微通道内气液两相流及气泡生成与破裂行为研究

论文摘要

气泡的动力学特性研究是气液两相流中的最为基础的研究内容,随着微流控技术在各个领域内的日渐广泛的应用,对于微通道内的气泡行为研究的价值和意义也越来越重大,本文中通过使用VOF方法以及FTM方法对非等宽Y型分岔微通道内气泡的生成过程、破裂行为以及上升过程中气泡间的相互作用进行了模拟研究。首先,建立了二维的非等宽Y型分岔微通道的物理模型,研究了在二维模拟条件下气泡的生成过程以及在分岔口处的破裂行为,将模拟的结果与已有的实验结果进行比较,从而验证了模型的正确性和方法的有效性。对Squeezing机制和Shearing机制两种气泡生成机制下气泡生成过程中各阶段的特点、通道内的压力变化以及壁面润湿性影响等因素进行了对比分析,发现Squeezing机制下的气泡生成过程是由于连续相的挤压作用主导,而Shearing机制下的气泡生成则是由于连续相的剪切作用,Shearing机制下气泡生成过程中通道中心线位置的压降更大,但这种机制下的气泡生成过程受壁面润湿性的影响较小,壁面润湿性对Squeezing机制下的气泡生成有着更明显的影响,随着接触角的增大,生成气泡的长度呈现出凹函数的变化趋势;在对分岔口处气泡的破裂行为进行研究时,重点关注了最小颈部宽度的变化规律,并对慢速挤压过程中最小颈部宽度随时间的变化进行了线性拟合,相关度较高。然后,建立了三维的非等宽Y型分岔微通道的物理模型,在二维模拟研究的基础上,对比分析了不同计算维度对同一模拟过程产生的影响,研究发现,二维模拟中气泡的生成过程以及破裂时间均滞后于三维模拟中的同等情形,气泡的周期也相应增大,与其他学者在研究中得到的结论是一致的。并且充分利用了三维模型在直观展现物理过程上的优势,弥补了二维模拟研究无法处理空间维度问题的缺失,对不同影响因素下横截面上气相占比的变化规律进行了总结,发现当液相流体的速度大于气相流体的速度时,随着气相流体与液相流体速度比的减小,横截面上气相所占的比例也逐渐减小,横截面上的气相分布为八边形,在通道四周的角落里有液相流体的流入,在气相流体与通道壁面之间形成了液膜,液膜的存在使得气泡能够以大于液相流体的速度在通道内运动产生速度滑移的现象,随着气泡运动速度的增大,速度滑移增大,此时横截面上气相的占比减小。最后,使用FTM的方法模拟了四种不同初始形状的两个气泡的上升过程,对比分析了速度和压力分布的不同,发现两个气泡的初始形状对其上升运动过程中的速度和发生的形变程度都有影响,圆形气泡在上升过程中的速度比椭圆形气泡小,在运动过程中,上部气泡的形变程度比下部气泡大,但下部气泡由于上部气泡的尾流作用拥有更大的速度;上部气泡逐渐变为帽形的同时下部气泡逐渐变为弹状,由于两个气泡之间低压区的存在,在压力差的作用下,上下的两个气泡聚合成新气泡。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 引言
•   1.1 研究背景及研究意义
•   1.2 微通道内气液两相流的研究现状
•   1.3 微通道内气泡生成及破裂行为研究
•   1.4 气泡运动特性研究现状
•   1.5 本文主要研究内容
• 第2章 CFD数值模拟理论
•   2.1 CFD概述
•   2.2 CFD数学模型
•     2.2.1 流体动力学控制方程
•     2.2.2 VOF方法
•   2.3 CFD计算过程
•     2.3.1 Fluent总体计算流程
•     2.3.2 CFD的前处理过程
•     2.3.3 后处理过程
• 第3章 非等宽Y型分岔微通道内气泡生成与破裂行为2D数值模拟
•   3.1 数值模型和数值计算方法
•     3.1.1 控制方程
•     3.1.2 数值模型
•     3.1.3 初始条件及边界条件
•     3.1.4 基本假设
•   3.2 计算模型和网格敏感度分析
•     3.2.1 计算模型
•     3.2.2 网格划分
•   3.3 模型及方法验证
•   3.4 不同生成机制对微通道内气泡生成过程的影响
•     3.4.1 两种气泡生成机制
•     3.4.2 Squeezing机制下气泡生成过程相图
•     3.4.3 Squeezing机制下气泡生成过程的速度场变化
•     3.4.4 Squeezing机制下气泡生成过程中监测点F的速度变化
•     3.4.5 Squeezing机制下气泡生成过程的压力云图与流线图
•     3.4.6 Squeezing机制下气泡生成过程通道中心线压力变化
•     3.4.7 Squeezing机制下气泡生成过程气液相入口压力变化
•     3.4.8 Shearing机制下气泡生成过程速度矢量图
•     3.4.9 Shearing机制下气泡生成过程通道中心线压力变化
•   3.5 微通道壁面润湿性对气泡生成过程的影响
•     3.5.1 流体动力学控制方程
•     3.5.2 不同接触角对生成气泡长度的影响
•   3.6 毛细数对无量纲气泡长度的影响
•   3.7 气液相速度比对无量纲气泡长度的影响
•   3.8 完全阻塞气泡在非等宽Y型分岔处的破裂行为研究
•     3.8.1 气泡破裂过程相图
•     3.8.2 计算模型
•     3.8.3 气泡破裂过程矢量图
•     3.8.4 气泡破裂过程气液相入口监测点处压力变化
•     3.8.5 壁面润湿性对气泡破裂时间的影响
•   3.9 本章小结
• 第4章 非等宽Y型分岔微通道内气泡生成与破裂行为3D数值模拟
•   4.1 物理模型
•   4.2 网格划分
•   4.3 数学模型
•     4.3.1 控制方程
•     4.3.2 初始条件及边界条件
•   4.4 三维微通道内完全阻塞气泡生成过程
•     4.4.1 完全阻塞气泡生成过程相图
•     4.4.2 2D与3D模拟条件下气泡稳定生成对比
•   4.5 三维微通道内完全阻塞气泡破裂行为
•     4.5.1 气泡破裂过程相图
•     4.5.2 破裂前分岔口处气泡行为研究
•     4.5.3 气泡破裂前后的形变及与子气泡长度的关系
•   4.6 横截面气相占比研究
•     4.6.1 壁面润湿性的影响
•     4.6.2 破裂前分岔口处气泡行为研究
•   4.7 空隙率研究
•   4.8 本章小结
• 第5章 基于FTM的两个同轴气泡上升运动模拟研究
•   5.1 物理模型
•   5.2 数值方法
•     5.2.1 控制方程
•     5.2.2 FTM方法
•   5.3 初始条件及边界条件
•   5.4 基本假设
•   5.5 模型验证
•   5.6 四种模拟情况下上升过程中的速度研究
•   5.7 四种模拟情况下气泡的纵横比变化
•   5.8 四种模拟情况下的压力分布和流线变化
•   5.9 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 存在的问题及未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 潘雁妮

导师: 张莹,王伟

关键词: 微通道,气液两相流,气泡行为

来源: 南昌大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 南昌大学

分类号: O359.1

DOI: 10.27232/d.cnki.gnchu.2019.001017

总页数: 92

文件大小: 4416K

下载量: 259