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文檔簡介
1、在自然界和各種工業(yè)設(shè)備中,氣液兩相流動(dòng)以及沸騰現(xiàn)象廣泛存在。研究氣液兩相流動(dòng)及沸騰現(xiàn)象,在石油工程、化學(xué)工程、核能、電力、冶金、環(huán)境保護(hù)、航空航天等領(lǐng)域均具有重要意義。由于兩相之間存在的相互作用以及相界面的拓?fù)渥兓?,?dǎo)致氣液兩相流的機(jī)理比單相流動(dòng)更為復(fù)雜。同時(shí),氣液流動(dòng)過程中常常伴隨著兩相間的傳熱傳質(zhì)和相變現(xiàn)象,使得氣液兩相流動(dòng)及沸騰過程的研究面臨很大的挑戰(zhàn)。通過分析氣泡的動(dòng)態(tài)行為特征來研究沸騰傳熱一直是研究沸騰現(xiàn)象的重要方法,了解氣泡
2、成核、生長以及脫離壁面等過程是認(rèn)識(shí)和理解沸騰換熱過程的關(guān)鍵。迄今為止,國內(nèi)外眾多研究者結(jié)合沸騰傳熱特性對(duì)氣泡的演化行為和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,但是由于氣液兩相流動(dòng)和沸騰過程的極端復(fù)雜性,目前人們還沒有從機(jī)理上完全揭示兩相流動(dòng)及沸騰現(xiàn)象的本質(zhì)特征。
傳統(tǒng)的宏觀數(shù)值模擬方法在模擬氣液兩相流動(dòng)和沸騰過程時(shí)難以追蹤大量細(xì)小分散的界面,而且簡化假設(shè)條件較多,雖然可以描述少數(shù)大的界面運(yùn)動(dòng),但是往往無法刻畫出一些兩相流動(dòng)的
3、細(xì)節(jié)。同時(shí),宏觀數(shù)值方法能夠模擬的范圍有限,當(dāng)計(jì)算的網(wǎng)格尺寸小到一定程度時(shí),數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性將面臨極大的挑戰(zhàn)。隨著研究的深入,僅著眼于宏觀尺度的研究方法已經(jīng)無法完全滿足研究和應(yīng)用的需求。而基于微觀尺度的模擬方法,雖然能夠直接建立微觀尺度的模型以反映復(fù)雜流動(dòng)傳熱過程的內(nèi)在機(jī)理,但其模擬過程涉及的分子數(shù)目十分龐大,往往超出當(dāng)前的計(jì)算能力,導(dǎo)致無法利用微觀模型實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際的復(fù)雜兩相流動(dòng)問題的研究。
作為介觀尺度模擬方法之一的格子Bol
4、tzmann方法,基于其本身的微觀粒子的特性,通過描述不同相態(tài)粒子之間的相互作用,能夠清晰地捕捉相界面,已經(jīng)發(fā)展成為一種模擬多相流、相變問題的有效數(shù)值方法。與此同時(shí),基于氣液兩相流動(dòng)及沸騰問題本身的多尺度特性以及單一尺度的模擬研究所面臨的問題,對(duì)于這類復(fù)雜問題的多尺度模擬越來越受到研究者的關(guān)注和重視。近年來,一種新型的免方程多尺度模擬框架被提出,其關(guān)鍵思路是繞過從微觀、介觀尺度模型中獲取宏觀模型方程這一傳統(tǒng)過程,為復(fù)雜過程和系統(tǒng)的多尺度
5、模擬提供了一種全新的思路。在這樣的背景條件下,本文基于格子Boltzmann及免方程多尺度模擬方法,對(duì)氣液兩相的分離過程及氣泡動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了深入研究。本文的主要研究內(nèi)容包括以下三個(gè)方面:
1)由于多相格子Boltzmann偽勢(shì)模型直接通過流體粒子間的相互作用力來反映不同相態(tài)流體之間的相互作用,其作用力格式的選取方式將對(duì)模型的結(jié)果產(chǎn)生直接的影響。本文針對(duì)多相偽勢(shì)模型中常用的作用力格式進(jìn)行分析,基于Gong和Cheng對(duì)偽勢(shì)模型中
6、作用力項(xiàng)的改進(jìn)思路,對(duì)偽勢(shì)模型中的作用力格式進(jìn)行了改進(jìn),進(jìn)一步提升了偽勢(shì)模型的穩(wěn)定性和適用范圍。
2)根據(jù)格子Boltzmann方法和免方程多尺度模擬方法的特點(diǎn),本文提出以介觀LBM模型作為微細(xì)尺度模型,利用免方程多尺度方法對(duì)氣液兩相的分離過程進(jìn)行了模擬研究。通過模擬幾種不同狀態(tài)方程控制下的氣液兩相分離過程,表明該多尺度模擬方法能夠成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)氣液兩相分離過程的模擬。并且該方法不僅能夠有效地提升模型的計(jì)算效率,同時(shí)還能確保模型
7、的準(zhǔn)確性,充分體現(xiàn)了其在復(fù)雜過程或系統(tǒng)的模擬研究中所具有的優(yōu)勢(shì)。
3)基于單組分偽勢(shì)模型的沸騰相變模型,其相變由偽勢(shì)模型中引入的氣體狀態(tài)方程所決定。氣體狀態(tài)方程雖然能夠較好地反映出氣液兩相密度等物性參數(shù),但是由于狀態(tài)方程計(jì)算所得的壓力在兩相界面區(qū)域與實(shí)際壓力有偏差,導(dǎo)致不同區(qū)域的相變量不一致,流體區(qū)域出現(xiàn)過冷的現(xiàn)象,從而使得沸騰相變過程的模擬精確度受到一定的影響。針對(duì)這一問題,本文對(duì)溫度方程中與相變相關(guān)的源項(xiàng)進(jìn)行了改進(jìn),直接引
8、入相變潛熱的計(jì)算,確保單位流體在相變過程中所吸收的熱量保持恒定,避免了由狀態(tài)方程計(jì)算相變潛熱所引起的誤差和模型的不穩(wěn)定性?;诟倪M(jìn)的相變換熱模型,本文對(duì)池沸騰和流動(dòng)沸騰過程中氣泡的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了模擬研究。此外,本文還通過耦合LBM和有限容積法,在靠近加熱壁面的區(qū)域選取LBM模型,而在遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域選取有限容積法,對(duì)氣泡的生長、脫離過程進(jìn)行了多尺度耦合模擬。
本文的研究為多相流動(dòng)及沸騰過程的多尺度模擬進(jìn)行了有益的探索,通過建立更
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