液体通流微小槽道内气泡动力学行为模拟_周吉
毛细管内气液Taylor流动的气泡及阻力特性
毛细管内气液Taylor流动的气泡及阻力特性张井志;李蔚【摘要】In order to obtain the frictional characteristics of fully developed Taylor flow in the vertical capillary tube, numerical simulations of the flow in the capillary tube with diameter of 2 mm were conducted by using the moving frame reference method. The shape, rising velocity of Taylor bubble, liquid film thickness and pressure drop were obtained using two different working fluids and analyzed. Simulation results showed that the length of Taylor bubble and the radius of curvature increased with increasing two-phase superficial velocity Vtp. The length of Taylor bubble also increased with increasing gas void ξg, while the nose and tail of Taylor bubble were independent ofξg. Dimensionless thickness of liquid film and rising velocity of Taylor bubbles were proportional to capillary number Ca. Friction factor fc decreased with increasing Vtp andξg. The fc of Taylor flow with N2/(CH2OH)2 as working fluid was lower than that of single phase with the same Vtp, while the fc for N2/H2O was higher than that of single phase. The model proposed by Lockhart and Martinelli, and the flow pattern dependent model proposed by Kreutzer et al. could predict the pressure drop obtained from simulation with an error of ±10%. The Chisholm number C=5 which was recommended for conventional tube when both phases were laminar was also reasonable for the capillary tube in the simulation work.%采用相对坐标系方法，研究毛细管（d=2mm）内充分发展垂直上升气液 Taylor 流动，分析两种工作介质下Taylor气泡的形状、上升速度、液膜厚度以及压降特性。
管型混合澄清槽内的液-液两相流的数值模拟
energy of the fluid is higher. The mixing performance can be improved by reducing d32 of dispersed phase and oilwater ratio of feed. In the tubular settler, increasing the dispersed phase d32 and reducing the feed oil-water ratio
Manufacture, Chinese Academy of Sciences , Beijing 100190, China; 3 Institute of Rare Earths, Chinese Academy of Sciences,
Ganzhou 341000, Jiangxi, China; 4 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
体的湍动能更大，搅拌性能更好。在混合室中，降低分散相 d32 和进料油水比能够提高混合性能。在澄清室中，
提高分散相 d32 和降低进料油水比能够提高澄清性能，入口挡板能够有效提高澄清性能。
关键词： 数值模拟；计算流体力学；萃取；两相流
中图分类号：TQ 027.2；TQ 028.4
文献标志码：A
文章编号： 0438-1157 （2021） 04-1965-10
室和澄清室进行数值模拟，系统地探究了分散相液滴尺寸 （d32 = 100~500 μm）、进料油水比 （O∶A = 1∶1~1∶5）、
脉动热管计算流体力学模型与研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 8 期脉动热管计算流体力学模型与研究进展卜治丞，焦波，林海花，孙洪源（山东交通学院船舶与港口工程学院，山东 威海 264200）摘要：脉动热管利用工质的潜热和显热实现高效的热传递，过程中伴随气液塞强烈的往复振荡，流动与传热现象极其复杂。
利用计算流体力学模拟可以获得管内气液界面形态、流型转换及振荡压降等重要信息。
本文对公开发表的相关研究进行了综述，介绍各个模型的主要公式、数值模拟的求解方法、优势和现有的局限性，总结现有模拟研究开展的主要工作和结论。
通过分析发现了目前存在的问题：相变模型中蒸发、冷凝系数的确定仍未有明确的理论依据；二维模型中管径的确定方法还未形成共识；将气-液-固三相流动的颗粒流体简化为均质流体。
基于上述问题，本文提出了利用计算流体力学模拟脉动热管后续的研究方向。
关键词：脉动热管；计算流体力学；气液两相流；相变；传热中图分类号：TK172.4；TQ021 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）08-4167-15Review on computational fluid dynamics (CFD) simulation and advancesin pulsating heat pipesBU Zhicheng ，JIAO Bo ，LIN Haihua ，SUN Hongyuan(Naval Architecture and Port Engineering College, Shandong Jiaotong University, Weihai 264200, Shandong, China)Abstract: The pulsating heat pipe (PHP) realizes efficient heat transfer through latent and sensible heat of the working fluid. Due to the strong reciprocating oscillation of the gas and liquid plug, the flow and heat transfer mechanisms are extremely complex. Computational fluid dynamics (CFD) simulation on PHPs can provide important information, such as gas-liquid interface shape, flow pattern transition, oscillating pressure drops, etc . Thus, the published CFD simulations on PHPs are reviewed in this paper. The main formulas, numerical simulation methods, advantages and limitations are introduced, and the available simulation research and conclusions are summarized. The analysis reveals some issues to be solved: there is no definite theoretical basis for the choosing of evaporation and condensation coefficients in phase change model; an agreement on the determination of pipe diameter in two-dimensional model has not been reached; the particle fluid of gas-liquid-solid three-phase flow is simplified into the homogeneous fluid. Based on the above problems, further research directions for using CFD to simulate PHPs are proposed.Keywords: pulstating heat pipe; computational fluid dynamics; gas-liquid flow; phase change; heat transfer综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-1771收稿日期：2022-09-22；修改稿日期：2023-01-15。
液体流动中的气泡动力学行为研究
液体流动中的气泡动力学行为研究在液体流动中存在气泡的行为是一个复杂而又重要的研究课题，涉及到流体力学、气体动力学以及多相流动等多个学科领域。
气泡在流动中的运动和变形对于许多工业过程和自然现象都具有重要的影响。
本文将对液体流动中的气泡动力学行为进行深入研究，从气泡的生成、运动、变形以及与周围流体的相互作用等方面进行探讨。
一、气泡的生成与运动液体中的气泡通常是通过物质的释放或者通过温度、压力等条件的变化而形成的。
在液体中存在着各种各样的气泡生成机制，例如核化、溶解和气体扩散等。
这些机制会导致气泡的大小、形态和数量上的差异。
当气泡生成后，它将随着液体流动而运动。
在流体中，气泡的运动受到流体的阻力和浮力的共同作用。
当流体速度较小时，气泡通常是以几何平衡的形态运动，而当速度增大时，流体的惯性力将会对气泡的运动产生明显影响。
二、气泡的变形与破裂在液体流动中，气泡的变形是一个重要的研究课题。
气泡的变形受到周围流体的剪切力和压力梯度的共同作用。
当气泡在流动中受到剪切力时，其形状将会发生变化，常见的形态包括球形、卵形和薄膜形等。
当气泡的变形达到一定程度时，它可能会发生破裂。
气泡的破裂可以产生剧烈的液体动力学现象，如涡旋、冲击波等。
破裂行为对于气泡运动和周围流体的扰动有着重要的影响，因此对气泡的破裂行为进行研究具有重要的理论和实际价值。
三、气泡与周围流体的相互作用在液体流动中，气泡与周围流体之间存在着复杂的相互作用。
当气泡与流体接触时，会产生接触线，这一接触线的形状和长度对气泡的稳定性和运动有着重要的影响。
同时，气泡与周围流体之间的质量传递、热传递和动量传递等过程也会对气泡的行为产生重要影响。
气泡的运动和变形还会对周围流体产生扰动。
这些扰动可以影响流体的速度场和压力场，从而改变流动的结构和特性。
因此，对气泡与周围流体的相互作用进行研究不仅有助于理解气泡的行为，也对于探索流体流动的机制有着重要的意义。
结论液体流动中的气泡动力学行为是一个复杂而又具有重要意义的研究领域。
液体通流微小槽道内气泡动力学行为模拟
ａ ｄ ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｉｅ ｔ ｅ ｄ ｎ ｍｉｓｏ ａ ｕ ｂｅ Ｓ ｂ ｅ ｔｄ ｔ ｔｒｆｏ ｉ ｅｍ ｓ ｏ ｅ ａ ｔ ｒ ｏｕ ， ｎ ｏ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｈ ｙ ａ ｃ ｆａ ｇ ｓ ｂ ｂ ｌ Ｕ ｊｃ ｅ ｏ ｗａｅ ｌｗ ｎ ｔｒ ｆｄ ｐ ｒｕ ｅｖ ｌ ｍｅ ｚ
强 ，谢 建
（ 庆 大 学 低 品 位 能 源利 用 技 术 及 系统 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 庆 大 学 工 程 热 物 理研 究 所 ，重 庆 ４ ０ ４ ） 重 重 ０ ０ ４
摘 要 ：采 用 ＶＯ Ｆ方 法 ，对 液 体 通 流 微小 通 道 内壁 面 逸 出气 泡 的 形 成 、 生长 及 脱 离 运 动 进 行 了数 值 模 拟 ，并 讨 论 了壁 面浸 润 性 、液 体 流 速 、气 体 流 速对 气 泡 动 力 学 行 为 的 影 响 。结 果 表 明 ：气 泡 生 长 壁 面 亲 水 性 增 强 有 利 于 其
速 率 （ 相 Ｒ ｙ ｏｄ 数 高 于 １ 气 ｅ ｎｌｓ ４时 ）对 气 泡 脱 离 体 积 、壁 面 气相 覆 盖 率 和 流 动 阻 力 因子 影 响 不 大 。
气泡动力学特性的研究与应用
气泡动力学特性的研究与应用随着科技的发展，气泡动力学逐渐成为了研究和应用的重要方向。
气泡既是一种普遍存在于自然界中的物质，又是一种可用于工业生产和科学实验研究的重要手段。
气泡的动力学特性研究既有理论意义，也有实际应用价值，本文将就此探讨。
一、气泡动力学特性的基本概念气泡是一种空气或其它气体包裹在水（或其它液体）中的球形或半球形体。
气泡通常是由于振荡、撞击、渗漏等原因形成。
在自然界中，气泡广泛应用于海洋、人体生理、大气、地表水、燃烧和环保等领域。
此外，气泡也是科学实验和工业生产中常用的物质。
气泡动力学特性研究的目的是解析气泡所受到的运动和外力作用的物理特性，如气泡在液体中的流动、振荡、破裂、生长等过程。
气泡在液体中的运动主要受到重力、表面张力、动量和浮力等力的作用。
气泡大小和形状、液体性质、气泡运动速度等因素都对气泡运动和特性产生影响。
依据不同研究对象和方法，气泡动力学特性研究可以分为理论分析、实验和数值模拟三种不同形式。
二、气泡动力学特性的研究方法（一）理论分析气泡动力学特性的理论分析主要通过数学物理方程模型建立，通过求解方程得到特定气泡的运动和特性。
气泡运动与物理特性耦合的物理方程组主要包括Navier-Stokes方程、质量守恒方程、气泡表面张力方程、以及边界条件等方程式。
通过对方程解析求解，可以得到气泡育形、壁压、速度、流场等运动参数和字符参数。
理论分析的优势在于可以给出简洁而通用的模型，能够预测和探索气泡特定运动特性，还可以为实验和数值模拟提供参数参考。
不过，理论分析方法的不足之处在于常常需要解答很多数学问题来获得分析和预测结果，这需要特定的数学技术，难以解决实际工程和生产中的某些问题。
（二）实验气泡动力学特性的实验研究可以通过光学实验、水力学模型实验、压力实验等方式进行。
常见的实验设备包括气泡发生器、气泡观测装置、高速相机、光学显微镜等。
实验能够定量获取气泡的运动速度、形态、壁压、生长和破裂循环等动态信息，具有无可替代的优势。
毛细管内气液两相流动的CFD模拟_梁晓光
2010 年 6 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities June 2010文章编号：1003-9015(2010)03-0370-06毛细管内气液两相流动的CFD模拟梁晓光, 郑扬, 许松林(天津大学化工学院制药工程系, 天津 300072)摘要：毛细管精馏是一种分离共沸物系的新型分离技术，它利用毛细管的固-液相互作用来改变液体混合物的汽液平衡。
毛细管通道内的气液两相流型在低气速时以泰勒流为主，今使用计算流体力学方法，对毛细管内泰勒流的多种影响因素，如：壁面作用、气液速率以及流体物性等进行了研究。
首先考察壁面作用的影响，发现壁面粗糙度能改变气液柱形状和流场，粗糙度增大使通道内气液两相流型由泰勒流向泡状流转变，流动状态由层流向涡流转变。
模拟不同接触角下的气液流动，发现壁面吸附作用在一定程度上影响气液柱长度和气液界面间的形状。
通过模拟不同气液速率下的气液流动，观察气液柱长度与气液速率之间的关系。
对模拟气液柱长度进行量纲分析，得到了泰勒流的气液柱长度的关联式，将该式与文献测定值进行比较，发现在一定范围内吻合较好。
关键词：毛细管精馏，气液两相流动，泰勒流，计算流体力学中图分类号：TQ021.1 文献标识码：ACFD Modelling for Gas-liquid Two Phases Taylor Flow in CapillaryLIANG Xiao-guang, ZHEN Yang, XU Song-lin(Department of Pharmaceutical Engineering, School of Chemical Engineering and Technology, TianjinUniversity, Tianjin 300072, China )Abstract: Capillary distillation is a new technology mainly used for the separation of the binary azeotropic liquid mixtures. It utilizes the solid-liquid interfacial forces to change vapor-liquid equilibrium inside the capillary porous media. Under low gas velocity, the flow pattern in a capillary channel is typically the so-called Taylor flow regime. A computational fluid dynamics package FLUENT was adopted for simulation of the effects including wall function, fluid velocities and physical properties on gas-liquid two-phase Taylor flow in a Y-junction capillary. Firstly, wall roughness was found to be able to change the shape of slugs and flow field in the capillary. With the increase of wall roughness, gas-liquid two-phase flow regimes in the capillary change from Taylor flow into bubble flow, and the flow field from laminar flow into turbulent flow. Then by calculating gas-liquid flow under various contact angles, it can be found that wall surface adhesion can affect slug length and the shape of gas-liquid interface to a certain degree. Meanwhile, by calculating gas-liquid two phases flow under various gas and liquid velocities, the relationship between slug length and gas/liquid superficial velocities was obtained. Finally, using dimensional analysis and regression calculation to deal with gas and liquid slug lengths of the Taylor flow, a correlation was developed, which has a good agreement with the experimental data from the literature in a wide range.Key words: capillary distillation; gas-liquid tow-phase flow; Taylor flow;computational fluid dynamic (CFD)1 引言毛细管精馏[1]主要是利用多孔毛细结构的塔板或填料与液体混合物各组分分子的相互作用，改变液收稿日期：2009-07-02，修订日期：2009-12-16。
空泡动力学研究进展
空泡动力学研究进展
周秀英;白军;姜梅;王超琪;顾岩城;吉华
【期刊名称】《农业与技术》
【年(卷),期】2024(44)7
【摘要】本文介绍了空化研究的历程,对比了空泡动力学研究方法及其优缺点,归纳总结了流体体积法(VOF)、边界元法(BEM)、格子玻尔兹曼法(LEM)、有限体积法(FVM)、水平集法(LS)以及界面追踪法(FTM)对气泡运动的数值模拟研究进展。
针对气泡运动特性的实验研究和数值模拟中存在的问题,指出完善气泡测量方法及数值模拟、深入研究三相流中气泡运动特性将是未来研究的方向和侧重点。
最后对空泡动力学的研究作出了展望并提出了新的可能,为西藏高原环境下的空化研究提供数据支撑和理论依据。
【总页数】6页(P42-47)
【作者】周秀英;白军;姜梅;王超琪;顾岩城;吉华
【作者单位】西藏农牧学院水利土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】S210
【相关文献】
1.超空泡流体动力学研究进展
2.空泡动力学特性的研究进展
3.不同空泡动力学模型在空泡振荡预测中的应用探讨
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第62卷 第10期 化 工 学 报 V ol.62 N o.10 2011年10月 CIESC Jo urnal Oc to be r 2011研究论文液体通流微小槽道内气泡动力学行为模拟周 吉,朱 恂,丁玉栋,王 宏,廖 强,谢 建(重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆大学工程热物理研究所,重庆400044)摘要:采用VO F方法,对液体通流微小通道内壁面逸出气泡的形成、生长及脱离运动进行了数值模拟,并讨论了壁面浸润性、液体流速、气体流速对气泡动力学行为的影响。
结果表明:气泡生长壁面亲水性增强有利于其从壁面脱离;气泡生长壁面气相覆盖率随壁面接触角的增大而增大;流动阻力因子随壁面接触角的增大而减小。
较高的液体流速会导致气泡的脱离时间和脱离体积、壁面气相覆盖率及流动阻力因子减小;而较高的气体逸出速率(气相Reynolds数高于14时)对气泡脱离体积、壁面气相覆盖率和流动阻力因子影响不大。
关键词:气泡;VO F方法;小槽道;动力特性;数值模拟D OI:10.3969/j.issn.0438-1157.2011.10.010中图分类号:T M911.4 文献标志码:A文章编号:0438-1157(2011)10-2740-07N um erical sim ula tion of gas bu bble e mergin g fro m pore in to liquid flo w micro-ch an n elZH OU Ji,ZHU Xu n,DING Yu dong,WAN G Hong,LIAO Qian g,XIE Jian(K ey L aboratory o f Low-grade Energ y Utilization Technologies and Sy stems,Institute o f Engineering Thermophysics,Chongqing University,Chongqing400044,China)Abstract:The dynam ic behavio r o f a gas bubble entering a liquid flow micro-channel through a pore w ith prescribed mass flow rate w as simulated by using computational fluid dynamics in co njunctio n w ith a volume of fluid(VOF)method.Sim ulations of the processes of gas bubble emergence,g row th, defo rmatio n and detachm ent w ere performed to ex plicitly track the evolutio n of the liquid-gas interface, and to characte rize the dy namics o f a gas bubble subjected to w ater flow in terms of departure v olume, flo w resistance coefficient,and g as coverage ratio.The effects of w ettability of the w all w here the bubble eme rges fro m,w ater and air mass flow rates w ere discussed w ith a particular focus on the effect o f the wettability of the bo ttom w all w hile the static contact ang les of the o ther channel w alls w ere set to90°. The simulated results sho wed that the hy dro philic w all facilita ted the departure of bubble w hile g as cove rage ratio increased and dimensionle ss flow resistance coefficient decreased fo r hydrophobic w all.High w ater inlet mass flow rate resulted in an ea rlier departure and decreased departure vo lum e of the bubble as well as low gas coverage ratio and flow resistance coefficient.I t w as found that increasing air mass flo w rate led to earlie r detachm ent of the bubble.H ow eve r,hig her air m ass flow ra te show ed scarce influence on the dy namic behavior of the bubble o nce the Rey nolds number of air w as over14.Key words:bubble;vo lume of fluid method;mini-channel;dynamics;numerical simulation 2011-01-10收到初稿,2011-04-28收到修改稿。
联系人:朱恂。
第一作者:周吉(1986—),男。
基金项目:国家自然科学基金项目(50876119);重庆市自然科学基金项目(CS TC,2009BB6212);教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCE T-07-0912)。
Received date:2011-01-10.Correspon ding author:Prof.ZH U Xun,zhu xun@Foun dation item:supported by the National Natural S cience Foundation of China(50876119),the Natural S cience Foundation of Ch ong qin g(CS TC,2009BB6212)and th e Prog ram for New Century Excellent T alents in University(NCET-07-0912).引 言气泡的生成及气泡运动存在于许多自然现象和工程实际中,其中气泡在通流槽道内的生长脱离和迁移特性对流道内的质量、动量和能量交换、两相流动流型和流动阻力特性均有重要的影响[1-3]。
随着反应器向微型化、模块化的发展,反应器内流道尺寸进一步减小。
由于受到壁面的影响,微小尺寸流道的气液两相流型、相分布、两相流动阻力特性将呈现与大尺寸槽道不同的特征和规律[4-6]。
国内外研究者对液体通流微小槽道内两相流动做了诸多研究。
田勇等[7]实验研究了小直径管道内空间尺度对气泡生长过程的限制特点,推导出小直径管道内气泡生长过程方程。
Fu等[8]针对直接甲醇燃料电池(DMFC)利用硫酸和碳酸氢钠的化学反应模拟研究了矩形微槽道内的气液两相流动的流型及压降变化。
Liao等[9]对DMFC阳极微小流道内气泡的聚并现象进行了可视化实验。
丁玉栋等[10]对竖直放置DMFC水平流道内扩散层壁面上CO2气泡进行了受力分析,建立了描述气泡生长的动力学方程。
何健烽等[11]研究了气体垂直注入恒流液体中形成气泡以及气泡脱离的过程,考察了气体流量、液体流量以及浮力对运动过程的影响。
在数值模拟方面,Zhu等[12]采用VOF方法模拟了质子交换膜燃料电池中阴极侧气体通流微小槽道内涌入液滴的动力学特性。
柯新等[13]也通过VOF方法研究了不同壁面亲水性对DMFC阳极流道内气液两相流动的影响,但其假设气泡初始时候就存在,流动过程中气泡体积没有变化。
张怀生等[14]考虑了气体垂直注入恒流液体中的情况,对液体流速、孔道直径及多孔道情况中气泡的形成及脱离进行了描述,但其对槽道内的气液两相流动阻力特性没有进行相关讨论。
本文以微小型直接甲醇燃料电池阳极侧流道内气液两相流动为对象,采用VOF(volume of flu-id)方法对液体通流微小槽道内气泡的动态行为及两相流动阻力特性进行了模拟和讨论。
1 模型及方法1.1 VOF方法简介VOF方法[15-16]通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟两种或两种以上不相混合的流体流动。
两相间的界面通过计算每个网格中第k相所占的体积分数C k来追踪C k(x,y,z,t)=0充满着第k相流体1不含第k相流体0to1位于流体界面 (1)且在任意网格中存在∑nk=1C k=1(2)C k通过连续性方程来求解,即t(C kρk)+ ·(C kρk u k)=0(3)在微小槽道内的两相混合流动中,动量方程对各个流体相均适用,其速度场通过求解N avier-Stokes方程获得t(ρu)+ ·(ρu u)=-p+·[μ(u+u T)]+ρg+F(4)式中 p为静态压力;u=(u,v,w)为流体的速度场;F为动量源项,由表面张力产生;ρ和μ分别为容积平均密度和动力黏度ρ=ρg+C l(ρl-ρg)(5)μ=μg+C l(μg-μl)(6)式中 下角标g和l分别表示气相和液相。
动量源项的处理采用CSF(continuum surface force)模型[17]F=σΚkρC k12ρg+ρl(7)计算区域内界面重构和界面推进采用分段性重构方法,界面的位置由界面法向量n和定义在网格中心的体积函数C k确定,并采用Lag rangin方法跟踪随流动传播的界面。
界面曲率Κk为Κk= ·nn(8)其中n=C k(9) 1.2 计算区域及网格划分本文模拟的区域为三维长方体区域,长宽高为3mm×2mm×2mm,其底部中心靠近液体入口0.6m m处有一圆形微孔,孔径为0.1mm。
考虑到物理模型在z方向对称,为节省计算量取对称区域,以z=0为对称面,模拟计算的区域及网格如图1所示,整个区域由383380个网格组成。