1、第 37 卷第 1 期 高 校 化 学 工 程 学 报 No.1 Vol.37 2023 年 2 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Feb.2023 文章编号：1003-9015(2023)01-0053-08 流体振荡器气泡碎化特性数值模拟 别海燕1,李云霞1,安维中1,李玉龙1,薛立成1,林子昕1,郝宗睿2,刘 刚2(1.中国海洋大学 化学化工学院,山东 青岛 266100;2.齐鲁工业大学(山东省科学院)海洋仪器仪表研究所,山东 青岛 266100)摘 要：为了探究流体振荡器中气泡碎化特性，采用重整化群(R
2、NG)k-湍流模型和流体体积函数(VOF)多相流模型研究流体振荡器中的气液两相流。通过数值模拟分析了气泡在流场中的变形和破碎行为，考察不同流动参数对气泡破碎的影响。同时进行可视化实验，用实验结果验证了模拟的准确性。结果表明,流体振荡器可作为一种新型气泡发生装置。振荡频率越高，流体振荡器中的气泡碎化效果越好；随着液速增大，气泡变形程度加剧，破碎概率增加，生成子气泡也越多；剪切应力和涡流碰撞是导致气泡破碎的主要机制；射流振荡促使气泡向振荡腔壁面偏移，气泡初始直径越大，水平偏移量越大，越容易发生破碎。关键词：流体振荡器；气泡破碎；气液两相流；数值模拟 中图分类号：TQ05 文献标志码：A DOI：1
3、0.3969/j.issn.1003-9015.2023.01.007 Numerical simulation of bubble breakup characteristics in a fluidic oscillator BIE Hai-yan1,LI Yun-xia1,AN Wei-zhong1,LI Yu-long1,XUE Li-cheng1,LIN Zi-xin1,HAO Zong-rui2,LIU Gang2(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Ocean University of China,Qingdao 26
4、6100,China;2.Institute of Oceanographic Instrumentation,Qilu University of Technology(Shandong Academy of Sciences),Qingdao 266100,China)Abstract:In order to explore the characteristics of bubble breakup in a fluidic oscillator,the RNG k-turbulence model and the VOF multiphase flow model were used t
5、o simulate the gas-liquid two-phase flow.The deformation and breakup behaviors of bubbles in the flow field were analyzed by numerical simulation,and the effects of different flow parameters on bubble breakup were investigated.Meanwhile,a visualized experiment was carried out to verify the accuracy
6、of simulation results.The results show that the fluidic oscillator could be used as a new type of bubble generator.High oscillation frequency results in better effect of bubble breakup.With the increase of liquid velocity,the degree of bubble deformation intensifies and the possibility of bubble bre
7、akup increases with more new bubbles generated.Shear stress and eddy current are the main mechanisms of bubble breakup.In addition,jet oscillation causes bubble to deviate towards the wall of oscillating cavity.The horizontal offset of the bubble increases at relatively larger initial diameter,which
8、 indicates the bubble has a higher probability to break up.Key words:fluidic oscillator;bubble breakup;gas-liquid two-phase flow;numerical simulation 1 前 言 流体振荡器是一种能在出口产生连续振荡射流的流体器件，具有无运动部件、结构简单、运行稳定、操作方便、安全可靠等优点，可以应用于航空航天1-2、强化传热3、石油化工4-5、生物能源6-7、煤矿 收稿日期：2021-10-26；修订日期：2022-01-20。基金项目：国家自然科学基金(221
9、78329)；山东省自然科学基金(ZR2020ME175，ZR2020QE192)；中央高校基本科研业务费专项(202165002)。作者简介：别海燕(1982-)，女，山东日照人，中国海洋大学副教授，博士。通信联系人：安维中，Email： 引用本文：别海燕,李云霞,安维中,李玉龙,薛立成,林子昕,郝宗睿,刘刚.流体振荡器气泡碎化特性数值模拟 J.高校化学工程学报,2023,37(1):53-60.Citation：BIE Hai-yan,LI Yun-xia,AN Wei-zhong,LI Yu-long,XUE Li-cheng,LIN Zi-xin,HAO Zong-rui,LIU Ga
10、ng.Numerical simulation of bubble breakup characteristic in a fluidic oscillator J.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2023,37(1):53-60.54 高 校 化 学 工 程 学 报 2023年2月 浮选8、膜除污9-10等领域。在流体振荡器中，流体流入喷嘴后形成主射流，由于射流扩散和卷吸作用，这股射流会发生偏转并被低压吸引到邻近壁面上附壁流动，形成科恩达效应11。主射流在振荡腔内来回切换，周而复始形成周期性振荡。完成一次周期性振
11、荡的时间为振荡周期，而主射流在单位时间内的振荡次数即为振荡频率 f。反馈回路的存在则有助于流体振荡器在没有任何运动部件的情况下自动实现振荡。Hao 等12对流体振荡器进行了三维大涡模拟和可视化实验，结果表明分布在振荡腔和主射流之间的涡流以及左右两侧压差会驱动主射流偏转。别海燕等13建立了正反馈式流体振荡器的三维数值模型，分析了振荡器内部流动特性。Ming 等14采用非定常雷诺平均 N-S 湍流模型研究了自激流体振荡器阵列的流体动力学和传热性能。Pandey 等15采用三维非定常雷诺平均 N-S 方程对流体振荡器进行数值研究，结果表明射流流动结构和振荡频率与已有实验结果有较好一致性，入口宽度显著
12、影响流体振荡器性能。Zheng 等16采用雷诺应力湍流模型对横向气流和静止气流中的流体振荡器进行数值研究，阐明了流体振荡器的射流振荡机制。Tesa等17利用流体振荡器搅拌气流，再将气流注入曝气器中产生微气泡，这类微气泡可用于传热传质和废水处理。李辉等18介绍了流体振荡器耦合微孔膜产生气泡的应用进展。气液两相流是现今流体力学的研究热点，含有微气泡的流体流动在环境治理、工业应用、生物医药等19-22众多领域中起着重要作用。国内外学者已经对流体振荡器的理论和数值模拟进行了广泛研究，而对流体振荡器在气液两相流中的研究较少。因此本研究采用数值模拟方法对流体振荡器中的气液两相流进行研究，借助 ANSYS
13、Fluent 模拟气泡在流场中的碎化行为，探究振荡频率、液速和气泡初始直径对流体中气泡运动和破碎的影响，揭示流体振荡器气泡碎化特性，阐明流体振荡器可作为一种新型气泡发生装置，并为后续流体振荡器的实验研究和性能提升提供理论基础。同时，本研究也进行了可视化实验，以此来验证数值模拟结果的准确性和可靠性。2 实 验 2.1 流体振荡器结构 流体振荡器结构如图1所示，主要包括气相入口、液相入口、喷嘴、反馈回路、振荡腔和出口支路。液相入口长度、宽度分别为 14、8 mm，喷嘴宽度为 4 mm，振荡腔长度为 34 mm，两侧反馈回路长度为 60 mm，两个出口支路长为 38 mm，宽为 5 mm，并形成一个
14、 34夹角。为了保证流体充分发展，采用 3D 打印技术制作一个长度为 300 mm 的射流管道。流体振荡器则用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)制作而成。2.2 实验设置 实验在室温下进行，以水和空气为工作介质，具体流程如图 2 所示。水由离心泵输送到流体振荡器图 2 实验装置示意图 Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup Control and data acquisition system Air storage Water tank Gas volume flowmeter Freque
15、ncy converter Electromagnetic flowmeter Centrifugal pump Light source Fluidic oscillator High-speed camera Gas inlet Fluid inlet Nozzle Feedback loop Oscillating cavity Outlet 图 1 流体振荡器结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of the fluidic oscillator 第 37 卷第 1 期 别海燕等：流体振荡器气泡碎化特性数值模拟 55 图 6 不同网格数量气泡界面 Fig.6 Bu
16、bble interfaces with different grid numbers(a)54 977(b)80 975(c)114 125(d)130 617(e)150 634 Grid numbers 图 5 网格无关性检验 Fig.5 Grid independence verification 图 4 流体振荡器网格划分示意图 Fig.4 Grid mesh of the fluidic oscillator Oscillation frequency/Hz 5497780975114125 1306171506342.752.802.852.902.953.003.05中，使用电磁流量计调节水速，液相质量流量为 0.1 0.5 kgs1。空气由注射器注入气相入口，使用气体流量计调节气速，气相体积流量为 0.010.05 Lmin1。高速摄像系统主要由计算机、高速相机(Photron FASTCAM Mini WX)和 LED 光源组成，通过高速拍摄可以获得清晰完整的气泡运动过程。3 数值模拟 3.1 物理模型 流体振荡器的几何结构对内部流动结构和性能有重要影响，通过改变流
