近壁面浮力驱动非球形气泡迁移规律及其诱导尾迹研究

The behavior of bubble migration and induced wake rising near wall is one of the focuses in the research field of gas-liquid two-phase flow. In this project, the migration, evolution and induced wake of rising bubbles will be firstly measured by methods of high-speed photography and particle image velocimetry. Meanwhile, the gas-liquid interface and vortex structures of induced wake will be resolved by means of interface capturing and direct numerical simulation. The aim of this research is to clarify the interaction mechanism among the bubble migration, shape evolution and vortex structures of induced wake near wall, and then to reveal the general principles of migration and evolution of non-spherical bubbles and also to develop mathematical models of drag and lift forces considering the wall effect. The present research is of great academic significance to clarify the complex bubble migration and its wake behavior near wall. The corresponding results will be very helpful for the rational design of bubble flow process and the effective control of flow characteristic parameters near wall in the industrial process.

近壁面气泡迁移运动及其诱导的尾迹行为是气液两相流领域的研究热点和难点。本项目拟采用高速摄影及粒子图像测速技术测量气泡迁移运动、演化及尾迹流场信息，并利用界面捕捉和直接数值模拟方法解析气液界面和尾迹旋涡结构，旨在阐明近壁面气泡迁移运动、形状演化、尾迹旋涡结构之间的相互作用关系，以揭示近壁面非球形气泡迁移运动及演化的一般性特征规律，并构建耦合壁面效应的曳力及升力数学模型。本项目的研究对于明晰近壁面复杂的气泡迁移及其尾迹行为具有重要的学术意义，相关研究结果对于合理设计气泡流动过程、有效控制工业过程中近壁面气泡流动特征参数具有一定的工程指导意义。

为明确近壁面非球形气泡迁移运动及其诱导的尾迹行为，本项目采用可视化技术对不同壁面条件和液相性质下的气泡迁移行为进行了实验研究，探究了离壁距离、壁面亲疏水性、表面活性剂对气泡轨迹、形状、上升速度的影响规律，查明了气泡与壁面碰撞、黏附、反弹及自由滑移过程中的气泡动力学行为规律，归纳出了近壁面气泡纵横比、终速度、曳力系数及气泡动能和表面能的变化规律，提出了耦合壁面效应的曳力及升力数学模型，为采用欧拉双流体模型数值模拟研究近壁面气泡流动过程提供了可靠的相间作用力模型。基于OpenFOAM中的interFoam求解器，采用流体体积法对近壁面非球形气泡上升运动过程进行数值模拟，考察了二维情况下初始离壁距离、气泡直径、气泡形状和液相粘度等参数对气泡上升动力学特性的影响。基于开源软件Basilisk，采用VOF方法捕捉小尺度气泡相界面，并结合自适应网格技术对气液界面及流场中高速度梯度区域进行加密，深入研究并揭示了近壁面气泡迁移运动规律、尾迹及旋涡结构特性、气液相间作用规律。研究表明：在纯水系统中，初始离壁距离越小，壁面对气泡的吸引效应越强。壁面吸引效应将导致气泡在壁面上发生周期性弹跳，气泡动能与表面能之间相互转化。弹跳过程中能量耗散，气泡终速度减小。疏水壁面对气泡的吸引效应更强，气泡轨迹振荡周期和幅度均小于亲水壁面的情况。添加表面活性剂后壁面对气泡的形状和速度的影响减弱，气泡变形程度减小，气泡轨迹的振幅和周期减小，气泡轨迹更加稳定。壁面改变了气泡周围的流场分布，导致了气泡发生横向迁移运动。壁面有诱导气泡尾迹脱落的作用，气泡更容易从稳定的直线上升状态转变为不稳定的振荡状态。在壁面的影响下，垂直于壁面方向上气泡尾涡的对称性很容易被破坏，而平行于壁面方向上的气泡尾涡的对称性则能保持更长时间的稳定。此外，气泡初始形状对近壁面气泡的运动行为影响较小。