气泡运动广泛存在于工业生产中,如油水分离器的气穴现象,船舶螺旋桨的水流空蚀,锅炉的沸腾以及潜艇作业时排出舱外的废气等。鉴于此,本文以水下排气气泡为研究对象,探讨水下单气泡运动特性,水下气泡生成机理,气泡体积变化与气泡物质成分(如二氧化碳)的相关性以及气泡群中气泡的破碎与聚并。首先,基于牛顿定律建立了单气泡力学模型,分析气泡在多变流体中的受力状况,研究气泡运动时的阻力大小、加速度大小以及气泡生成体积的变化。其次,运用数值模拟方法建立水下气泡仿真模型,探讨气泡生成机理及其运动轨迹的变化。通过多相流VOF与Level Set相结合的方法计算气泡体积的大小,进而研究气泡体积与气泡出口孔径、废气平均流速以及溶解特性(由于不同气泡成分所致)之关系。研究表明:气泡体积生成过程可分为“膨胀阶段”与脱离阶段,当气泡出口孔径一定时,增大气体流速,气泡体积相应增大并且脱离时间变短。基于Maxwell-Stefan方程探讨气泡可溶性时,发现常温状态下,气泡运动过程中的二氧化碳溶解度很小,可以忽略不计。基于Fluent的UDF编程,研究了气泡群中气泡的破碎与聚并,结果表明:气泡群开始运动时,气泡的破碎与聚并现象并不明显,当气泡运动一段距离后,气泡群的破碎与聚并现象随机性越来越频繁。同时,通过群体平衡模型获得了气泡群的气泡直径分布状况,并发现气泡直径成V型分布,气泡直径整体随运动高度增加而增大。最后,为验证所建计算模型的正确性,进行了水下气泡运动学特性试验。考虑到水下光能衰减严重,为适应复杂多变的水下环境,合理设计了相应的水下照明系统。注意到蓝光穿透能力强,光能损失较小,选择蓝色LED灯为照明光源。由于悬浮粒子及水体本身对光能吸收和散射等诸多因素影响,气泡图像采集对高速相机的性能要求更苛刻,选择COMS工业相机搭建了气泡图像采集平台,结果计算结果基本一致:水下单气泡先直线运动后螺旋上升,气泡水平方向速率逐渐增大,到达液面后速度接近零。气泡群的运动状况复杂多变,气泡粒径分布符合群体平衡模型。