摘要
流体中气泡的演变机制一直是流体力学领域研究的热点。在传统表征手段受限时,数值模拟通过构建模型，求解方程，实时监测实验中难以准确测量的参数，用于分析机理，从而指导或弥补实验的不足，进而有效辅助实验和研究。本文基于数值模拟技术,对水中气泡的行为进行了研究。模型集合了流场、相场、相质量传递以及相界面变化等要点，对气泡的行为、速度、稳定性、形状变化以及体系流场等关键参数进行了监测和分析，探究了气泡行为的机理和各参数间的相互作用规律。主要研究内容如下: 一、气泡运动部分 建立了气泡运动模型，可对不同性质气液体系中气泡的行为进行预测。通过改变气泡半径和通道宽度，探究气泡在上升过程中行为和稳定性的变化规律。结果表明:气泡顶部和底部上升速度的不同导致了气泡的变形，其根本为流场对气泡的作用。气泡变形程度过大会导致速度矢量对气泡断裂位置进行切割，使气泡发生分散。通道界面通过降低气泡运动速度和稳定气泡形状来提高气泡稳定性。随气泡半径和通道宽度的增大，气泡在上升过程中的稳定性降低。气泡的临界分散半径约为5mm,通道界面对气泡的最大作用距离约为十倍气泡半径。 二、气泡碰撞部分 建立了气泡碰撞和界面破碎气泡模型，可对气泡在碰撞过程中发生的行为及碰撞后的形状和大小进行预测，还可对界面对气泡的破碎过程进行模拟从而得到子气泡的大小和形状分布情况。引入相关参数对气泡大小、形状和行为进行描述，通过改变碰撞前气泡半径、界面形状和润湿角，对气泡在碰撞过程中的行为、流场特点以及子气泡分布进行探究。结果表明:流场的变化导致气泡变形，气泡的变形也会反过来影响流场的变化。碰撞后气泡形状随碰撞前气泡半径的不同呈明显的区域分布。润湿角对破碎能力的影响较弱，界面形状对气泡破碎的作用影响较为明显。三种界面中，倾斜界面对气泡的破碎能力最弱;尖刺界面的破碎效率最高，但可控性较差;弯曲界面破碎气泡的过程稳定,且子气泡体积可控。 三、气泡生成部分 建立了T型通道内气泡生成模型，可对生成气泡的形状和大小进行预测。通过改变T型通道角度，分析气泡生成基本原理，对气泡生成过程和流场特征进行探究。结果表明:气体流入角度对生成气泡的大小和形状有重要影响。随通道角度的减小，生成气泡体积增大、稳定性下降、膨胀时间减小、稳定所需时间变长。较小的通道角度利于快速生成大量气泡。当通道角度较大时，生成气泡的体积较小;通道角度适中时，可在短时间内生成大量稳定气泡。
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