剪切流场中气泡横向迁移方向的转变机理及准则研究

The lateral migration of bubbles in the shear flow field involves the basic process of the two-phase interaction, which determines the local aggregation behavior of the bubbles and affects the distribution of the two-phase macroscopic parameters and the local two-phase phenomena. The direction of the lateral migration of the bubbles is the key problem. However, the mechanism of lateral migration is still insufficient, and there is still lack of systematic study on the influence of important parameters and the corresponding transition criterion. Based on the existing research basis, this project combines the interface tracking method and direct numerical simulation method to establish a validated numerical model to carry out the dynamic study of the lateral migration characteristics of the bubble in the shear flow field. It will clarify the influence of the bubble size on the lateral migration direction mechanism, and also reveal the influence of liquid viscosity and shear flow intensity on the reverse of lateral migration direction, and establish a comprehensive transition criterion. The development of this project is of great significance to reveal the triggering mechanism of DNB, which can help to predict the macroscopic two-phase parameter distribution and local bubble behavior, and has positive significance to perfect the two-phase calculation model.

剪切流场中气泡横向迁移涉及到两相相互作用的基本过程，决定了气泡的局部聚集行为，影响两相宏观参数分布及局部两相现象，而气泡横向迁移方向转变是需要重点关注的问题。但目前对气泡横向迁移方向的转变机理研究仍不充分，缺乏重要参数影响的系统性研究及相应的转变准则。基于已有研究基础，本项目结合界面追踪方法和直接数值模拟等方法，建立经验证的数值计算模型，开展剪切流场中气泡横向迁移特性的动力学研究，阐明气泡尺寸对横向迁移方向的转变机理，揭示液体粘性和剪切流场强度对横向迁移方向转变的影响规律，并建立综合的横向迁移方向的转变准则。本项目的开展，对揭示偏离泡核沸腾的触发机理有重要意义，有助于预测宏观两相参数分布和局部气泡行为，同时对完善两相计算模型有积极作用。

剪切流场中气泡横向迁移涉及到两相相互作用的基本过程，决定了气泡的局部聚集行为，影响两相宏观参数分布及局部两相现象，而气泡横向迁移方向转变是需要重点关注的问题。但目前对气泡横向迁移方向的转变机理研究仍不充分，缺乏重要参数影响的系统性研究及相应的转变准则。综合考虑已有的研究成果，本项目开展了气泡横向迁移实验和数值模拟研究，确定了聚集特性的主要影响因素与无量纲参数，获得了气泡聚集的判断准则（即升力模型），并和已有实验结果比较，确定模型的适用性，并就剪切流场中气泡大小及关键参数对气泡聚集特性的影响进行了分析。具体如下：. 在实验研究方面，设计并搭建了能够研究低粘流体中气泡在剪切流场中迁移特性的实验装置，实现了对低粘水中气泡迁移特性的研究，系统地分析了雷诺数、剪切流场强度和尾流对气泡迁移特性的影响，并分别提出了针对表面张力控制区和惯性力控制区气泡升力计算关系式，并和现有实验数据符合的很好。. 在数值模拟方面，观察了气泡尺寸的增加，气泡横向的净迁移存在方向上的转变的过程，分析了气泡迁移方向、流线轨迹、气泡形状、不对称涡量等分布特性，分析了气泡升力系数随气泡当量直径、雷诺数、韦伯数和谢尔德数的变化过程，证实实验结果并拓展了范围。. 在气泡横向迁移准则方面，针对表面张力和惯性力控制区气泡特性的差别，分别对表面张力和惯性力控制区的气泡升力特性展开分析，并依据实验数据，考虑到剪切流场的作用，分别提出升力系数关系式，并将新提出的关系式和实验数据对比，误差大部分在±30%以内，基本满足在±20%误差线内的要求。针对表面张力控制区，气泡升力系数方向发生改变时，其临界尺寸在3.3-3.6 mm范围内。