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微重力环境下低温推进剂贮箱内气泡运动及融合特性研究

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西安交通大学学报 2022年第9期56卷 84-91页

作者：杨鹏闫春杰郑永煜杨祺刘迎文王小军西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室兰州730000

在轨贮箱内气液分布特性极大影响箱内压力变化,为了提高主动控压技术的效率,延长推进剂在轨储存时间,开展微重力下低温推进剂贮箱内气泡运动及融合特性的研究至关重要。本文采用流体体积函数法模拟微重力条件下低温推进剂贮箱内单个不... 详细信息

在轨贮箱内气液分布特性极大影响箱内压力变化,为了提高主动控压技术的效率,延长推进剂在轨储存时间,开展微重力下低温推进剂贮箱内气泡运动及融合特性的研究至关重要。本文采用流体体积函数法模拟微重力条件下低温推进剂贮箱内单个不同尺寸氧气泡的运动以及多个随机分布氧气泡的融合过程。结果表明:10^(-5)g微重力条件下,随着贮箱内氧气泡半径增大,氧气泡所受浮力以及上下面的压强梯度越大,上升一定距离所需时间缩短;当氧气泡的半径小于100 mm时,氧气泡在释放后一段时间内最大速度小于10^(-4)m/s,基本处于停滞状态,并且停滞时间随着氧气泡半径的减小而增长;当不同尺寸氧气泡上升时,即便有部分氧气泡半径小于100 mm,仍能在多个力场的综合作用下,缓慢上升并发生碰撞与融合,聚集于贮箱顶部,形成了稳定的椭球回转体形状的“气枕”构型。本文研究结果证明“气枕”集中模型假设是可行的。

关键词：微重力气泡运动气泡融合

水下垂直发射航行体多孔排气气泡融合特性研究

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船舶力学 2018年第2期22卷 135-143页

作者：张耐民赵阳魏海鹏程少华哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 北京宇航系统工程研究所北京100076

水下航行体采用多孔排气可有效改善航行体受力特性,多孔排气排出气泡融合特性是航行体受力改善的基础。文章基于空泡独立膨胀原理建立了多孔排气气泡形态理论计算模型,通过试验验证了模型的合理性,并给出了匀速运动时多孔排气气泡融合准... 详细信息

水下航行体采用多孔排气可有效改善航行体受力特性,多孔排气排出气泡融合特性是航行体受力改善的基础。文章基于空泡独立膨胀原理建立了多孔排气气泡形态理论计算模型,通过试验验证了模型的合理性,并给出了匀速运动时多孔排气气泡融合准则,为排气气泡融合判定奠定了基础。针对初始压比、航行体运动速度、排气孔参数等因素对排气气泡形态影响开展计算,结果表明航行体运动速度在一定范围内越高、相同排气总面积下排气孔数量越多,越有利于排气融合,初始压比对排气融合影响较小。

关键词：多孔排气独立膨胀原理空泡形态气泡融合

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同轴两个气泡融合特性的数值研究

西安交通大学学报 2013年第7期47卷 1-6页

作者：王太李会雄李阳西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

为了进一步研究气泡融合特性以及开发高效的界面追踪程序,以PLIC界面重构技术为基础,采用不分裂算法计算了目标网格向周围26个网格的输运流量;采用统一的表达式计算输运流量,大大降低了程序编写的难度。将PLIC算法与气液两相流动控制方... 详细信息

为了进一步研究气泡融合特性以及开发高效的界面追踪程序,以PLIC界面重构技术为基础,采用不分裂算法计算了目标网格向周围26个网格的输运流量;采用统一的表达式计算输运流量,大大降低了程序编写的难度。将PLIC算法与气液两相流动控制方程相结合,数值计算了直径为0.8～14mm的单个气泡的最终运动速度,模拟结果与文献中的实验结果吻合良好。研究了同轴两个气泡的融合过程,发现表面张力很大时,两个气泡近似独立运动,不发生融合;表面张力很小时,气泡容易发生破碎;气泡发生严重破碎时,尾部气泡会从顶部气泡的轴心穿过;液体黏度与表面张力对气泡融合时间的影响不是单调的。

关键词：不分裂算法数值模拟气泡融合融合时间

三维双气泡融合的格子Boltzmann模拟

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计算物理 2015年第5期32卷 553-560页

作者：吕雅琪聂德明林建忠中国计量学院计量测试工程学院浙江杭州310018

针对基于自由能模型的格子Boltzmann方法,推导D3Q15格子模型对应的平衡态分布函数;采用该模型模拟双气泡的融合过程.结果表明,气泡的融合不仅与它们之间的初始间距有关,还与表面张力有关.表面张力越大,气泡融合的临界距离也越大.此外,... 详细信息

针对基于自由能模型的格子Boltzmann方法,推导D3Q15格子模型对应的平衡态分布函数;采用该模型模拟双气泡的融合过程.结果表明,气泡的融合不仅与它们之间的初始间距有关,还与表面张力有关.表面张力越大,气泡融合的临界距离也越大.此外,研究气泡融合速度与初始间距、表面张力及粘性系数的关系.

关键词：气泡融合格子Boltzmann方法表面张力气液界面

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基于FTM方法的双气泡融合特性模拟

过程工程学报 2019年第2期19卷 263-270页

作者：雷杰王昱马明李培生张莹南昌大学机电工程学院江西南昌330031 圣母大学航空机械系美国印第安纳州46556

采用界面追踪法(FTM)对气泡融合现象进行数值模拟,将模拟结果与文献结果进行对比,验证了计算模型的准确性。结果表明,同轴双气泡上升速度均高于单独气泡的上升速度,且融合后气泡与等直径单气泡上升速度相同。气泡间距较小时,跟随气泡的... 详细信息

采用界面追踪法(FTM)对气泡融合现象进行数值模拟,将模拟结果与文献结果进行对比,验证了计算模型的准确性。结果表明,同轴双气泡上升速度均高于单独气泡的上升速度,且融合后气泡与等直径单气泡上升速度相同。气泡间距较小时,跟随气泡的上升速度更高。引导气泡的厄特沃什数Eo=0.36～9,Eo较大时两气泡上升阶段时间较短,但接触阶段时间较长,接触阶段气泡间的液膜在压力作用下逐渐变薄,最终破裂,气泡融合。Eo(27)4.16时,气泡融合所需时间随Eo增加而增加;Eo(29)4.16时,气泡融合所需时间不再变化。莫顿数Mo=0.57,Eo=5.04～18.72时,存在特定的双气泡初始角度θc,当0°≤θ≤θc时,双气泡相互排斥;当θc≤θ≤90°时,双气泡融合,且θc随Eo增加而降低.

关键词：气泡融合界面追踪法两相流流体动力学数值模拟

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气泡融合及其在剪切作用下的数值研究

气泡融合及其在剪切作用下的数值研究

作者：吕雅琪中国计量学院

学位级别：硕士

气泡在液体中的运动广泛存在于工业、环境等方面,气泡的运动特性一直是学者关注的热点。本文采用基于自由能模型的格子Boltzmann方法对气泡的运动进行数值计算,主要的研究工作及结果如下:(1)推导了D3Q15格子模型对应的平衡态分布函数,... 详细信息

气泡在液体中的运动广泛存在于工业、环境等方面,气泡的运动特性一直是学者关注的热点。本文采用基于自由能模型的格子Boltzmann方法对气泡的运动进行数值计算,主要的研究工作及结果如下:(1)推导了D3Q15格子模型对应的平衡态分布函数,并通过气液界面的理论解和拉普拉斯定律进行了验证。结果表明D3Q15模型可以很好的捕捉气液界面,同时气泡内外压差与气泡表面张力呈线性关系,满足拉普拉斯定律。(2)分别在二维和三维情况下研究了双气泡融合的过程,获得了气泡融合的临界条件。结果表明,无论在二维还是在三维情况下,气泡的初始间距和表面张力是影响气泡融合的两个关键因素。气泡间距越小或张力越大,气泡越容易融合在一起。此外,本文还研究了气泡融合的速度曲线,结果表明气泡融合速度呈阻尼式振荡衰减,最后为零。气泡融合速度的峰值与达到速度峰值所需的时间均与表面张力呈幂律关系。(3)最后,采用三维模型探讨气泡处于剪切流场时的运动特性。结果表明,无论气泡半径大小,总是长轴被拉伸,中轴和短轴被压缩,且中轴的长度总大于短轴的长度。随着毛细管数Ca的增加或气液粘性比的增大,气泡变形和偏转程度越剧烈。

关键词：两相流自由能模型气泡融合剪切

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气泡融合特性对环空流体流动规律影响研究

气泡融合特性对环空流体流动规律影响研究

作者：张东东北石油大学

学位级别：硕士

欠平衡钻井发生气侵时,准确的确定环空气泡形成大小以及气泡在环空中的运移规律是设计并维持安全钻井的关键。目前,基于气泡融合特性对环空气泡运移速度的影响研究还不够深入,本文建立不同储层性质的气体侵入井眼后,气泡的生成大小计算... 详细信息

欠平衡钻井发生气侵时,准确的确定环空气泡形成大小以及气泡在环空中的运移规律是设计并维持安全钻井的关键。目前,基于气泡融合特性对环空气泡运移速度的影响研究还不够深入,本文建立不同储层性质的气体侵入井眼后,气泡的生成大小计算模型,建立气泡融合模型,真实的描述气泡在环空中的上升过程及气泡融合对上升速度的影响,得出井底压力的合理计算方法,为欠平衡钻井的施工设计和井口回压控制技术提供可靠的技术。同时也丰富了流体力学的研究手段。首先,根据地层气体渗流机理,将环空气泡过程形成分为膨胀和脱离两个阶段,建立环空气泡受力模型,通过对气泡形成过程进行受力分析,考虑地层条件和井眼条件等多因素建立气泡形成尺寸计算模型,得出了不同储层条件对环空气泡生成大小的的影响,为环空气泡上升速度计算以及融合规律研究提供了必要的参数。其次,从气泡动力学的角度分析气泡融合的机理,给出了环空气泡融合条件以及融合速度,从而真实的反映气泡在环空中运移时的形态,为环空气侵钻井液的流型划分提供依据。最后,考虑气泡融合速度对井筒流动规律的影响建立了环空流动瞬时压力计算模型。根据建立的环空气泡生成尺寸计算模型、气泡上升速度及融合速度计算模型以及气侵过程中环空流动瞬时压力计算模型,对大庆地区某井井侵过程进行了实例计算,计算结果符合实测数据。通过运用气泡融合特性分析环空流体流动规律,能更准确的计算环空气泡运移时间及井筒压力变化规律,对进一步改善欠平衡钻井设计提供了强有力的理论依据,具有重要的学术意义和应用价值。

关键词：气侵气泡融合上升速度井底压力

均压排气气泡在水下航行体表面的融合特性研究

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均压排气气泡在水下航行体表面的融合特性研究

作者：龚瑞岩哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

高速航行体水下发射是一个极其复杂的过程,涉及到水、气、固三相耦合作用。当航行体受到的载荷不均匀时会导致其航道不稳定,为了稳定航道而采用的均压排气技术被证明是有效的方法,即在航行体表面开设通气缝和通气孔等结构,在航行体运动... 详细信息

高速航行体水下发射是一个极其复杂的过程,涉及到水、气、固三相耦合作用。当航行体受到的载荷不均匀时会导致其航道不稳定,为了稳定航道而采用的均压排气技术被证明是有效的方法,即在航行体表面开设通气缝和通气孔等结构,在航行体运动的同时主动通气形成附着气泡来稳定航行体表面压力,过程中存在着气泡的生成、发展、融合、溃灭等现象,气泡的融合对于航行体稳定的运行环境起着关键的影响。本文为研究航行体出水运动中均压排气气泡融合特性设计并进行了试验和数值计算,分别探讨了单排开孔、双排开孔和孔缝联合三种结构形式对气泡融合的影响,为航行体通气形式的设计提供参考。首先,对航行体的单排开孔均压排气过程进行了试验和数值模拟。总结了通气气泡的流动形态变化规律,给出了通气气泡的流动形态分区。分析了该结构形式下的气泡融合现象,并给出了模型开孔数、弗劳德数、通气流量速率等参数对气泡融合特性的影响规律。其次,在单排开孔形式的基础上,通过试验和数值计算研究了双排开孔结构形式下的气泡流动形态,结果表明其气泡流动形态分区与单排相近。研究了该结构形式下气泡融合规律,除了单排结构形式下的气泡横向融合形式外,还存在两排结构气泡间的纵向掺混和融合现象。对比试验结果给出单、双排开孔形式下的气泡融合特性的差别,认为双排开孔结构对气泡的融合有一定的促进作用。并分别给出纵向孔距、模型开孔数量、弗劳德数、通气流量速率等参数对气泡融合的影响规律。最后,研究孔缝联合形式下的气泡流动形态规律,气泡的流动分区与之前不同,其融合规律也有很多不同,试验发现在适当的通气流量参数下,通气缝通气气泡横向和纵向一定可以发生融合现象,对气泡间的融合促进作用比前面两种结构形式更好。最后给出航行体弗劳德数、通气流量速率等参数对气泡融合的影响规律。

关键词：气泡融合均压排气航行体出水试验研究数值计算

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环空气泡融合特性对流体流动规律影响研究

石油地质与工程 2011年第3期25卷 102-105页

作者：艾池张东任帅勤马德成金春玉东北石油大学石油工程学院黑龙江大庆163318 中国石油大庆油田装备制造集团研究院中国石油大庆钻探集团钻技一公司河北联合大学

欠平衡钻井钻遇气层时,地层气体会以小气泡的形式侵入井筒,气侵量是欠压值及打开储层厚度的函数。现有计算环空气泡上升速度的方法仅考虑单个气泡的膨胀上升,没有充分考虑气泡融合特性对气泡上升速度的影响。本文考虑了气侵过程中气泡... 详细信息

欠平衡钻井钻遇气层时,地层气体会以小气泡的形式侵入井筒,气侵量是欠压值及打开储层厚度的函数。现有计算环空气泡上升速度的方法仅考虑单个气泡的膨胀上升,没有充分考虑气泡融合特性对气泡上升速度的影响。本文考虑了气侵过程中气泡碰撞、液相湍流等综合因素,随着气泡沿井筒的不断上升,建立了环空气泡上升速度计算模型,在此基础上,提出了在气侵期间,气泡上升速度随半径的增加而加快,并得出考虑气泡融合特性可以更准确地计算环空气泡上升速度的结论。

关键词：环空流体气泡融合气侵上升速度数学模型钻井理论