（化工过程机械专业论文）气泡行为的可视化研究.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 visualization study of the bubble behavior major : chemical process equipment candidate : fu jie supervisor : wu yanyang wuhan institute of technology wuhan, hubei 430074, p. r. china may, 2012 摘 要 i 摘摘 要要 在石油化工等工业生产过程中广泛的存在着传热的问题，随着全球 能源危机的爆发，如何提高传热效率成为人们日益关注的问题。其中， ehd 沸腾强化传热正是提高传热效率的方法之一，而研究气泡的生成、 生长、脱离、上升和气泡在流体中如何运动等行为是研究 ehd 沸腾强化 传热的基础。如果能够发现影响气泡的生成、生长、脱离、上升过程因 素并加以精确的描述，对分析研究 ehd 沸腾强化传热，提高传热效率有 着重要的意义。 本文通过气泡可视化实验装置，分析了气泡周围环境对气泡的形成 和上升过程的影响，并且运用数值模拟分析沸腾传热过程中何时产生的 单个孤立的气泡。其主要工作如下： （1）通过划分网格、定义边界条件、选择合适的控制方程，建立水 箱沸腾加热的模型，结合速度分布图、蒸汽体积比例分布图、压力分布 图和温度分布图，分析沸腾传热过程中何时产生的气泡更易于对单个孤 立的气泡进行研究。 （2）设计并安装气泡可视化实验装置，通过高速摄像机观察气泡在 形成阶段和上升阶段的行为，分析了支柱高度、孔径和电压对气泡长径 比、脱离体积、脱离频率和上升速度的影响。当支柱高度一定时，随着 电压 u 增大，气泡的长径比和脱离频率增大，而气泡脱离时的体积减小。 当电压相同的时候，注入气泡的孔径越小，气泡的长径比和脱离频率越 大，而气泡脱离时的体积越小；当孔径一定时，随着电压 u 增大，气泡 的长径比和脱离频率增大，而气泡脱离时的体积减小。当电压相同的时 候，支柱高度越高，气泡脱离时的体积和脱离频率都会变大，而气泡的 长径比会变小。在气泡的上升阶段，由于气泡的体积变化的情况不规律， 本文只研究了气泡上升阶段的上升速度， 在气泡的上升阶段， 随着电压 u 增大，气泡上升的速度也相应增大。 关键词：沸腾传热 气泡形成 气泡上升 数值模拟 实验研究 武汉工程大学硕士学位论文 ii abstract iii abstract the problem of heat transfer has widely existed in the process of industrial production, such as in the petrochemical industry. with the outbreak of the global energy crisis, people pay more and more attention on how to improve the efficiency of heat transfer. among them, the ehd boiling heat transfer is one of the methods to improve the efficiency of heat transfer. but the basis of researching the ehd boiling heat transfer is to study the generation, the growth, the detachment and the rising of the bubbles, and the movement of the bubbles in the fluid. if we can find out the factors to affect the generation, the growth, the detachment and the rising of the bubbles, and give an accurate description of the factors, it will be of great significance in the research of the ehd boiling heat transfer and the efficiency of heat transfer. this article analyzes how the surrounding environment of bubbles affects the generation and the rising process of the bubbles by bubble visible experimental apparatus, and analyzes when a single isolated bubble comes out during the boiling heat transfer process by numerical simulation analysis. its main tasks are as follows: （1） to establish the model of the heating boiling water tank by meshing, defining the boundary conditions, and selecting the appropriate governing equations. and to analyze when the bubble comes out during the boiling heat transfer process by combining the velocity distribution diagram, the proportion of steam volume diagram, the pressure distribution diagram and the temperature distribution diagram, which makes it easier to study on a single isolated bubble. （2）design and install a bubble visible of experimental apparatus. to analyze how the pillar height, the pore size and the voltage affect the length-diameter ratio, the separation volume, the separation frequency and 武汉工程大学硕士学位论文 iv rising speed of the bubble by observing the formative stages and the rising phase of the bubble through a high-speed camera. when the pillar height of a certain value, the higher the voltage increases, the higher the length-diameter ratio and the separation frequency are, but the smaller the size of the bubble separates. when the voltage is the same, the smaller the pore sizes of injected bubbles, the greater the length-diameter ratio and the departure frequency of bubbles. when the voltage is the same, the higher the pillar height is, the bubble departure size and departure frequency will be larger, while the bubble aspect ratio becomes smaller. in the upward phase of the bubble, the bubble volume change is not the law; this article only studied the rise velocity of bubbles rising phase. during the upward phase of the bubble, when the voltage u increases, the bubble rising speed is also increased accordingly. keywords: boiling heat transfer bubble formation bubble rising numerical simulation experimental research 目 录 v 目 录 摘 要 . i abstract . iii 目 录 . v 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究意义 . 1 1.2 课题研究背景 . 2 1.3 气泡行为的研究方法和现状 . 6 1.3.1 理论分析 . 6 1.3.2 实验观察 . 8 1.3.3 数值模拟 . 9 1.4 本文研究的主要内容 . 10 1.5 论文组织结构 . 11 第 2 章 气泡数值模拟工具和仿真原理 . 13 2.1 气泡建模工具 . 14 2.1.1 fluent 软件介绍 . 14 2.1.2 fluent 软件包的组成 . 15 2.1.3 fluent 运用的基本方程 . 16 2.2 fluent 软件的求解过程 . 18 2.3 fluent 解决问题需要考虑的问题 . 18 2.5 多相流模型的种类 . 19 2.5.1 混合模型的概要 . 20 2.5 本章小结 . 21 第 3 章 水箱沸腾加热过程的数值模拟 . 23 3.1 水箱沸腾加热模型的建立 . 23 3.2 控制方程 . 24 武汉工程大学硕士学位论文 vi 3.3 边界条件 . 24 3.4 计算结果与分析 . 25 3.5 计算结果验证 . 28 3.6 本章小结 . 29 第 4 章 电场作用下气泡行为的实验研究 . 31 4.1 实验目的 . 31 4.2 气泡力学基础 . 31 4.2.1 只受到浮力和表面张力的情形 . 31 4.2.2 同时受到浮力、阻力、表面张力和惯性力的情形 . 32 4.2.3 作用在气泡上的电场力 . 33 4.3 实验装置 . 33 4.4 实验步骤 . 35 4.5 实验结果 . 36 4.5.1 电场作用下气泡的形态 . 36 4.5.2 气泡形成阶段的生长过程 . 36 4.5.3 形成阶段支柱高度为 140mm时的气泡行为 . 37 4.5.4 形成阶段支柱高度为 100mm时的气泡行为 . 39 4.5.5 形成阶段支柱高度为 80mm时的气泡行为 . 40 4.6 气泡上升阶段的生长过程 . 42 4.7 气泡形成阶段的实验结果分析 . 43 4.7.1 支柱高度一定时电场对气泡长径比的影响 . 43 4.7.2 支柱高度一定时电场对气泡体积的影响 . 45 4.7.3 支柱高度一定时电场对气泡脱离频率的影响 . 46 4.7.4 孔径一定时电场对气泡长径比的影响 . 48 4.7.5 孔径一定时电场对气泡体积的影响 . 49 4.7.6 孔径一定时电场对气泡脱离频率的影响 . 51 4.8 气泡上升阶段的实验结果分析 . 52 4.9 本章小结 . 54 目 录 vii 第 5 章 总结与展望 . 57 5.1 总结 . 57 5.2 展望 . 58 参考文献 . 59 攻读学位期间发表的论文 . 65 项目资助 . 67 致 谢 . 69 武汉工程大学硕士学位论文 viii 第 1 章 绪 论 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 课题研究意义 本课题来源于国家自然科学基金（项目号 50906065）电水动力 学强化沸腾传热中气泡行为的研究。本项目拟利用数值分析与实验观察 测试相结合的方法，系统研究电场下沸腾传热气泡的行为，特别是动力 学行为。主要研究内容有： （1）电场对气泡的作用机理； （2）系统阐述 ehd 沸腾传热的强化机理。 随着能源危机的爆发，全世界都将缺乏能源的问题，如何有效的利 用现有的能源将成为我们必须考虑的问题。强化传热就是一种能够有效 地提高能源利用的方法。强化传热技术可以更加有效地提高传热的效率， 减少材料的消耗，降低能源的损失。 强化传热方法分为主动强化方法和被动强化方法，其中有很多被动 强化方法都是将换热表面进行复杂的加工，从而达到提高传热效率的目 的。但是，这种方法将会提高成本，而且在换热表面进行复杂的加工还 会带来一些负面的影响，有些加工面产生污渍可能会阻碍传热，降低传 热效率。但是在流体中加入电场强化传热则不会发生以上的问题。研究 强化传热机理和相关的一些强化技术，对于节能、新能源的利用和安全 生产等均拥有重要的意义。 电场流体力学（electrohydrodynamics, 简称 ehd）强化沸腾传热能 够有效的提高传热效率，在强化传热方法中属于主动强化传热方法，这 种主动强化传热方法在传热过程中引入了电场，在这种新方法的传热过 程中，电场和流场和温度场的相互作用，能够有效的提高传热效率。这 种方法拥有提高传热效率明显、能源消耗降低、节约成本的优点。ehd 强化沸腾传热过程需要引入电场，在一定的情况下，只需要几十瓦的电 场功耗就能够明显的看到强化传热的效果，在这种情况下，电场可以明 显的提高换热系数和临界热流密度。 气泡的生成、生长、脱离、上升和气泡在流体中如何运动等行为是 决定 ehd 强化沸腾传热的重要过程，直接影响着 ehd 强化沸腾传热的 武汉工程大学硕士学位论文 2 效果。所以对气泡的行为研究也就成为研究 ehd 强化沸腾传热的基础。 为了能够更好的了解 ehd 强化沸腾传热的机理，本文对气泡的各种行为 进行了模拟和实验研究，这也是基于 ehd 强化沸腾传热基础的需要。 总的来说，在电场的作用下气泡的行为特征和运动规律将会发生改 变，从而改变了流场和热场的耦合结果，实现了沸腾强化传热。在这个 过程中气泡起着核心纽带的作用，气泡的生成、生长、脱离、上升和气 泡在流体中如何运动等行为规律的研究，成为沸腾传热技术研究的难点 和关键。 1.2 课题研究背景 现阶段我国对 ehd 沸腾强化传热技术的研究还比较少，处在起步阶 段，相比其他发达国家得到的结果还比较落后。国内外学者虽然进行了 较多的工作研究，但是限于电场下沸腾气泡行为的复杂性和研究时间较 短，目前主要理论与实验研究都很不成熟，对于 ehd 强化沸腾传热怎样 有效地提高传热效率的研究至今也没有比较明确的结论，有很多结论甚 至相互矛盾。 表 1-1 强化传热技术分类1 分类 强化技术 具体措施 被动强化/无 源技术（不需 要附加动力） 处理表面 传热表面处理，如渗层、多孔表面 粗糙表面 改变传热表面光滑度 扩展表面 增大传热面积 扰流元件 流动区域中放置扰流物 螺旋管 管内螺旋 附加物 流体区域中加入特殊的附加物 主动强化/有 源技术（需要 电磁力或机械 力的辅助） 流体脉动 利用脉动流发生装置产生脉动流体 电、 磁场强化 在高压电场的作用下，改变流体流场结构 或影响边界层 表面振动 诱导振动 机械搅动 各种结构特征的搅拌反应釜 第 1 章 绪 论 3 大部分的强化方法1由于不增加其他的动力源而受到广泛的关注， 在 实践的过程中也获得了较高的利益，但任然存在着一些不足之处：这些 方法很大程度上提高了换热器的制造成本和功耗，加工面容易产生污垢 和老化等问题，很难使用与高热流密度和换热容易恶化的场合，不能满 足工业生产的需要。 人们很早就发现并开始研究 ehd 强化沸腾传热现象，早在 1916 年 英国学者 chubb2- 3就发现了在流场中引入电场会强化传热， 在他的实验 中有电场的情况下比没电场作用时水的蒸发速度增加了几倍。但是在之 后的 30 年内由于科技水平不高和节能技术需求不足的影响，该技术没有 受到足够的重视以至于没有进一步的发展。只有到了上世纪六十年代能 源危机爆发之后，该技术才有学者进行进一步的研究。 大多数学者最先开始主要针对 ehd 对传热过程强化的效果进行研 究。 1987 年 allen 和 cooper4- 5对水平低肋管 r114 管外沸腾传热进行试 验，试验的结果显示在加入电场的情况下换热系数可以增加 60 倍。在之 后的十几年中，全世界很多学者也进行了一系列类似的研究，取得的结 果大体上相同。这些研究结果表明 ehd 强化沸腾传热的效果非常明显， 极大的提高了研究人员信心，使得更多的学者开始留意 ehd 强化沸腾传 热。 近期的研究重点已经由证明 ehd 强化沸腾传热的效果转变到探索 ehd 强化沸腾传热的机理，同时也将理论基础分析与实验研究相结合。 目前的科研结论认为6- 7：ehd 强化沸腾传热的效果非常明显，其主要 原因是由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， 这也让更多的学者认识到， 要想更好的探索 ehd 强化沸腾传热的机理，对电场作用下气泡行为的研究就成为的重点。但 是由于气泡的行为存在着随机性、过程的复杂性和实验条件的差异性， 到目前为止电场下气泡行为的研究也相当有限，主要以实验研究为主。 要进行电场下沸腾气泡行为的研究，就必须先明确气泡周围的电场。 1993 年-1998 年 ogata、cho8- 12分别对均匀电场下壁面上单个气泡进行 了理论与实验研究，结果表明，气泡表面场强呈现非均匀分布，使得气 武汉工程大学硕士学位论文 4 泡表面张力不均匀，气泡沿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 karayiannis13- 14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、顶部以及与壁 面接触底部场强降低，气泡内部场强不为零且增强。目前，对于单个孤 立的气泡，外加电场为均匀电场时，大多数学者得到的结论基本一致。 但是，ehd 强化沸腾传热技术主要研究非均匀电场作用下多个气泡的行 为，而在这方面，国内外的研究才刚刚起步，得到的结论也比较少。 不同的工质对气泡行为的影响也不相同，当工质一定时，电场作用 下气泡的行为除了受到温度的影响，主要由气泡受力的情况决定。1958 年 pohl15研究指出，在电场中会产生一种介电电泳力，这种力是由于介 质周围电场中介电常数的空间变化而产生的。 1999 年 lee 和 kang16根据 电场力传递概念，得到了用 maxwell 点应力张量 e t表述的电场力关系式 e f；根据该关系式可知，气泡总由高电场向低电场方向运动，气泡的受 力方向与电场强度方法相同。对于气泡受浮力、压力、阻力以及惯性力 等其他受力分析，目前分析研究一般不考虑多场间的动态耦合过程，在 准稳态下采用相关理论的数学表达式进行描述，有时甚至通过假定忽略 掉部分力，如 karayiannis13- 14在 1998 年的论文中指出，气泡主要受浮 力、电场力、惯性力、阻力和液体压力可以忽略。 气泡行为研究的重要内容包括气泡的大小、形状、接触角、表面张 力等。哈恩17在论文中阐述，电场下气泡被电场沿电场方向被拉长，变 形量随电场强度增加而增加；lee、ogata 和 cho9- 12等对电场下气泡形 状进行试验研究和数值模拟研究后，得出了相近的结论。rehsenow18研 究指出，气液界面张力决定气泡生长所需要的过热度。cho19数值模拟指 出电场作用下气泡接触角和表面张力变化后发现，接触角半径不变时， 接触角随场强增加而增大，ogata19认为这个结论正好解释了点才能在低 过热度下产生强烈沸腾现象。 近几十年人们开始重视气泡动力学，气泡动力学研究的内容主要包 括气泡脱离频率和气泡脱离直径两个方面，它是研究 ehd 强化沸腾传热 机理的有效方法和理论基础。 第 1 章 绪 论 5 通过分析气泡脱离时受力，并且计算气泡脱离时的气泡脱离直径和 体积，是当前学者用的研究思路。1935 年 fritz20等假定气泡脱离时表面 张力和浮升力平衡，由此得到了著名的 fritz 公式，该公式常压下计算结 果与实验温和较好，但是高低压下与实验不符。cole20通过低压条件气 泡生长和脱离系列实验，在 fritz 公式基础上，依据实验数据和定义相关 联 jakob 数， 得到新的拟合关系式， 该式后来得到广泛的引用， 不足的是， 拟合常数 c 对于水与有机物需分别取值是的倪拟合式仍是经验关系式， 此外，拟合关系式物理意义不明确，且无法完全解释影响气泡脱离直径 的一些因数。 fritz 公式基于气泡表面张力与浮升力平衡的静力学分析得到，实际 上气泡还受到阻力、 惯性力等作用 （电场作用下还受到电场力） ， 所以 fritz 公式也受到广泛的质疑。1993 年 zeng21指出，气泡受到的浮力和作用在 气泡上的生长力决定了气泡的上升和分离，此时气泡受到的其他力可以 忽略， 据此 zeng 得到了气泡生长经验关系和气泡分离直径表达式， zeng21 还通过对比大量实验数据，证明该式优越于其他拟合式，但是该式需要 预知气泡生长常数和生长指数，应用范围受到限制。气泡脱离直径的拟 合关系式至今仍未统一，每个学者的结论都具有各自的局限性。 电场下气泡脱离直径的研究目前只有少量的实验研究。2001 年 di marco22- 24等实验观察发现，电压增加使气泡脱离直径变小，脱离频率 增加；电场对气泡脱离直径和体积的影响同样存在于微重力场下，在微 重力场下，气泡的体积随着电压的增加而变小，当电压超过一定值时， 气泡脱离直径几乎没有太大的变化。 总的来说，ehd 强化沸腾传热技术的理论还不够完备，大多数学者 得到的结果还不能统一，直到现在仍然存在以下几点不足之处： （1） ehd 强化沸腾传热研究时间较短， 理论研究和系统实验研究较 少，很多实验现象目前无法解释； （2）当前研究结论对电场强化沸腾传热的机理解释没有定论，甚至 存在着相互矛盾； （3）气泡行为研究对掌握 ehd 沸腾传热强化机理至关重要，当前 武汉工程大学硕士学位论文 6 研究成果很少且主要是非电场下得到，现有关联式电场下是否适用正处 在探索阶段； （4）电场、流场、热场直接相关联的控制方程组，目前只能用于分 析非常简单的流动传热问题，还未见可用于电场下气液两相流传热分析 的数学模型，有待发展完善新的物理和数学方法来解决这个问题； （5）如何根据工质特性，合理选择并建立描述气泡行为的数学模型 目前还不清楚； （6）目前针对气泡的受力分析以静力学分析为主； （7） 电场、 热场和流场等多特征参数变化的综合作用机理研究很少。 综合分析国内外大多数学者研究的成果及存在的不足，ehd 强化沸 腾传热技术的研究工作将会主要由如下几个发展方向： （1）沸腾气泡数学模型的研究； （2）电场、流场、热场三场关联控制方程组求解的新数学和物理方 法研究； （3）电场下沸腾气泡行为的研究； （4）多因数作用传热过程的关联性实验研究； （5）ehd 强化沸腾传热过程中气泡动力学分析； （6）分析和明确 ehd 沸腾传热强化原理。 1.3 气泡行为的研究方法和现状 在我们的工业生产和日常生活中都广泛存在着气泡的形成过程，气 泡的形成过程往往也伴随着相变的过程，由于研究气泡的形成及运动过 程是探索 ehd 强化沸腾传热的基础，很多科学家和学者在过去的几十年 里利用理论分析、实验观察、数值模拟等方法研究这一过程。 1.3.1 理论分析 理论分析是实验观察和数值模拟的基础，是一种最基础等分析方法。 研究气泡的形成和生长过程属于两相流问题，气相（气泡）具有离散性 （不满足连续介质假定）和随机性（计算区域和边界条件无法给出） ，气 第 1 章 绪 论 7 泡生成和运动的过程中也容易诱导液相产生二次流，是的气液两相流场 更加复杂，多场间的动态耦合机理比较复杂至今仍然不清晰。但是只要 抓只主要矛盾和适当的假设基础进行理论分析，对于求解和指导实验观 察和数值模拟还是拥有重大的意义。 1996 年李端阳25对 ehd 强化传热机理进行了理论分析， 结论认为电 场作用下流体的受力情况相当复杂，对不同的传热方式，流体的受力情 况及对 ehd 强化传热的影响各不相同。电荷松弛时间和自由电荷是影响 ehd 强化传热的重要因数。 1935 年 fritz20假定气泡脱离时的表面张力和浮升力平衡，由此得到 著名的 fritz 公式： 1 0.0208 () b v d g （1.1） 随后 cole 在 fritz 的基础上得到新的拟合关系式。之后 mcfadden 和 grassmann26根据量纲分析得到关联式 1 2 0.56 b fdg，cole 指出依据 fritz 公式和 1 () gw f 可以直接 mcfadden 给出的关系式。ivey 通过大量的实 验和理论分析之后指出，气泡的脱离直径与频率间的关系应该跟气泡生 长阶段不同而划分水动力区 1 2 0.90 b fdg，过渡区 3 2 0.44 b fdg，热动力区 2 b fdc（c 为常数） 。 2001 年同济大学的安恩科等人27对 ehd 沸腾强化传热的模型进行 了理论研究，在研究 ehd 沸腾强化换热理论的同时，结合不同工质不同 电场的作用下沸腾换热的大量实验数据，提出了 ehd 沸腾强化传热的模 型。 2001 年董超等人28对 ehd 强化传热研究中的重要问题电场特 性的影响规律进行了理论分析。结论表明 ehd 沸腾强化传热的原理非常 复杂，从沸腾强化传热的原理上看，这是由于在传热过程中存在着复杂 的电场与流场、温度场之间的相互作用。同时由于加入了电场，电场力 也是影响 ehd 沸腾强化传热过程的因素之一，所以，要想明确 ehd 沸 腾强化传热过程的机理就必须研究电场的特性。 清华大学的杨志强等人29研究了玻璃液连续鼓泡时气泡形成的机 武汉工程大学硕士学位论文 8 理，该文提出气泡在玻璃液中形成的三阶段模型：孕育阶段，长大阶段 和脱离阶段，提出孕育阶段，气体压力有一个积聚的过程，达到毛吸压 力才能成为气泡，并且通过气体压力方程解释了孕育阶段时间与压力的 关系。 1.3.2 实验观察 实验研究方式是研究气泡行为最直观的重要方法。实验观察可以为 理论分析和数值模拟提供对比和依据，它的优点在于观察得到的结果准 确，可靠度高。对于观察 ehd 强化沸腾传热中的气泡行为，目前主要采 用鼓泡实验法和直接加热法生产气泡进行实验。 2000 年 danti30和 2001 年 di marco22分别采用高速摄影光学系统进 行电场下水平管外沸腾实验研究，发现气泡上升速度随电压增加而增大， 上升速度在 18kv 电压处出现峰值 0.22m/s，距离壁面垂直距离 2mm 以内 气泡加速运动，随后气泡速度逐渐减小，当距离大于 3mm 时，上升速度 缓慢并趋于不变。 清华大学的王铁峰，王金福等人31通过新型的光纤探针研究了气泡 群的分布和速度等规律，实验的结果说明，气泡上升速度在径向上的分 布是因为液相的气含率、上升速度和气泡体积在径向的分布，与边界区 域相比，中心区域的气泡的上升速度较大并且分散性较小，同时观测了 边界区域漩涡的产生和对气泡运动的影响。加拿大麦克马斯特大学的 shouki 等人32通过双光纤探针测量了气体体积分数、气泡大小、气泡上 升速度、气泡形成频率等。 清华大学的陈凤，彭耀等人33对电场作用下的单气泡进行了可视化 实验，结果表明外加电场对静止液体中的注入气泡具有明显的作用力， 该力导致气泡的伸长变形，减小了气泡脱离壁面的等效体积，缩短了气 泡的脱离周期。 2003 年西安交通大学的李小明等人34进行了气泡在不同液体中上升 速度的实验研究。结论表明， 2 co泡沫压裂液存在着剪切稀化性质，当剪 切速率、温度的增高时，泡沫压裂液的粘度将会减小，而当压力和泡沫 第 1 章 绪 论 9 的质量增大时，泡沫压裂液的粘度将会增大。 天津大学的王红一35设计了可视化垂直管道实验装置，并通过高速 摄像机采集实验数据，通过对图像去噪、图像填充等图像处理算法获得 了气泡面积、周长、当量直径等特征参数和上升气泡的运动轨迹、速度、 加速度曲线、分析了分离频率、气孔直径等因数对气泡上升的影响。 1.3.3 数值模拟 通过理论数值模型的建立，数值计算研究及气泡动力学方面的理论 与实验研究，深入探讨 ehd 强化沸腾传热中的气泡行为特点。通过对沸 腾池结构特征尺寸。外界条件等参数的提取，对气液两相在准稳态下地 理论分析，建立合适的理论数值模型采用有限差分法对控制方程及边界 条件进行离散处理后，以时间为步长进行大量迭代计算和修正优化，从 而数值模拟非稳态的二相流运动规律，最终得到结果。 西安交通大学的王焕然等人36对两个相互作用的气泡运动进行了直 接数值模拟。结论表明，当两个气泡垂直上升的时，由于尾随气泡沿着 前面的气泡轨迹运动，随意尾随气泡会受到一个牵引力，从而产生加速 度，直到尾随气泡有大部分投影面积进入前面的气泡，将会发生气泡合 并的现象。当两个体积相同的气泡处于同一高度上升时，由于尾流区被 流体流动分隔开，所以不会发生气泡合并现象。由于气泡对存在相互作 用，两个气泡的上升过程会沿着两条弧线上升，由靠近到分离到再靠近。 但是当两个体积不相同的气泡处于同一高度上升时，两个气泡的上升速 度的将会不同，这时两个气泡的运动就会和两个气泡垂直上升的时的运 动相同，也会出现气泡的合并。 2008 年清华大学的陈凤等人37对电场作用下单气泡的行为进行了数 值模拟，结果说明在电场的作用下，气泡脱离壁面的时间变短。气泡在 电场作用下产生明显的变形，表现为沿着电场方向气泡受到拉伸，而平 行于电场方向的气泡受到压缩，从而造成气泡长径比增大。电场使气泡 内部的流动发生明显变化，只要表现为随电场的增加，气泡内部气流流 速加快，气泡内部涡数增多。 武汉工程大学硕士学位论文 10 2000 年 zaghdoudi 等人38实质模拟气泡在均匀电场等温液体中的形 状与运动，结果发现，气泡被沿电场方向变长。ogata 等人12采用数值计 算方法对传热面上单个气泡受电应力水平分力是垂直分力约 4 倍。 jm.van bat