重力场与微重力场下气液两相流运动界面的跟踪与模拟

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气液两相流问题是自然界和工业过程中存在的普遍现象,研究这类现象的一个核心问题就是气液两相间存在的运动界面的跟踪与模拟问题。本文基于Level Set法,建立一套完整的气液两相流运动界面的跟踪与模拟算法,研究重力场与微重力场下气液两相流的流体流动以及气液运动界面的运动过程。主要内容包括以下几个方面:1、在原始的Level Set法中引入接触角理论,实现了对于界面润湿现象的模拟,并采用该算法研究了单、双和湿边界的溃坝问题,与实验结果进行了对比验证;2、对原始的Level Set法进行改进,提出了二次面积补偿的新算法,大大提高了气液界面分离时小分离体面积的守恒性;3、重力场下,证实了墙壁对近壁运动物体排斥现象的存在。在规则运动区域内研究了Re数、密度比、粘度比、We数等对近壁单液滴、双液滴、串液滴运动的影响规律;4、采用多Level Set函数的方法,研究了不规则运动区域内Re数、密度比、粘度比、We数等对近壁液滴运动的影响规律;5、微重力场下、考虑重力颤动的影响效果,研究了不同初始位置、密度比、粘度比、We数、振动频率对近壁气泡运动的影响规律,首次证实了微重力环境中存在墙壁对近旁运动物体的吸引现象。大量的数值模拟研究的基础上我们得到了以下主要结论:1、对于溃坝的研究表明不同接触角条件下界面的运动速度不同,因此有必要控制接触角。实验的结果对比发现接触角θ=60°时模拟值与实验值吻合最好;2、关于液滴下降的研究表明Re数主要影响速度场,We数主要影响液滴变形;3、二次面积补偿的研究表明,液滴分裂后面积的守恒性得到改善,面积损失控制在0.4%以内;4、微重力场下,近壁气泡运动研究表明墙壁对气泡的吸引力与气泡的初始位置、密度比、粘度比,We数、振动频率有关,当气泡与墙壁的距离过近或过远,这种吸引现象都将消失。
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