 几何模型 . 8 2.1.3 控制方程 . 9 2.1.4 电场对于两相流体作用方程 . 10 2.1.5 网格划分 . 10 2.2 模型边界条件设置 . 11 2.3 气泡行为计算结果分析 . 13 2.3.1 无电场工况下的气泡受力分析 . 13 2.3.2 电场工况下的气泡受力分析 . 13 2.3.3 电势的分布图 . 14 2.3.4 气泡脱离形态 . 15 2.3.5 气泡的脱离周期 . 17 2.3.6 气泡上升过程中电势的分布 . 18 2.3.7 气泡上升过程中的气泡内外场强分布 . 21 第 3 章 电场作用下气泡行为的实验研究 . 27 3.1 实验目的. 27 武汉工程大学硕士学位论文 vi 3.2 实验系统. 28 3.2.1 气源. 29 3.2.2 铜板小孔 . 29 3.2.3 电极形状 . 29 3.2.4 网格电极与铜板之间支撑柱 . 30 3.2.5 光源. 30 3.2.6 方形池容器 . 30 3.2.7 高速摄像机 . 31 3.3 实验条件. 31 3.4 实验数据采集步骤 . 31 3.7 实验结果与分析 . 33 3.7.1 气泡上升形态的变化 . 33 3.7.2 气泡脱离铜板壁面周期 . 38 3.7.3 气泡的脱离长径比 . 39 3.7.4 气泡脱离相对体积比 . 41 3.7.5 气泡表面的电应力计算 . 43 3.7.6 气泡的上升速度与加速度 . 46 第 4 章 结论和展望 . 49 4.1 结论 . 49 4.2 展望 . 50 参考文献 . 51 攻读硕士期间已发表的论文与专利 . 55 部分实验采集原始数据 . 57 致 谢 . 59 论文资助项目 . 61 第 1 章 绪 论 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 课题研究的背景及其意义 目前使用的传统化石能源（石油、煤炭等）已快枯竭，同时新型 的能源生产供应尚未建立一个比较规范的体系， 从而节能技术得到迅 猛发展，强化传热作为节能技术的方式之一，该技术可以减少能耗， 提高热力设备的传热效率。电水动力学1(electro hydrodynamics,简称 ehd)强化沸腾传热属一种主动强化传热技术，高压静电场施加在流 场中， 通过温度场、 速度场和电场三场耦合作用， 达到强化传热目的。 根据文献表明电场强化换热效果比较明显， 外施静电场可使沸腾换热 的临界热流密度提高到不加电场时的1.6-6倍2，凝结换热的换热系数 可增加到无电场作用时的1.5-2倍3，因此这一强化传热技术得到了国 内外学者和工程技术人员的极大关注。 1.2 强化传热的研究现状 1.2.1 强化传热概述 传热是一种与自然界紧密联系的客观现象， 随着人们生活的质量 日益提高， 传热技术这门学科在社会不断的发展中产生更多值得人们 研究的问题，在解决问题的同时，人们推新出来了很多高科技手段。 自从英国大量的使用蒸汽机以后， 其内部传热问题一直困扰着蒸汽机 的大量使用和推广，有待于人们进一步重新审视传热学的课题。直至 20 世纪以后，传热学从众多的学科中脱颖而出，形成了一种内容与 实际工程结合更加紧密的系统的学科。 该学科的初始研究主要集中在 传热面积上，减小其换热面积，可致使换热设备处于相对较小的温度 工况下工作，可引起热阻的减小和热能的消耗。在传统的传热学理论 基础上得知，热量传递分为稳态过程和非稳态两大类。而稳态传热有 三种类型4：热量传导、热量传递和热量辐射。不同传热方式遵循各 自的传热规律，而实际的传热过程是一种复杂的复合传热，是由两种 或三种基本传热方式同时作用， 而强化传热研究主要从上述三种方式 武汉工程大学硕士学位论文 2 研究，但目前一般以强化对流换热为主。 1.2.2 强化传热技术分类强化传热技术分类 强化技术的分类有很多种，按照强化传热的过程分类如图 1.1 所 示。 图 1.1 强化传热的分类 按照提高传热系数的方法来分类，沸腾传热强化方法分主动强化 与被动强化， 主动强化技术就是需要借助于外部的能量来达到强化传 热的目的； 被动强化方法主要依靠特殊结构表面或特殊流道结构等方 式实现，工程中有着广泛应用；但不足的是，这类方法增加了换热器 制造成本和流动阻力(功耗)，存在结构表面随时间老化而丧失强化功 能的问题，而且，加工后换热表面易积垢(包括油污)和不易清洗，垢 层随时间堆积带来的热阻甚至远远大于不采用强化技术的光管壁面 热阻。因此，被动强化方法当前并不能较好满足工业要求，所以现在 人们的研究的注意力逐步转移到主动强化传热技术方面， 随着有效的 最大化利用能源， 强化传热技术一定会得到更快的发展和更广泛的利 用。 1.2.3 国内外强化传热研究现状 电水动力学（electrohydrodynamics，简称ehd)强化沸腾传热属主 动强化技术，是一种将电场引入传热学领域，利用电场、流场、热场 协同作用达到强化传热的有效新方法。自从1916年chubb5首先发现 了电场强化沸腾传热现象，实验中电场可将水蒸发速度提高3倍；这 种强化技术受科技水平不高和节能技术需求不足的影响，之后近30 年内并未引起人们重视，相关研究进展也很缓慢。直到上世纪70年代 能源危机爆发，人们才开始重视电场强化技术。1987年allen6和 第 1 章 绪 论 3 cooper7对水平低肋管r114管外沸腾传热进行试验，显示电场强化下 换热系数可增加60倍； 后期开展的研究内容开始由考察强化效果转向 揭示强化机理， 目前研究结论普遍认为： 电场对传热的强化效果明显， 其主要源于电场力对气泡和气液界面的作用电场力对气泡层产 生扰动致传热表面热阻减小；该结论的得出让学者们充分认识到，电 场下气泡行为的研究是阐释电场传热强化机理的关键。1993-1998年 ogata、cho8 -9分别对均匀电场下壁面上单个气泡进行了理论与试验 研究，结果表明，气泡表面场强呈非均匀分布，使得气泡表面张力不 均匀，气泡沿与外施电场平行方向被拉长，气泡接触角变大、脱离直 径变小； 1998年karayiannis10对电场下单个气泡周围电场特性进行了 研究，结果表明，气泡引入使得其两侧场强增加、顶部及与壁面接触 底部场强降低，气泡内部场强不为零且增强；2004年国内董伟博士11 等通过研究得出与上述一致的结论。 对均匀电场下单个气泡周围电场 分布的研究，当前已有较多研究，结论也基本趋于一致；但是，电场 强化传热过程主要表现为非均匀电场下多气泡行为。 这些研究学者认为，气泡在换热表面上无论是电场力压制还是被 电场力拉伸，都能够使沸腾传热得到强化。但是两者的机理有很大的 差别，前者主要是强化沸腾传热的主要机理是：气泡在拉升的作用下 很容易客服表面张力从而使气泡从换热面上跃离，气泡的直径减小， 但是气泡的脱离频率增大； 后者强化的主要机理是由于气泡的变形加 速了成长速度， 而气泡能够在电场力和浮力的合力作用下沿着换热表 面做切向运动。 1.3 本文研究手段 1.3.1 数值计算 数值模拟方法是一门传热问题和数学问题的综合学科， 是指对 描述流动以及传热问题的控制方程采用数值方法，在通过计算机求 解。数值模拟的基本思想12：把空间与时间坐标中连续物理场（速度 场、温度场、电场等等） ，用一系列有限多个点值来代替，通过一定 的法则在这些有限个点上的变量之间的关联的代数方程组， 求解这些 组成的相关联的方程，得到变量的精确值。这是目前在传热学领域的 武汉工程大学硕士学位论文 4 研究的新方法，它可以解决对流换热和流场求解问题。目前，数值模 拟气泡的方法较多，在文献13中使用了界面重构技术的 vof 方法， 但是较为成熟的方法属于欧拉法14。本文运用 fluent 软件中的 vof 模型对电场下气泡上升过程进行数值模拟。 1.3.2 实验研究 由于数值模拟计算所需要某些固有的数据（比如：流体的粘性、 密度等）需要通过实验的方法测得，数值模拟准确性也要与实验结果 比较才能确认，所以实验研究是研究气泡行为的基本方法。本文依据 特别制作四面透明，底部安装鼓泡板的方形池，鼓泡板可吹出不同大 小的单个或不同间距不同频率的多个气泡用于实验， 同时整个实验过 程采用一台高速摄像机从垂直方向进行录制气泡大小，通过反复实 验，研究电场对气泡影响规律、气泡行为特征。 1.4 本文的选题 本文的选题来自于国家自然科学基金青年科学基金项目：电水动 力学强化沸腾传热中气泡行为的研究（no.50906065） ，该基金正处 于研究之中。 1.5 本文主要研究内容本文主要研究内容 本课题组的研究已表明16，施加外电场可以强化流动传热，但发 展和利用电场强化传热技术还有待进一步深入；在 2008 年本项目组 成员提出电场强化传热换热器结构模型17，并且由相关的文献18表 明，该模型给出了电场强化技术应用于管壳式换热器的系统解决方 案，对于研制新型高效、结构紧凑、经济性好的工业用新型换热器也 具有重要意义。由于在热力设备内的气泡生成、成长、脱离和上升等 各种行为是决定电场传热机理的主要过程，直接影响换热的效果，气 泡行为的研究也成为电场强化传热分析的基础。 本课题参考国内外的 文献19的实验数据， 自行设计并组装了一套观察冷态气泡行为的实验 装置，用于本文的实验研究。 1、电场作用下冷态气泡上升行为的数值模拟 第 1 章 绪 论 5 按照实验室的方形池的尺寸， 建立 ehd 作用下的汽液两相系统的 数学模型，数值模拟计算方形池内模型内的气泡上升的行为，分析不 同场强下气泡的行为特性（气泡形状、大小、脱离频率等） ，从数值 模拟的角度分析电场对气泡的作用机理。 本文针对均匀电场作用下附 着于方形池壁面的单个气泡，模拟了气泡行为，其中气泡半径为 10mm，电压设置为 0 、10、20、30、40kv，并按照以下几点进行分 析。 （1） 气泡脱离壁面的周期； （2） 气泡脱离形态； （3） 气泡上升过程中电场作用下气泡周围电场强度分布。 2、电场作用下气泡行为的实验研究 本文利用高速摄像机研究注入到水中的氮气泡在电场作用下的行 为，获得了不同电场下不同孔径气泡成长以及上升过程中的实验图 像，并从以下几点具体分析电场对气泡行为的影响。 （1） 气泡的上升形态的变化； （2） 气泡的脱离时间； （3） 气泡的脱离长径； （4） 气泡的脱离体积比； （5） 气泡表面的电应力计算； （6） 气泡的上升速度与上升的加速度。 实验过程中需要改变的工况条件如下， 并按照以下数据排列组合， 进行 108 次气泡实验。 （1） 电压（u）设置：0 、5、10、15、20、 25、30、35、40kv； （2） 网格电极距离铜板高度，即电极距离（l） ：30、50、65mm； （3） 孔径大小：1、2、3、4 mm。 武汉工程大学硕士学位论文 6 电场作用下气泡行为的数值模拟 7 第第 2 章章 电场作用下气泡行为电场作用下气泡行为的数值模拟的数值模拟 实验装置的加工和测量仪器依赖性强， 实验中存在较大实验误差 和不可预知的随机因素，结果一致性和可重复性受限，且实验结果分 析仍依赖于近似模型的假定，鉴于实验研究所遇困难，数值模拟成为 当前流体力学、传热传质等领域倍受关注的研究方法，其优点在于： 结果可重复、研究成本低、不受环境限制等。计算流体力学(cfd)和 电场数值理论近 20 年的迅速发展,为多相流传热传质研究提供了良好 的平台，随着计算机技术的进步，研究成本低、研究周期短且能够提 供足够信息量的数值模拟方法开始被广泛采用， 本项目中应用数值模 拟方法实验研究的不足。在数值传热学的研究中，计算机硬件为数值 模拟提供了夯实的物质基础。 由于气泡问题的复杂性或实验研究的昂 贵性，使得数值模拟方法运用广泛，且该方法具有成本较低和能够模 拟较为复杂物理过程等优点。但是数值模拟的结果，应保持准确的认 识，合理的建立数学模型，通过数值模拟可得到事物运动的规律。在 本文的数值模拟中，由于方形池和气泡可简化成轴对称图形，所以可 将三维的方形池简化成为二维矩形， 然后在根据相关传热学方面的知 识进行数值模拟。 本章将采用 fluent 软件数值模拟计算方形池内电场作用下气 泡行为，模拟分析电场是否能够影响气泡的行为，以及气泡的行为是 否能够反作用于影响电场的分布等。 2.1 方形池的计算模型 2.1.1 方形池的模型简化假设 在数值模拟计算的过程中，在保证计算结果精确程度下，为了方 便计算机运算，省略一些细小因素对计算结果的影响，抓住计算问题 主要问题，这样不仅能节约计算时间，还能获得较为稳定并快速的收 敛结果，可将计算资源进行最大化的利用。因此，在本章数值模拟电 场作用下气泡行为之前，将简化模型，假设某些特定的条件。 （1）由于方形池的尺寸过大，数值模拟研究时，在不影响气泡 行为的基础上，缩小方形池的尺寸。 武汉工程大学硕士学位论文 8 （2） 由于方形池内铜板孔的通气的流速很低， 流动介质(水)的压 力变化不是很大，因而其密度随着压力的变化也不大，故可将工质水 视为不可压缩流动介质； （3）假设工质中不存在自由移动电荷； （4）由于高压电极半径小，故忽略其半径，并不考虑高压线的 表面粗糙度因子； （5）假设气泡的初始速度为 0，气泡的上升属于二维蠕动； （6）在数值模拟计算中，采用恒温壁的模型，外界环境与模型 内的参数无任何物理信息的交换，同时建模时忽略方形池容器的厚 度。 （7）假设实验条件中的网格平板电极形成为的电场为均匀电 场。 （8）根据文献19得，气泡形状的变化伴随着能量的变化，它可 反作用于温度场和速度场，本文对温度场的影响忽略不计。 （9）假设气泡上升的过程中变化的形状属于轴对称图形，由于 方形池也属于对称图形，所以可将三维模型简化成二维模型。 （10）假设工质水各向同性且线性均匀化，气泡的大小为球形。 2.1.2 几何模型 本节通过建立二维模型，对方形池内气泡的行为进行数值模拟 计算，研究高压电场对气泡行为的影响。本章数值模拟采用方形池的 尺寸大小与实验尺寸不一致，建立模型时，由于实验室方形池的三维 尺寸为 400 mm400 mm400mm,为了节约计算时间，简化计算模 型，方形池尺寸设置为 100mm65mm（第三章，实验中网格电极距 离气泡出气孔之间的距离，简称电极距离 l=65mm） ，其示意图如图 3.1 所示。 电场作用下气泡行为的数值模拟 9 图 3.1 方形池的建模尺寸示意图 2.1.3 控制方程 在二维笛卡尔直角坐标系下， 气泡上升过程的行为一定要满足以 下几个控制方程 20-23： （1）质量守恒方程 任何工质的运动问题都必须严格的遵循质量守恒定律，该定律可 简述为：在同一个控制体单元体内，单位时间内工质微控制体中质量 的增加，等于同一时间内间隔内流入该微元体工质的净质量。根据这 一条质量守恒定律，可以得出质量守恒方程（mass conservation equation） ： ()() 0 uv txy （2-1） 在上述假设条件中，该工质可当作不可压流体，故密度=c 为常数， 式（2-1）可变为： 0 uv xy （2-2） 质量守恒方程（2-2）称为连续性方程（continuity equation） 。 （2）动量守恒方程 下面动量守恒定律也属于任何流动的工质一定满足的定律。该定 律可表述为： 微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在微 元体上的各种力之合。按照这一定律，可导出 x 和 y 两个方向的动量 守恒方程（momentum conservation equation） ： 在 x 方向上的动量守恒方程: 武汉工程大学硕士学位论文 10 22 22 uuupuu uv txyxxy （2-3） 在 y 方向上的动量守恒方程: 22 22 vvvpvv uv txyyxy （2-4） 式（2-32-4）是动量守恒方程，也称为 n-s 方程。 本文在数值计算时，湍流模型选取为标准 k-湍流模型： k jk t ji i g x k xx ku )( （2-5） k cg k c xxx u k j t ji i 2 21 )( （2-6） 式中k湍流动能；湍流耗散率， k g由于平均速度梯度引 起的湍动能k的产生项， b g由于浮力引起的湍动能k的产生项， i u 液相速度分量，单位：sm/； t 湍流粘性系数， /. 2 kc t ； k 和 分别是与湍动能k和耗散率对应的普朗特准数，0 . 1 k ，3 . 1 ； 21 ,ccc为经验常数，其值分别是：09. 0 c，44. 1 1 c，92. 1 2 c。 2.1.4 电场对于气液两相流体作用方程 电场作用工况下的两相（汽液）传热系统中，强化对流传热的作 用主要体现在电场力对气液界面的气液膜产生拉伸或压缩等破坏作 用，可使膜态沸腾转化为核态沸腾，从而大大的提高强化传热效率。 研究认为24，电场对气泡的作用主要是介电电泳力，该力可使气 泡的行为发生变化。为了说明其作用力，假设在一个介电常数1的工 质中有一个介电常数为2、半径为 r 的球体。pohl24认为，作用在球 体上的介电电泳力 fd可表达为 32 21 1 21 2 2 d fre (2-7) 在沸腾过程中，其球体为气泡，此时21，则 fd的方向指向 电场降低的方向，即气泡向电场较低的方向运动。 2.1.5 网格划分 本章使用 fluent 自带的网格生成工具 gambit 对计算域进行 网格划分，方形池的水平方向设置为 x 轴，方形池的前置方向设置为 电场作用下气泡行为的数值模拟 11 y 轴。合理的缩小方形池的尺寸，虽然在某些程度上影响了气泡的数 值模拟的准确性，但是对于气泡的总体运动不会改变。表面张力对于 气泡有重大的影响，为了更加精确的计算表面张力，所以采用结构四 边形单元网格20，对所建立的几何模型计算区域进行离散，网格图示 意图 2.2 所示。 图 2.2 方形池模型网格示意图 2.2 模型边界条件设置 在数值模拟中，fluent 中默认水和氮气的物性恒定，水和氮气的 物性见表 2.1，模拟在此物性参数基础上进行迭代计算。 表 2.1 工质的主要物性参数 工质名称 密度 （ 3 /kg m） 粘性系数 （smgk） 表面张力 （mn） 相对介电常数 e 水 1000 6 1038. 1 0.599 81 氮气 1.0 5 10663. 1 1.0 描述气泡特性常用的无量纲的主要参数有 morton 数26、eotvos 数27、 reynolds 数28，密度比 21/ 和黏度比 21/ （ 3 1 4 1 / gm 32 1 /gdeo /reud ）29，下角标 1、2 分别代表气泡外部流场、 气泡内部流场特征值,根据以上物性参数计算得 武汉工程大学硕士学位论文 12 100,1000875 21210 ，e。 所谓边界条件30， 是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶 导数随地点及时间变化的规律。只有给定了合理边界条件的问题，才 可以计算得出流场的解。因此，边界条件是使 cfd 问题有定解的必 要条件，任何一个 cfd 问题都不能离开边界条件。本节将上节 2.2 中建立的计算模型导入到 fluent 中，2d 求解器中，在本节将进行 相应的设置最最后求解。fluent 模拟气泡上升过程的设置如下。 1、 求解器选择分离式求解器。其特点是顺序的，逐一的求解各个 方程（关于 u、v、w、p 和 t 方程） ，也就是在网格上解出一个 方程（如 u 动量方程）后，在解出另一个方程（v 动量方程） 。 2、 求解器采用显