【期刊信息】

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刊名:水动力学研究与进展
主办:中国船舶科学研究中心
ISSN:1001-6058
CN:31-1563/T
语言:中文
周期:双月刊
被引频次:9745
数据库收录:
CSCD中国科学引文库(2017-2018);期刊分类:水利建筑

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雷诺数和界面污染程度对气泡水动力学特性的影(2)

来源:水动力学研究与进展 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2021-07-12

作者:网站采编

关键词:

【摘要】1.3 计算区域和控制方程 鉴于20≤Reb≤200时,流场呈轴对称结构[13,17-18],为了节省计算时间,采用二维轴对称模型进行计算,具体计算区域如图2所示。计算

1.3 计算区域和控制方程

鉴于20≤Reb≤200时,流场呈轴对称结构[13,17-18],为了节省计算时间,采用二维轴对称模型进行计算,具体计算区域如图2所示。计算时,根据运动的相对性,假设直径为d的气泡静止不动,而液相以恒速u流过气泡表面。为了减少计算量、捕捉完整的尾涡结构,和避免进出口及壁面条件对计算结果的影响,参考文献[19-20],设置液相进口AB距气泡中心为5d、出口CD距气泡中心为12d,壁面BC距气泡中心为7d,AD为对称轴。

注:d为气泡直径,u为来流速度,us为界面切向速度,τw为界面切应力;θ为帽角。Note: d is the bubble diameter, u is the inflow velocity, us is the tangential velocity of interface, τw is the shear stress of interface, and θis the cap angle.图2 计算区域Fig.2 Computational domain

考虑气液两相的不可压缩性,其连续性方程和动量方程分别为

(1)

式中u为速度,m/s;p为压力,Pa;t为时间,s;为哈密顿算子,, i、j和k分别为x、y和z方向的单位矢量。

1.4 网格划分和数值方法

整个计算区域采用四边形网格进行网格划分,为了减少计算量和捕捉气泡附近边界层的流动结构,采用非均匀网格进行网格划分,即越靠气泡表面,网格越密。另外,因气泡界面环向网格数对计算结果具有重要影响,为此对环向网格的无关性进行了检验。由于Reb越大,所需的环向网格越密集,因此检验时取Reb=200。计算表明(如图3a所示),当气泡界面环向网格数为288时,干净气泡(θ=0)与完全污染气泡(θ=180°)的阻力系数(CD)不再随网格的增加而发生变化,因此将气泡界面沿环向均匀划分为288份。

图3中涉及的阻力系数由式(3)求得。

(3)

式中FD为阻力,N;FDτ为黏性力,N;FDP为压力梯度力,N;τx为气泡表面切应力的流向分量,Pa;s为气泡表面积,m2;nx为气泡表面单位法向量的流向分量。

计算时,考虑了时间变化对流动的影响。对流项采用三阶精度的QUICK格式进行离散,以减小伪扩散;单元中心的变量梯度采用最小二乘法求解,压力项采用二阶精度的离散格式;时间项采用二阶隐式离散格式,根据文献[12],时间步长设置为0.005 s;速度和压力项采用SIMPLE算法给予耦合。为了获得完全收敛的速度和压力场,连续性方程和动量方程的残差设为10-16。

注:CD为阻力系数,Reb为气泡雷诺数,ε为计算误差。Note: CD is the drag coefficient, Reb the bubble Reynolds number, and ε the computational error.图3 网格无关性与结果准确性检验Fig.3 Grid independent and results accuracy tests

2 结果与分析

2.1 结果准确性验证

为了检验计算结果的准确性,将不同Reb下干净气泡和完全污染气泡阻力系数的计算结果与文献[21]和[22]中基于试验数据的拟合式进行了对比,如图3b所示。对于干净气泡和完全污染气泡(刚性颗粒)阻力系数的拟合式如下

(5)

从图3b中可以看出,计算结果与试验拟合式基本吻合。对于完全污染气泡,CD计算值与试验拟合式的误差ε<2%;对于干净气泡,由于忽略了气泡内部的流动,导致二者间的误差略大,但误差最大值εmax≈13%。可见,目前的计算结果是准确可信的。

2.2 气泡雷诺数和界面污染程度对界面参数的影响

首先分析气泡雷诺数(Reb)和界面污染程度(θ)对气泡界面物理量的影响,如图4a-图4d所示。图4a给出了Reb和θ对气泡界面切向速度(us)的影响。从图4a中可以看出,在目前研究的Reb范围内,Reb对us随α的变化趋势几乎没有影响。也就是说,当界面污染程度(θ)相同而气泡雷诺数不同时,us随α的变化趋势是相似的,仅存在数值上的差异;气泡雷诺数越大,us的值越大。此外,图4a还表明,界面污染程度(θ)对us有极大的影响。对于干净气泡(θ=0),除了前后2个驻点外,us均不为0,即整个气泡界面几乎均可滑移,且越靠近气泡赤道(α≈80°),us的值越大;随着界面污染程度(θ)的增加,us的最大值随之减小,且us不为0的区域范围也随之减小,即气泡流动界面的范围在不断减小。当气泡界面被完全污染后(θ=180°),界面上的us均为0,整个界面完全不能滑移。值得注意的是,当气泡界面污染程度增加到一定程度,即θ>45°时,因流场中速度变化的连续性,气泡尾部的阻滞效应逐渐影响到了最大对流位置(α≈80°),致使us的最大值下降明显,且其所对应的界面位置也发生了明显的前移(即α减小)。上述现象表明,气泡尾部界面受污染后,局部界面流动性的减小会严重影响气泡前部界面的流动特征。


文章来源:《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0712/631.html


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