复杂几何流道内运动变形气泡与热质传递之间的相互作用机理研究

通过可视可测化实验和计算机图像处理技术，研究不同摆放方向的复杂几何流道内，气泡在溶液中运动的动力学特性、气泡形状演变和容积变化基本规律。建立数学模型描述气泡在这些流道内运动规律。研究数值方法准确跟踪有和无相变时气泡界面位置。利用所研究的数值方法编制计算程序，并模拟复杂几何流道内气泡运动变形行为与热质传递间的相互作用和相互影响。掌握气泡运动中变形与周围各场之间的相互作用和相互影响规律；获得热质传递的局部特性和对气泡容积变化规律。将数值模拟结果与实验结果进行比较，修改模型，最终获得能够描述复杂几何通道内气泡运动、变形和容积变化与周围各场之间的相互影响的规律。为实现气泡运动和传热传质工业过程的数值模拟奠定理论基础。

本项研究通过可视性实验和数值模拟方法研究了复杂几何流道内运动变形气泡与热质传递之间的相互作用机理。在此研究中，利用高速摄影技术和计算机图像处理技术研究气泡在楔形流道内的动力学特性，并获得了气泡的运动规律。同时，还将此技术应用于静止溶液中上升的可溶性CO2气泡的行为的同步观测研究。对具有相变的可溶性CO2气泡的上升过程中传热传质规律进行了分析研究。此外，研究了单气泡在上升过程中与圆管壁面的相互作用问题，探讨了气泡在复杂几何流道圆管壁面之间的上升、滚动、反弹和贴附等运动变形特性和规律。另一方面，应用两种计算方法来模拟气泡在复杂几何流道内运动变形。其中，一种是提出改进的贴体坐标下Level set方法，将贴体坐标下界面追踪方法应用于气泡在液体中上升过程中的动力学行为的模拟。为了解决贴体坐标Level set方法中气泡体积非守恒性以及非正交网格引起的流场数值耗散问题，引入体积修正法和局部重新初始化方法。以此为基础，首次对楔形流道内气泡的运动机制进行了模拟研究。将贴体坐标上的Level set方法应用于楔形孔板流量计内游移型气泡的数值模拟。并获得了楔形孔板流量计内混相密度与流量之间的关系式，为校正楔形孔板流量计测量精度提供参考。另一个是基于Lattice Boltzmann方法模拟具有三个半圆形喉部的复杂通道内气泡的上升运动。通过分析气泡变形、运动轨迹、运动速度的变化，分析半圆形喉部管道对气泡运动特性的影响，将模拟结果与实验结果对比，吻合良好。在此基础上提出一个体积修正方法，解决三维数值模拟中质量损失严重问题。这两种数值方法都具有相界面处理简单易行，程序易于实现等特点。以上这些成果部分发表于不同期刊和会议上，还有部分文章处于审稿之中。