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33总174期 2023.12 混凝土世界引言混凝土是一种广泛应用于工程结构中的复合材料，其在动态荷载作用下的力学性能与静态荷载作用下的力学性能有显著差异，因此研究混凝土的动态本构关系对于理解和预测混凝土结构在冲击、爆炸等极端条件下的响应和破坏具有重要意义。
为描述混凝土在高应变率下的非线性、各向异性、损伤和孔隙压实等特征，许多学者提出了不同的动态本构模型，如HJC模型、RHT模型、TCK模型等。
其中，RHT模型是由Riedel、Hiermaier和Thoma提出的一种基于损伤力学和孔隙压实理论的混凝土本构模型，其具有形式简单、参数少、适用范围广等优点[1]。
钢渣是一种由高炉冶炼铁或转炉精炼钢时产生的副产品，其主要成分为氧化铁、氧化硅、氧化铝、氧化钙等[2]，具有良好的物理力学性能和耐久性能，可作为混凝土中骨料或水泥的替代材料使用，从而提高混凝土的强度、耐久性和抗渗性，实现钢渣的资源化利用，减少环境污染[3-6]。
然而，目前对钢渣混凝土在动态荷载作用下的力学性能和本构关系的研究还较少，尚缺乏适用于钢渣混凝土的RHT动态本构模型。
因此，本文首先通过力学试验获得不同掺量钢渣混凝土的静态力学性能参数，包括轴心抗压强度、弹性模收稿日期：2023-9-13第一作者：常银会，1997年生，硕士，主要从事固废混凝土的研究与应用相关工作，E-mail：****************项目信息：宁夏回族自治区重点研发计划“煤电与冶金多固废协同高效制备绿色高性能混凝土关键技术与规模化应用”（2022BDE02002）基于RHT本构模型的钢渣混凝土SHPB模拟研究常银会 楚京军 侯 荣 刘亚娟宁夏赛马科进混凝土有限公司 宁夏 银川 750000摘 要：本文采用试验和数值模拟相结合的方法，对钢渣混凝土的静力学性能和冲击动力学性能展开研究。
在试验部分，制备了四种不同钢渣掺量（0%、25%、35%、45%）的混凝土试件，并对其抗压强度和抗拉强度进行测试。
搅拌釜生物反应器中污泥絮凝曝气的CFD多相种群平衡耦合模型的联合仿真摘要：曝气搅拌槽生物反应器通常用于通过微生物环境转化有机物和去除营养物质。
基于气（气）固（泥）群体平衡模型（pbm）的多相流计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamic CFD）在不同时间尺度上模拟复杂的多物理现象。
联合模拟耦合CFD-PBM 动力学模型，捕捉生物质生长动力学和反应器水力动力学对整个过程的影响。
絮体粒径分布是至关重要的，因为它决定了最终絮体结构的不同等级，分别用作商业好氧废水处理。
耦合群体平衡方程采用连续偏微分方程的非均相离散方法求解污泥絮体，气相采用标准矩法求解，二者同时求解同时求解，影响生物质动力学的增长。
此外，在全瞬态CFD分析中，还研究了搅拌器转速和空气流速对生物量动态增长的影响。
通过用户定义函数（UDF），模型中使用了生物量增长率的动力学，作为氧饱和度和空气/流量平衡的函数。
多相系统方法学中的多物理综合模拟（co-simulation）是研究生物反应器中生物量生长各个参数影响的一个有价值的工具。
引言：群体平衡模型（PBM）在生物制药、污水处理厂、食品加工、生物反应器、细菌生长培养等领域有着广泛的应用（Zhang，2009；ANSYS Theory guide，2015；Qian Li，2017）。
在生物化学工业中，种群平衡模型对颗粒或气泡尺寸分布（PSD）的确定起着重要作用。
（Ding和Biggs，2006）使用离散PBM模型检验了活性污泥絮凝，确定了剪切和颗粒大小对碰撞效率的破碎率系数影响。
平均流速梯度增大，絮体粒径减小。
过程是周期性的，絮体的大小随着时间的推移而变化，聚集和分解是唯一的过程机制。
在不假设悬浮液的流变依赖性与碎裂、异凝、异聚、颗粒吸附或核化现象之间的额外相互作用的情况下，简化了文献中的种群平衡模型的大小（Heath等人，2003；Oshinowo等人，2016；Chen等人，2004）。
工业搅拌与混合技术进展虞培清，周国忠（浙江长城减速机有限公司，温州325028）摘要：工业搅拌与混合技术在近些年来取得了很大的发展，本文综述了这方面的进展情况。
重点对新型搅拌与混合设备的开发、流场测试与计算流体力学以及搅拌设备选型与设计软件四个方面进行了综述与评价，并就国内的研究现状进行了简单概述。
关键词：搅拌，混合，搅拌器，流场测速，计算流体力学（CFD），专家系统搅拌与混合是化学、制药、食品、环保等工业中最常见的关键单元操作之一。
比如，一个合成纤维厂中，作为核心设备的聚合反应器仅两台，而与之配套的配料槽、溶解槽、稀释槽、缓冲槽等辅助搅拌设备则多达30台。
在高分子材料生产中，作为核心设备的聚合反应器85％是搅拌设备。
在制药发酵生产过程中，从种子培养到关键的发酵过程，几乎全部是搅拌设备。
鉴于搅拌设备的广泛应用，随着近年来工业技术的发展，流体混合技术在上世纪60到80年代期间得到了迅猛发展,其重点主要是对于常规搅拌桨在低粘和高粘非牛顿均相体系、固液悬浮和气液分散等非均相体系中的搅拌功耗、混合时间等宏观量进行实验研究。
长期以来,虽然有大量设计经验和关联式可用于分析和预测混合体系,但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到工业规模,仍是十分危险的,至今仍然需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。
这种方法不但耗费巨额的资金和大量的人力物力,而且设计周期很长。
据统计，在工业高度发达的美国，化学工业由于搅拌反应器设计不合理所造成的损失每年约为10—100亿美元。
因此，从更微观更本质的角度,例如采用先进的测试手段和建立合理的数学模型,获取搅拌槽中的速度场、温度场和浓度场,不仅对开发新型搅拌设备，而且对搅拌设备的优化设计具有十分重要的经济意义,对放大和混合的基础研究具有现实的理论意义。
近些年来,工业搅拌与混合设备的一些新进展主要集中在以下几个方面。
1.新型搅拌与混合设备的开发在很多情况下，搅拌设备是作为一种辅助设备使用的，其操作条件比较简单，搅拌的目的多是以混合和固－液悬浮为主，其搅拌器常用轴流式搅拌器或开启涡轮。
工业装备合成橡胶工业,2008-05-15,31(3):174~178CH I NASYNTHET I CRUBBERI NDUSTRY搅拌器内两相流动及混合过程的数值分析黄 思,郑茂溪,王宏君(华南理工大学工业装备与控制工程学院,广东广州510640)摘要:以油和水2种液体作为模拟实例,搅拌器采用宽桨和窄桨2种叶轮的组合方式,应用计算流体力学技术对搅拌器中两相介质的混合过程进行模拟分析。
结果表明,搅拌的开始阶段,两相流体无论是流场分布或是流动范围均有较大的区别,随着搅拌时间的延长,叶轮抽吸结果使搅拌轴中心产生低压区;重相液体因叶轮离心力的作用一般集中在容器边壁;轻相液体则在上层叶轮的作用下首先向搅拌轴中心聚集,然后沿着搅拌轴向下移动,到达容器底部后在下层叶轮的作用下扩散到搅拌槽四周,最后两相流体的流场分布、流动范围逐渐趋近一致,达到均匀状态;下层叶轮的转矩及轴功率是上层叶轮的2倍以上,选取高效的下层叶轮对于提高搅拌装置的效率十分重要。
关键词:搅拌器;两相流动;混合过程;数值模拟中图分类号:TQ 05117 文献标识码:B 文章编号:1000-1255(2008)03-0174-05搅拌设备广泛用于化工、食品、医药、能源及环保等领域,主要涉及固液、液液、气液的混合及分散、强化传热传质等多相流动问题。
多相流动现象的复杂性,使得搅拌设备设计成为一项耗时费力、依赖经验的工作。
近年来迅速发展的计算流体力学技术(CFD)与理论、实验相辅相成,逐渐成为研究流体工程的重要手段。
采用CFD 模拟预测搅拌设备的内部流动及外部混合特性并指导产品设计,是流体混合技术的发展趋势。
由于计算模型、计算机硬件技术的限制,目前大多数搅拌器的流动分析研究还仅限于单相体系[1-4],有关多相介质尤其是分散相浓度较高体系的研究工作鲜有报道。
本工作应用流动分析软件F l u ent 建立了搅拌器的几何模型和计算模型,模拟计算了搅拌器中两相介质混合过程的现象和机理,为搅拌设备的优化设计提供理论依据。
挤出机T型机头三维有限元模拟
麻向军;彭响方;孙树秋;童玉宝;赵军
【期刊名称】《广东塑料》
【年(卷),期】2006(000)005
【摘要】利用Polyflow软件对一种T型机头内的熔体流动现象进行了三维有限元数值模拟,结果表明,模拟计算得到的流动均匀性指数与解析解十分接近.并对熔体在机头中的速度场和压力场进行了分析.
【总页数】3页(P61-63)
【作者】麻向军;彭响方;孙树秋;童玉宝;赵军
【作者单位】华南理工大学工业装备与控制工程学院,广州,510640;华南理工大学工业装备与控制工程学院,广州,510640;华南理工大学工业装备与控制工程学院,广州,510640;华南理工大学工业装备与控制工程学院,广州,510640;华南理工大学工业装备与控制工程学院,广州,510640
【正文语种】中文
【中图分类】TQ32
【相关文献】
1.异向双螺杆挤出机机头模具内三维流场的数值模拟 [J], 王晓瑾;李志敏
2.用Solidworks 2001Plus制作挤出机机头三维模型 [J], 田军涛
3.L形片材挤出机头流道压力分布三维有限元分析 [J], 宿果英;杨卫民;丁玉梅
4.胎面双复合挤出机机头流道压力分布三维有限元分析 [J], 夏巍;贺建芸;程源
5.L型片材挤出机头流道速度分布三维有限元分析 [J], 宿果英;杨卫民;丁玉梅
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2021.17科学技术创新基于D P M 模型的T 型管颗粒运动轨迹模拟仿真吴辉刘婷*阳勇唐汇军殷旺(湖南交通工程学院机电工程学院,湖南衡阳421001)T 型管应用领域十分广泛,日常生活中大量应用T 型管进行流体的分流,在化工实验中常用T 型管来排除水蒸气导管中的冷却水,此外,医学上也应用柔软无刺激的T 型管进行引流、支撑和吸引。
[1-3]以天然气输送为例,天然气在管道输送过程中高速流动,因此天然气含有的高速固体碎屑和颗粒(金属微屑和灰尘颗粒)等会对管道壁面及接口形成冲击磨损,最终给天然气输送管线及其特殊的管道构件带来极大的安全隐患,而D M P 模型在研究上述的能源、排污等领域颗粒冲蚀问题都有很好的结果。
针对上述问题,前人进行了一系列相关研究,探究产生冲蚀的机理和影响冲蚀的因素。
针对天然气管道弯头处的冲蚀情况进行研究,利用CFD 模拟研究弯头的冲蚀失效机理,并通过分析弯头处的速度场和压力场指出弯头大弧面处为危险截面。
通过建立天然气管道气固两相的流动方程,利用数值模拟的方法来分析求解气固混合物冲蚀能量,利用能量的变化规律来分析冲蚀的机理。
从前人研究的结果可以发现影响管道冲蚀的因素有很多,其中管道的结构特点是影响管道冲蚀的一个非常关键的因素。
目前针对天然气管道中T 型管件冲蚀的研究还不太多。
为此,利用FLU EN T 模拟T 型管内的颗粒运动,通过模拟结果来分析冲蚀与颗粒运动的关系,为生产中消除相应的安全隐患提供参考依据。
[4-7]1D P M 理论1.1力平衡平衡通过对直角坐标系下粒子的作用力微分方程进行积分来求解离散粒子(液滴或固体粒子)运动轨道。
粒子作用力(作用在粒子表面及体积上的各种力)平衡微分方程的笛卡尔坐标系形式为:(1)其中,粒子质量力F D 为(2)u 为流体流动速度,u p 为粒子运动速度,μ为流体的动力粘度,ρ为流体的单位密度,ρp 为粒子单位密度,d p 为粒子的平均直径,R e 为粒子的相对雷诺数,其大小为(3)拉力系数C 大小为:(4)对球形粒子,当雷诺数在一定范围内,C D 采用如下表达式:(5)1.2D PM 模型边界条件当粒子与管道壁面进行碰撞时,将可能发生以下几种情况之一:(1)粒子发生非弹性的或弹性的碰撞反射。
T型微通道内两相流动数值模拟和流场分析摘要：借助相场方法数值模拟t型微通道内两相流动，通过改变毛细数大小，得到三种形成机理下的离散相。
随着毛细数增大，离散相形成过程对微通道内压强和速度的影响减弱。
abstract： the two-phase flow was simulated in a t-junction micro-channel by using the phase field method， and three type droplets were obtained with different capillary number. we found that the influence of droplet formation on pressure and velocity became weak as the capillary number increases.关键词：相场方法；数值模拟；微通道；毛细数key words： phase field method；numerical simulation；micro-channel；capillary number中图分类号：tq021.1 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2012）31-0180-020 引言微通道的尺寸非常小，其通道的宽度一般在之间，流量小[1]，借助微通道可以进行两相流体的混合、纳米粒子合成、蛋白质结晶等。
在化工方面，要求能够控制微通道内化学物质输运的时间和物质空间的分布[2，3]。
近年来，研究者对不同结构微通道内流动的控制产生了极大的兴趣，成为一个重要的研究方向[4]。
雷诺数是惯性力和黏性力之比，微通道内雷诺数小，两相流动受到黏性力的影响，在通道壁面约束下，表面张力和挤压力对离散相的形成起到重要作用。
微通道的制作工艺精度较高，监测通道内流动的设备需要极其微小，这些都使得采用实验研究微流动的难度和费用较大，而数值模拟能够克服这些缺点。
数值仿真工具在“机械振动学”课程教学中的应用作者：俎群马驰骋李欣业刘硕来源：《科技风》2024年第16期摘要：随着科学技术发展，数值仿真模拟为抽象理论知识的学习及应用提供了可视化、低成本、高效率之新途径。
基于ABAQUS有限元软件，以复杂服役环境下DF17导弹振动抑制为工程背景，以梁的横向振动模态为研究对象，分别模拟计算五种常见梁的前三阶横向振动固有频率及振型。
与理论推导结果对比，进行误差分析，验证梁模型的适用条件。
数值仿真模拟与理论学习的有机结合将有效强化学生对振动基本理论的理解，提高先进工具应用能力和问题分析能力。
关键词：数值仿真；机械振动；课程教学；模态分析中图分类号：G642文獻标识码：A一、概述从中国制造世界最大推力70吨级振动台，到实现世界最大单体隔震建筑——北京大兴国际机场的运营，可以知道，振动是影响高端装备、土木建筑等安全性与可靠性的关键因素，也是工程设计及应用中最具挑战性的核心对象。
“机械振动学”理论学习及运用对航空航天、机械工程、土木工程等领域发展举足轻重［1］。
“机械振动学”作为部分工程类专业基础课程，系统地阐述了振动的基本理论与分析方法［23］。
由于该课程具有内容广泛、理论抽象、公式繁多等特点，且学生已习惯在静力学框架下分析问题，在动力学理论学习过程中普遍反映知识抽象、理解困难。
振动实验是辅助学生理解知识和实践应用最行之有效的方法，但通常学时有限且成本较高。
随着科学技术发展，数值仿真模拟为抽象理论知识的学习及应用提供了可视化、低成本、高效率之新途径［45］。
本文以弹性体梁的横向振动为例，应用数值仿真工具辅助理论教学。
DF17导弹作为高超声速、极高精度制导武器，复杂服役环境下振动抑制尤为重要。
在实际飞行过程中，其振动形式是非常复杂的，涉及横向、轴向、扭转等多种振动耦合。
在本科阶段振动基本理论教学中，可将该研究对象简化成欧拉伯努利梁模型进行解耦分析。
下面基于梁横向固有振动模态开展理论分析与数值模拟。
T型微通道内气液两相流数值模拟王琳琳;李国君;田辉;叶阳辉【摘要】采用相场方法,在湿壁面条件下对T型微通道内不可压缩气液两相流动进行了模拟研究.数值模拟中得到微通道内特有气泡——Taylor气泡形成的过程,发现其形成共经历了4个阶段,气泡在形成过程中主要受到挤压力、表面张力、黏性力的作用,分析各阶段这3种力对气泡的作用,得到Taylor气泡形成机理.计算结果表明,挤压力和表面张力在气泡整个形成过程都起作用,表面张力在气泡脱离前达到最小值,黏性力仅在气泡形成前两阶段起作用并在阻塞阶段取得最大值.这些基本规律为有效控制微通道内气泡尺寸和微通道系统设计提供了一定的依据.%The numerical simulation was performed to investigate the incompressible gas-liquid two-phase flow in a T-junction micro-channel with wetted walls using a phase field method. The formation process including four stages of a well defined Taylor bubble was achieved. The Taylor bubble is exerted by three forces in formation process, I. e. , extrusion force, surface tension force and shear stress force of the continuous phase, and the formation mechanism of the Taylor bubble was obtained. The numerical results show that both the extrusion force and the surface tension force act in the formation process of the Taylor bubble, and the surface tension force reaches a minimum value before detachment The shear stress force acts only in the preceding two stages of the formation process, and it has a maximum value in the blocking stage【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2011(045)009【总页数】5页(P65-69)【关键词】微通道;两相流;数值模拟;相场法;气泡【作者】王琳琳;李国君;田辉;叶阳辉【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TQ021.120世纪 80年代,随着微电子机械系统(M EM S)的提出,MEMS内微通道两相流引起了学者的广泛关注.微通道的特征尺度一般小于1mm,管道内的流动几乎可忽略重力作用,因此微通道内的流动性质和传热特性可“等价于”微重力条件下的情况[1].另外,微型气泡或液滴混合[2]、纳米级粒子的合成[3]、蛋白质结晶[4]、生物鉴定[5]和 DNA 分析[6]等都属于微通道两相流动,使微通道内两相流动问题成为研究的热点.常见的两相混合微通道分为T型、Y型和十字型等,其中T型微通道使用率较高.在T型微通道的两个入口处分别注入气体和液体,当毛细数C a小于10-2时,可规律地产生大小和间距一致且不聚合的Taylor气泡[7],这种气泡流能够降低气泡的轴向混合,加速液柱的循环流动,提高换热和传质能力,减少物质损失[8].Tay lor气泡在形成过程中会受到通道形状、大小的限制,它是微通道内特有的气泡类型,与常规尺度通道内气泡运动相比,微通道内Tay lor气泡在形成过程中阻碍液相流动,使液相压强增大,液相中持续增加的压强是趋使气泡在颈部断裂的主要原因,同时Tay lor气泡还受表面张力、黏性力的影响,这些都使微通道内流动复杂性增加.Taylor气泡的长度影响换热率,许多应用领域要求精确控制微通道内气泡的长度、体积和产生率.因此,研究Tay lor气泡的形成机理,阐明影响因素,对有效控制气泡尺寸等方面具有重要意义.由于微通道尺度极小,通过实验精确观察或测量气泡的变形、脱离,以及气泡脱离后的长度、体积和通道内流场与压强分布难度大[7].随着计算机技术的迅速提高,采用数值模拟研究微通道内的流动成为主要手段,并取得了较大的进展.目前,研究两相流界面运动常用的数值方法有水平集法(LSM)、流体体积函数法(VOF)、标记粒子单元法(MAC)、相场法(PFM)等,这些方法为深入研究微通道内两相流动提供了有效和便利的途径.基于流体自由能量模型的相场方法借助Cahn-Hilliard方程,利用化学势描述两相界面,以分离两种不同的流场,在相场模型中采用标准对流技巧,使得它在使用非结构化网格或有限元技巧模拟中相比其他方法更容易实施,并能够模拟能量耗散流动[9].本文采用相场方法,借助质量守恒方程、N-S方程和Cahn-Hilliard方程,对T型微通道内密度比接近1∶1 000的气水两相流动进行数值模拟,得到Taylor气泡的形成过程,通过分析 Tay lor气泡产生过程中的受力情况和通道内压强分布,总结出微通道内流动特性和气泡产生机理,为微通道气液两相流系统的设计和气泡尺寸控制提供参考.1 物理模型及数值方程1.1 物理模型本文以 T型微通道作为物理模型,如图1所示.气体通道延伸进水平通道的部分称为气液混合区.空气和水分别从管道的上部和左侧进入,在混合区混合,从出口流出,通道直径D为111μm,空气通道长3D,水通道长6D,主管道长28D,混合区宽度为111μm.水和空气的物理性质见表1.图1 T型微通道示意图表1 水和空气的物理性质流体密度/kg·m-3黏性系数/Pa·s表面张力系数/N·m-1水 998 0.001 2空气 1.2 0.000 018 0.072 81.2 控制方程和边界条件1.2.1 控制方程由于水和空气的入口速度不高,Re小,故认为微通道内流动为不可压缩黏性层流流动.连续方程和动量方程分别为式中:U是速度向量;p是压强;密度ρ和动力黏性系数μ由以下方程得到其中下标1、2分别表示空气和水.流体体积分数V1为归一化的相场变量,在-1到1之间变化.空气、水对应的φ分别是-1,1,因此气液界面就是φ从-1变化到 1的区域.φ通过Cahn-Hilliard方程求解式中:相场辅助变量ψ =-▽·ε2▽φ+(φ2-1)φ;γ是迁移率;λ是混合能量密度;ε是两相界面厚度,通常设ε=h2c,γ=ε2,h c为网格的特征尺寸. λ满足以下方程式中:σ是表面张力系数.表面张力Fσ通过以下方程求得式中是化学势.本文工作针对二维微通道两相流进行,计算中采用三角形网格.经验证,当网格数大于11 000时,计算结果与网格数无关,故计算网格数取32 472,时间步长取0.000 2 s.1.2.2 边界条件空气和水的入口速度分别为0.04、0.042m/s,方向垂直于入口边界;出口压强为0 Pa;水和壁面接触会浸润壁面,在气液固交界处形成接触角θ,其变化范围为0～π,θ=0表示壁面与水完全浸润,θ=π表示壁面与水完全不浸润.气液界面单位法向量式中:n w、t w分别是壁面单位法向量和单位切向量.计算中取接触角为36°.1.2.3 初始条件设初始时刻的气体通道内充满空气,整个水平通道内充满水,且微通道内流体都处于静止状态.2 数值结果与机理分析2.1 气泡形成过程气相在气液混合区拐角处断裂,形成的气泡称为Taylor气泡.T型微通道通常分为对流接触通道和错流接触通道两类.对于对流接触的T型微通道,文献[10]将其内 Tay lor气泡的形成分为3个阶段.本文模拟错流接触的T型微通道,图2给出此通道内Taylor气泡的形成过程.通过分析可见,Tay lor气泡在通道内的形成可归纳成4个阶段:(1)气泡进入气液混合区阶段(t=0～0.002 s),随着进气量增加,气泡前端进入气液混合区;(2)阻塞阶段(t=0.002 2～0.004 s),继续增大的气泡几乎阻塞气液混合区,只有少量水从气泡底部流过;(3)塌陷阶段(t=0.004 2～0.008 s),气泡底部和壁面接触,气泡主体部分向主通道下游运动,气泡后端的部分流体向气体通道内运动,气泡被逐渐拉长,在气泡后端出现颈部,随着气泡向下游运动,颈部变细;(4)脱离阶段(t=0.008 2 s),气泡在颈部处断裂,此刻一部分气体收缩回气体通道,另一部分气体收缩回主通道,在主通道内形成两端呈圆形的Taylor气泡.图2 微通道内气泡形成过程2.2 气泡表面作用力的变化特性及机理分析Tay lor气泡在形成过程中主要受到3种力:液体的挤压力、黏性力、表面张力[11],其中挤压力和黏性力对气泡表面起破坏作用,而表面张力起维持作用.2.2.1 压力变化特性及机理分析水的挤压力对T型微通道中Tay lor气泡的形成起到非常重要的作用.下面分析水对气泡作用力的变化规律,水平通道中轴线上的压强分布如图3所示.图3 气泡形成过程中水平通道中轴线上的压强分布由图3可见:在气泡形成的第1阶段,水和气泡内压强逐渐增大,水中压强从 300 Pa 增大到500 Pa,气泡内压强从400 Pa增大到1.55 kPa;在阻塞阶段,水中压强加速增大到1 kPa,气泡内压强出现最大值,约为1.68 kPa,比第1阶段小幅增长,压强最大的区域变宽,说明气泡沿水平通道向下游增长;在塌陷阶段,水中压强较第2阶段继续增大到1.4 kPa左右,气泡内压强开始减小,最终下降到1.43 kPa,这一阶段内气液压强变化小,气液界面附近压差减小,气泡后端开始向下游移动,并且气泡沿水平通道继续向下游增长;在脱离阶段,气泡从颈部脱离,气泡内压强保持脱离前大小,与塌陷阶段相同,水中压强回落至接近第1阶段大小,气泡后端较其前端压强偏高,气泡内外压差约为1.08 kPa.气泡脱离前,液体通道内压强达到最大值,气泡后端内外压差达到最小值.水平通道中轴线上压强变化的原因是:随着气泡前端进入气液混合区,气泡开始阻挡水的流动,水中压强增大,在表面张力作用下,使气泡内外存在压差,出现压强跳跃区;随气泡体积继续增大,气泡对水的流动阻挡作用增强,使水中压强迅速增大;最终增大的压强能够推动气泡主体部分向主通道下游运动,小部分向气体通道内运动,在气泡后端形成颈部,气泡后端表面的曲率半径增大,这样增大了气泡的表面自由能,但消耗了气泡内的压能,使气泡内压强降低,随着气泡向下游运动,缓解了气泡对水的阻塞作用,使水中压强增长缓慢,气泡颈部在水的挤压下变细;最后,气泡在颈部断裂,并在表面张力作用下两端收缩为圆形,气泡内压强保持脱离前的大小,此时水不再受气泡的阻塞,水中压强骤降,回落至初始时刻大小.为考察气泡在产生过程中气体和液体通道内压强的变化情况,在这两通道内分别取线段A-A、B-B(两线段与T型交汇位置的距离均为D,见图1),这两条线段上的压强变化如图4所示.对比图4a、4b中气液通道内的压强变化,可见气体通道内的压强在1.44～1.67 kPa之间变动,压强波动幅度小,与文献[12]中的结论相同.观察图2,气泡始终向水中凸出,即曲率半径 r ＜0,由Young-Lap lace方程Δ P=P g-P l=-σ知,气体r通道内的压强始终高于液体通道内的压强,这与图4中的计算结果一致,克服了气体通道内压强忽高忽低与液体通道内压强的不足.液体通道内压强波动幅度大,与文献[10]结论一致,约为1.2 kPa.2.2.2 气泡表面黏性力作用特性及分析黏性剪切应力与速度梯度成正比,对气泡表面变形起重要作用.气泡在形成过程中的速度分布如图5所示,可看到在气泡形成的第1、2阶段,气泡顶部水的速度方向与壁面平行,由于流道变窄,水的速度增大;在塌陷阶段以后,气泡表面和壁面接触,气泡后端水的速度方向与气泡表面垂直.根据黏性剪切应力与速度梯度之间的关系,后两阶段切应力可忽略,因此气泡表面切应力持续时间约占气泡形成总时间的37.5%.图4 气液通道内的压强变化图5 气泡形成过程中的速度分布为比较前两阶段气泡表面所受切应力的大小,图6给出该两阶段气泡表面到下壁面的速度分布.由此图可知,速度梯度随时间的延长而增大,对应的切应力由5.23 Pa增大到17.8 Pa,最大值在阻塞阶段取得.图6 气泡顶部液体速度分布利用文献[11]中的切应力估算公式τ=μu gap/ε0(其中u gap=Q w/ε0,ε0是气泡表面到壁面的距离,Q w是水的入口流量),可估算得到前两阶段气泡附近剪切应力从1.25 Pa增大到了28.89 Pa.比较前面的计算结果,发现利用切应力估算式得到的数据量级与模拟计算得到的数据量级相同,这说明数值计算结果是合理的.2.2.3 表面张力作用特性及分析表面张力对气泡表面起维持作用,观察图2可知,气泡后端曲率半径逐渐增大,根据Young-Laplace方程知气泡后端内外压差随时间的延长而减小.利用气泡表面的曲率半径,可估算出气泡受到的表面张力.气泡形成的前两阶段,气泡曲率半径接近气体通道的半径,表面张力约为1 324 Pa;在塌陷阶段,气泡后端出现颈部,其后端曲率半径继续增大,脱离前达到最大值,此刻后端所受表面张力最小.3 结论本文采用相场方法,对T型微通道中特有的气泡——Tay lor气泡在水中的形成过程进行数值模拟,得到气泡形成中经历的4个阶段.通过分析对气泡表面起主要作用的挤压力、表面张力和黏性力,发现微通道内流体挤压力和表面张力在气泡形成的整个过程都起作用,水对气泡的挤压力随时间的延长而增大,在气泡脱离前达到最大值;气泡后端所受表面张力随时间递减,塌陷阶段达到最小值;黏性力仅在气泡形成前两阶段起作用,较前两种力小2～3个量级,在气泡形成后两阶段可忽略不计,水的流动受到扩张气泡阻碍,产生逐渐增大的挤压力是使得气泡从颈部脱离的主要原因.本文工作为设计微通道系统和控制微通道内气泡尺寸提供了新的依据.参考文献:【相关文献】[1] GALBIATIL,ANDREIN IP.Flow pattern transition for horizontal air-water flow in capillary tubes:a m icrogravity equivalent system simulation[J].International Communications in Heat and Mass Transfer,1994,21(4):461-468.[2] TICE D,SONG H,LYON D,et al.Formation of drop lets and m ixing in mu 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