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通气空泡尾部气泡流仿真和特性分析

力学学报 2011年第5期43卷 819-825页

作者：向敏张孜博屠基元张为华国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073 皇家墨尔本理工大学航空航天机械及制造工程学院澳大利亚维多利亚3083

基于欧拉-欧拉双流体模型对通气空泡尾部气泡流进行数值仿真,并采用基于多尺寸分组模型的总体平衡方法预估气泡尺寸分布.应用改进后湍流耗散系数计算模型,考虑了气泡体积含量对在湍流作用下气泡扩散现象的影响.基于上述模型对两种试验... 详细信息

基于欧拉-欧拉双流体模型对通气空泡尾部气泡流进行数值仿真,并采用基于多尺寸分组模型的总体平衡方法预估气泡尺寸分布.应用改进后湍流耗散系数计算模型,考虑了气泡体积含量对在湍流作用下气泡扩散现象的影响.基于上述模型对两种试验工况下流场进行了数值仿真.结果表明模型对空泡尾部回流区特性进行了准确预示,在回流区高湍流度作用下气泡迅速破碎成小气泡.并进一步得到试验体尾流区空泡体积分数和速度分布.尾流区水流速度分布保持了流体经过非流线型对称体时产生的尾流分布规律.仿真结果与试验数据相一致,模型适用性得到验证.

关键词：通气空泡气泡流数值仿真总体平衡方法多尺寸分组

AZ91D镁合金真空电子束深熔焊接熔池气泡流数值模拟

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焊接学报 2012年第7期33卷 73-76,117页

作者：叶宏罗怡余耀华重庆理工大学材料科学与工程学院重庆400050 四川大西洋焊接材料股份有限公司 643010

针对AZ91D镁合金焊接熔池的气—液两相流系统,在质量守恒和动量守恒的基础上,建立了真空电子束焊接熔池二维气泡流数学模型,模拟计算了熔池中的气相分布、气泡流流动现象,分析了对空腔型缺陷形成、分布的实际影响.结果表明,完全穿透型... 详细信息

针对AZ91D镁合金焊接熔池的气—液两相流系统,在质量守恒和动量守恒的基础上,建立了真空电子束焊接熔池二维气泡流数学模型,模拟计算了熔池中的气相分布、气泡流流动现象,分析了对空腔型缺陷形成、分布的实际影响.结果表明,完全穿透型焊缝熔池中的气体逸出可能性大大高于非穿透型焊缝,使其出现空腔型缺陷的几率在一定程度上低于非穿透型焊缝.典型空腔型缺陷的形成过程与电子束焊特有的深熔焊缝熔池中气泡流的流型及其流动特征有密切关系.较高的液相对流速度更有利于熔池中气体的逸出,从而使焊缝最终的含气率较低.

关键词：数值模拟真空电子束焊气泡流空腔型缺陷

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非稀疏气泡流激波传播的数值模拟研究

水动力学研究与进展（A辑） 2023年第2期38卷 286-292页

作者：李晨王本龙洪尧刘筠乔上海交通大学水动力教育部重点实验室上海200240

该文采用Godunov格式方法对激波在气泡流中的传播过程进行了数值模拟,研究单个气泡和气泡群与激波的相互作用过程。建立了一个考虑气泡间相互作用和气泡非球形变形等因素的群泡模型,验证了该计算方法对气泡和气泡流问题的有效性,模拟得... 详细信息

该文采用Godunov格式方法对激波在气泡流中的传播过程进行了数值模拟,研究单个气泡和气泡群与激波的相互作用过程。建立了一个考虑气泡间相互作用和气泡非球形变形等因素的群泡模型,验证了该计算方法对气泡和气泡流问题的有效性,模拟得到的激波波速与一维激波理论的波速接近。预报了激波在大体积分数气泡流中的传播发展过程:在气泡体积分数α=0.1时激波在气泡流区域形成一个A型激波(波面较为陡峭且激压力到达峰值之后出现振荡),而在α=0.3时激波的结果更接近于B型激波(激波压力上升较慢且有一定振荡),随着激波向下游的传播波面振幅降低向C型激波(压力平滑上升)发展,说明了气泡流对激波传播发挥了松弛作用。

关键词：气泡流激波结构 Godunov格式

FLOW-3D气泡流模型关键参数敏感性探究

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中国农村水利水电 2023年第2期 246-254页

作者：董宗师蔡芳长江设计集团湖北武汉430010 四川大学水利水电学院四川成都610065

为了探究FLOW-3D气泡流模型的黑匣子细节,以45°陡槽均匀流的试验数据为参考,对计算结果对临界韦伯数、临界毛细管数、初始气泡直径、拖曳阻力系数和Richardson-Zaki调节系数等模型参数的敏感性进行了探究。结果表明:明渠掺气水流中气... 详细信息

为了探究FLOW-3D气泡流模型的黑匣子细节,以45°陡槽均匀流的试验数据为参考,对计算结果对临界韦伯数、临界毛细管数、初始气泡直径、拖曳阻力系数和Richardson-Zaki调节系数等模型参数的敏感性进行了探究。结果表明:明渠掺气水流中气泡尺寸主要受临界毛细管数控制,临界韦伯数仅在掺气水面附近对气泡大小有微弱影响。拖曳系数和Richardson-Zaki调节系数对结果的影响较大,而临界毛细管数、临界韦伯数以及气泡初始直径对计算结果的影响则相对较小。大于默认值的拖曳系数和Richardson-Zaki调节系数会提高湍流强度并增加掺气,但小于默认值的参数对计算结果的影响更为显著。因此,在使用FLOW-3D进行掺气水流模拟时,应主要对拖曳系数和Richardson-Zaki调节系数进行调校,以提高模型的准确性。

关键词：气泡流掺气水流数值模拟 FLOW-3D 敏感性分析

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基于FTM的振荡热管內气泡流数值模拟研究

基于FTM的振荡热管內气泡流数值模拟研究

作者：陈虎南昌大学

学位级别：硕士

振荡热管相比于传统热管具有成本低、换热系数高、灵活性高等特点,是一种优秀的新型换热元件,由于其潜在的高传热能力,热响应快,简单和廉价的结构,因此振荡热管是一种解决电子产品散热的极佳手段。为了深入研究振荡热管内的流型,本文以... 详细信息

振荡热管相比于传统热管具有成本低、换热系数高、灵活性高等特点,是一种优秀的新型换热元件,由于其潜在的高传热能力,热响应快,简单和廉价的结构,因此振荡热管是一种解决电子产品散热的极佳手段。为了深入研究振荡热管内的流型,本文以振荡热管中的毛细管作为研究对象。由于振荡热管内气泡是流型变化的基础,因此研究气泡的运动具有重要的意义。本文采用界面追踪法(Front Tracking Method,FTM)对毛细管内气泡运动进行了数值模拟研究。本文采用界面追踪法(Front Tracking Method,FTM)对毛细管内气泡运动进行了数值模拟研究。采用计算流体力学的经典问题之一的瑞利—泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor instability即RT不稳定性)验证了FTM算法的准确性。通过模拟发现,密度、粘度、表面张力能有效的影响界面的不稳定性的发展。对于毛细管内的气泡运动,本文首先研究了三个气泡的运动,三个气泡呈现三角形分布,通过这样的分布既考虑了气泡的位置关系又考虑了气泡之间的距离。首先分析了三个气泡之间顶角分别为30°、60°、90°时等径气泡的运动,发现气泡的之间的距离会影响气泡融合的是否发生。其次分析了两种不同气泡直径比的运动情况(以顶角为60°为基础),结果发现气泡之间的大小和相对位置不同对气泡的运动过程的影响主要是由于气泡的尾流和回流。再者分析了不同形状下气泡的运动状况,结果发现当椭圆气泡位于顶部时,不会改变流场结构,只是对气泡融合进程有影响;当椭圆气泡位于底部时,此时会改变流场结构,融合过程更复杂。最后分析了气泡数量的影响,从结果可以看出,气泡数量越多,气泡的融合过程就越复杂,甚至出现气泡破裂、裹挟液滴等情况。为了更真实的展现管内的运动状况,通过三维FTM来探究气泡的运动。初步利用三维程序模拟了不同直径单气泡的上升运动以及射流对于气泡的穿透作用。结果发现,气泡的直径大小对于气泡运动过程中的变形有较大的影响,并且韦伯数越大,气泡射流强度越高甚至被穿透。随着气泡数量的增加以及程序从2D到3D,算法的复杂度急剧上升。故此本文利用CUDA实现FTM在GPU上的并行加速计算,从而提升程序的运行效率。

关键词：振荡热管气泡流界面追踪法 GPU并行计算

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开式油箱内气泡流可视化与除泡方法的研究

开式油箱内气泡流可视化与除泡方法的研究

作者：袁强兰州理工大学

学位级别：硕士

液压系统及润滑系统的油液中混入空气后,会降低系统的性能,甚至会影响系统的正常工作。本文采用可视化试验并结合模拟仿真的方法,对开式油箱内部的流场流动进行研究。针对气泡的产生、运动、上浮,吸入等运动过程设计、搭建可视化的试验... 详细信息

液压系统及润滑系统的油液中混入空气后,会降低系统的性能,甚至会影响系统的正常工作。本文采用可视化试验并结合模拟仿真的方法,对开式油箱内部的流场流动进行研究。针对气泡的产生、运动、上浮,吸入等运动过程设计、搭建可视化的试验台,在关键位置设置可视化装置,并在试验中使用相机和高速摄像机对关键位置的气液两相流的流动进行拍摄记录然后与数值计算结果进行对比分析。依据以上研究结果,提出三种减少气泡的方法,设计了不同的除气装置,采用数值计算的方法,对所设计的除气装置进行研究,确定了最佳结构参数,完成试验装置的研制加工。在搭建的可视化试验台上,对所设计的除气泡装置进行除气效果的试验,试验结果表明,所设计的三种出气泡方案可以除去部分气泡,在开式油箱中有一定的应用价值,对油箱的设计具有重要指导意义。本文的主要研究内容总结如下:第1章,阐述了空气进入液压油液的多种途径以及在油液中的存在方式,分析了油液中的气泡对工作系统的危害,阐述了国内外对于油液中气泡的影响的研究现状,以及气泡去除方法的研究现状。第2章,阐述了油箱流场解析的数值模拟计算方法,计算软件采用流体计算软件FLUENT,选择Eulerian多相流模型进行了仿真计算,分析总结了回油液流卷吸空气的过程以及空气进入油箱后的流动状态。第3章,设计了可视化的试验系统,并且针对系统中的关键位置设计了透明的可视化管路,介绍了搭建的试验系统,在搭建的试验系统上进行了模型试验,利用高速摄像机拍摄记录了油液内气泡的运动规律,研究了气泡的进入,上浮、吸入现象。将可视化试验结果与第2章仿真结果进行对比,研究发现:在油箱回油口处有大量的空气被油液卷吸,在油箱内随油液流动而不断运动,大气泡会破碎为小气泡,部分气泡浮出油液,部分被吸入液压系统,同时在透明管路中有气泡的粘附,留存现象。第4章,提出3种用于本论文研究对象油箱的除气泡方法:旋流分离器、隔板、滤网。应用数值模拟及理论分析的方法研究了三种除气方案的结构参数对除气效率的影响。确定了旋流器的尺寸,隔板位置和形状,为下文加工试验装置提供理论参数。第5章,加工了除气泡的试验装置,在搭建的可视化试验台上进行除气泡性能的试验,试验结果表明;设计的3种除气泡方案具有一定的降泡效果。研究结果对如何降低油箱中油液含气量方面提供了一定的参考。总结与展望部分对本课题的研究成果进行了系统的总结,展望提出了几点关于继续本课题研究的方向和建议。

关键词：开式油箱仿真模拟气体卷吸可视化试验气泡流除气泡方法

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基于体积力控制的气泡流数值模拟研究

基于体积力控制的气泡流数值模拟研究

作者：陈闰路浙江大学

学位级别：硕士

气液两相流广泛存在于自然界和工业领域中。与颗粒流相比,气泡由于界面容易发生变形,其受力规律更为复杂。为了更好的描述气泡绕流运动,本文提出了一种基于两参数的体积力控制方法,建立了控制力与气泡瞬时位移之间的关联关系,从而可以... 详细信息

气液两相流广泛存在于自然界和工业领域中。与颗粒流相比,气泡由于界面容易发生变形,其受力规律更为复杂。为了更好的描述气泡绕流运动,本文提出了一种基于两参数的体积力控制方法,建立了控制力与气泡瞬时位移之间的关联关系,从而可以快速将气泡位置固定住。通过算例验证,检验了数值方法的可靠性和高效性。采用体积力控制方法,对气泡绕流进行了数值模拟研究。着重关注了We数和Re数对流动的影响,通过改变表面张力系数来控制We数,通过改变液相粘度来控制Re数。首先对小We数下的气泡绕流进行了研究。结果表明,在非定常计算下可以获得稳定的流场结果。在小We数下气泡总体变形较小,气泡呈现被压扁的趋势,拉伸方向垂直于来流方向。气泡变形程度取决于We数,而与Re数关系不大。随后提高We数,对大We数下的气泡绕流进行了研究。结果表明,大We数下气泡总体变形程度剧烈。当Re数较小时,可以获得稳定的流场结果。而随着Re数的升高,气泡流场和气泡形态开始出现非稳态的振荡现象。进一步提高Re数,气泡无法维持其完整的形态而出现破碎现象。为了对气泡形态有个全面的认识,对We数1-20、Re数1-1000范围内的工况进行了研究,在此基础上给出了气泡形态图谱。根据气泡形态特征的不同,将图谱划分为四个区间,包括小We数区间、小Re数区间、气泡振荡区间和气泡破碎区间。针对具有稳定形态的气泡,进一步研究了气泡阻力。根据受力平衡分析,通过控制力给出了气泡阻力。总体趋势上看,阻力系数随着Re数的上升而减小,随着We数的上升而增大。但是当Re较小时,阻力系数仅取决于Re数,而与We数关系不大。

关键词：气泡流 Re数 We数控制力数值模拟

基于气泡流模型的曝气筒内外流动特性数值模拟

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基于气泡流模型的曝气筒内外流动特性数值模拟

作者：张莹西安建筑科技大学

学位级别：硕士

人工曝气装置普遍应用于处理微污染水体。曝气利用气泡流带动流场内水体运动，进而达到搅动水体和复氧的目的。国内外实验表明曝气对于脱氮除磷以及人工控藻具有重要作用。但是，对于大型水库以及湖泊的曝气研究，实验手段具有一定的局... 详细信息

人工曝气装置普遍应用于处理微污染水体。曝气利用气泡流带动流场内水体运动，进而达到搅动水体和复氧的目的。国内外实验表明曝气对于脱氮除磷以及人工控藻具有重要作用。但是，对于大型水库以及湖泊的曝气研究，实验手段具有一定的局限性，因而采用数值仿真手段研究曝气诱导产生的流场，可以优化控制参数，从而实现对微污染水体的有效控制。本文利用Comsol Multiphysics数值模拟软件，研究曝气产生的气液两相流运动。在已有数值模拟研究中，多采用等效流量法，即用单相流替代实际的多相流。这一模拟方法虽然简化了模型，但忽略了气液两相间的作用，与实际情况不符，模拟的精确性降低。气泡流模型则属于两相流模型，考虑了两相之间的相互作用，具有更高的精确性。本文以气泡流模型为基础开展了如下研究：首先，模拟了二维矩形装置中不同气速下的流场，并与已有实验图像进行对比，验证气泡流模型模拟曝气的可行性。结果表明，随着进气速度的增大，流场从自由气泡流逐渐向受限气泡流过渡，两侧壁面对流场的影响越来越明显;在中等Re数下由于流动会失稳，此时不宜简单采用对称边界，而在小Re数和极大Re数下，流动为对称结构，此时对称边界是适合的边界条件。其次，模拟了曝气筒内部的受限气泡流流动以及它对曝气筒外围流场的影响。在内筒液速分布研究中，将模拟结果与已知大气量情况下的弹状流实验数据进行对比，表明气泡流模型可在一定程度上替代弹状流，但需对流速进行修正。在筒外流场研究中，分别考虑了距离流场底部不同高度处的液速分布、气体体积分数分布以及不同气速、不同曝气方式对流场的影响。结果表明距离流场底部越高，则流场液速越大，气体体积分数越小;气速越大则流场内液速越大，影响区域越广;在单位时间曝气强度相同的前提下，分段曝气产生的液速较连续曝气产生的液速略大。最后，研究了受限气泡流对于温度分层流场的扰动。结果表明随着筒内速度的增加，温度分层水体达到均匀混合所需的时间越短。但当筒内速度超过一定值后，进水速度继续增加，不同温度水体达到混合所需时间几乎不变。分析主要因素的作用表明，单纯导热对这一过程的贡献很小，对流及湍流热传导系数是这一过程的主导因素，局部死区的存在不利于不同温度水体的混合。

关键词：气泡流弹状流多相流数值模拟温度分层水体

基于时频声纹理的气泡流状态智能识别方法研究

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基于时频声纹理的气泡流状态智能识别方法研究

作者：邢允浙江大学

学位级别：硕士

气泡流在自然界和过程工业中广泛存在,它是一种特殊的气-液两相流动状态,通常存在于气速相对较低、气量相对较少的状态,其中气相作为离散相以气泡的形式分布于连续的液相介质当中。气泡流中的气泡在产生、上升以及在水面溃灭的过程中都... 详细信息

气泡流在自然界和过程工业中广泛存在,它是一种特殊的气-液两相流动状态,通常存在于气速相对较低、气量相对较少的状态,其中气相作为离散相以气泡的形式分布于连续的液相介质当中。气泡流中的气泡在产生、上升以及在水面溃灭的过程中都会向外辐射声信号,且声信号与气泡流状态信息之间紧密相关。因此,通过监测和记录气泡流的声学信号,再结合信号处理等手段,就可以得到气泡流的状态信息,而这些信息对自然资源勘探以及化工等过程工业的实际生产都有着非常重要的指导意义。本文以气泡流为研究对象,针对气泡流状态的被动声学识别问题,设计、搭建实验系统并开展实验研究,对辐射声信号进行单域分析,基于时频声纹理对气泡流辐射声特性进行表征,构建起时频声纹理与气泡流状态之间的对应关系,提出了结合时频声纹理和卷积神经网络的气泡流状态识别方法。本文主要研究内容包括以下几个方面:(1)设计并搭建了气泡流模拟反应器实验系统,且实验系统能够可控地产生单柱、多柱气泡流在不同气速下的气泡流状态。开展了单柱(1.5 mm)气泡流实验、多柱(5×1.5 mm)气泡流实验、多柱(5×0.8 mm)气泡流实验,获取了不同气速下气泡流辐射声信号以及高速相机拍摄的气泡流流场状态图像。对所采集的辐射声压信号进行单域分析,初步表征单柱及多柱气泡流辐射声特性。(2)基于时频声纹理对单柱和多柱气泡流三种典型状态(离散态、聚团态、射流态)进行表征,构建了时频声纹理与流场结构之间明确的对应关系。比较了三种时频声纹理(短时傅里叶变换(Short Time Fourier Transform,STFT)、连续小波变换(Continuous Wavelet Transform,CWT)、压缩同步小波变换(Synchrosqueezing Wavelet Transform,SWT))的表征能力。利用时间和频率分辨率最高的SWT时频声纹理,结合流场图像,对单柱气泡流低速以及高速下发声机理进行了合理解释,同时对多柱气泡流发生机理进行了阐述。(3)卷积神经网络在图像分类方面具有极大的优势,而气泡流时频声纹理富含气泡流流场状态的动态特征,因此将气泡流状态的识别问题转换为基于卷积神经网络的时频声纹理图像分类问题,实现了对多柱(5×1.5 mm)气泡流三种典型状态(离散态、聚团态、射流态)的高准确率识别。构建了气泡流状态智能识别模型的实现框架,使用迁移学习方法对三种经典模型(AlexNet、VggNet、ResNet)在三种时频声纹理数据集(STFT、CWT、SWT)上进行训练,训练所得最优模型在测试集上通过混淆矩阵可视化并评估,结果显示三个模型在时频声纹理数据集上的表现均为ResNet>VggNet>AlexNet,且模型的识别准确率均随着时频声纹理分辨率的提高而提高,为SWT>CWT>STFT。通过分析和对比,最终得到气泡流智能识别模型SWT-ResNet,其对气泡流三个典型状态的识别准确率为99.67%。本文结合时频声纹理和卷积神经网络对气泡流状态识别方法进行了研究,构建了气泡流状态智能识别模型的实现框架,能够实现高准确率地识别不同气泡流状态。所提方法同样可以推广应用于工业中各种设备的故障诊断,为工业中各种设备状态监测与健康维护提供了技术支撑。

关键词：气泡流流型识别时频声纹理卷积神经网络迁移学习