第62卷 第10期 化 工 学 报 V ol.62 N o.10 2011年10月 CIESC Jo urnal Oc to be r 2011研究论文液体通流微小槽道内气泡动力学行为模拟周 吉,朱 恂,丁玉栋,王 宏,廖 强,谢 建(重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆大学工程热物理研究所,重庆400044)摘要:采用VO F方法,对液体通流微小通道内壁面逸出气泡的形成、生长及脱离运动进行了数值模拟,并讨论了壁面浸润性、液体流速、气体流速对气泡动力学行为的影响。
结果表明:气泡生长壁面亲水性增强有利于其从壁面脱离;气泡生长壁面气相覆盖率随壁面接触角的增大而增大;流动阻力因子随壁面接触角的增大而减小。
较高的液体流速会导致气泡的脱离时间和脱离体积、壁面气相覆盖率及流动阻力因子减小;而较高的气体逸出速率(气相Reynolds数高于14时)对气泡脱离体积、壁面气相覆盖率和流动阻力因子影响不大。
关键词:气泡;VO F方法;小槽道;动力特性;数值模拟D OI:10.3969/j.issn.0438-1157.2011.10.010中图分类号:T M911.4 文献标志码:A文章编号:0438-1157(2011)10-2740-07N um erical sim ula tion of gas bu bble e mergin g fro m pore in to liquid flo w micro-ch an n elZH OU Ji,ZHU Xu n,DING Yu dong,WAN G Hong,LIAO Qian g,XIE Jian(K ey L aboratory o f Low-grade Energ y Utilization Technologies and Sy stems,Institute o f Engineering Thermophysics,Chongqing University,Chongqing400044,China)Abstract:The dynam ic behavio r o f a gas bubble entering a liquid flow micro-channel through a pore w ith prescribed mass flow rate w as simulated by using computational fluid dynamics in co njunctio n w ith a volume of fluid(VOF)method.Sim ulations of the processes of gas bubble emergence,g row th, defo rmatio n and detachm ent w ere performed to ex plicitly track the evolutio n of the liquid-gas interface, and to characte rize the dy namics o f a gas bubble subjected to w ater flow in terms of departure v olume, flo w resistance coefficient,and g as coverage ratio.The effects of w ettability of the w all w here the bubble eme rges fro m,w ater and air mass flow rates w ere discussed w ith a particular focus on the effect o f the wettability of the bo ttom w all w hile the static contact ang les of the o ther channel w alls w ere set to90°. The simulated results sho wed that the hy dro philic w all facilita ted the departure of bubble w hile g as cove rage ratio increased and dimensionle ss flow resistance coefficient decreased fo r hydrophobic w all.High w ater inlet mass flow rate resulted in an ea rlier departure and decreased departure vo lum e of the bubble as well as low gas coverage ratio and flow resistance coefficient.I t w as found that increasing air mass flo w rate led to earlie r detachm ent of the bubble.H ow eve r,hig her air m ass flow ra te show ed scarce influence on the dy namic behavior of the bubble o nce the Rey nolds number of air w as over14.Key words:bubble;vo lume of fluid method;mini-channel;dynamics;numerical simulation 2011-01-10收到初稿,2011-04-28收到修改稿。
联系人:朱恂。
第一作者:周吉(1986—),男。
基金项目:国家自然科学基金项目(50876119);重庆市自然科学基金项目(CS TC,2009BB6212);教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCE T-07-0912)。
Received date:2011-01-10.Correspon ding author:Prof.ZH U Xun,zhu xun@Foun dation item:supported by the National Natural S cience Foundation of China(50876119),the Natural S cience Foundation of Ch ong qin g(CS TC,2009BB6212)and th e Prog ram for New Century Excellent T alents in University(NCET-07-0912).引 言气泡的生成及气泡运动存在于许多自然现象和工程实际中,其中气泡在通流槽道内的生长脱离和迁移特性对流道内的质量、动量和能量交换、两相流动流型和流动阻力特性均有重要的影响[1-3]。
随着反应器向微型化、模块化的发展,反应器内流道尺寸进一步减小。
由于受到壁面的影响,微小尺寸流道的气液两相流型、相分布、两相流动阻力特性将呈现与大尺寸槽道不同的特征和规律[4-6]。
国内外研究者对液体通流微小槽道内两相流动做了诸多研究。
田勇等[7]实验研究了小直径管道内空间尺度对气泡生长过程的限制特点,推导出小直径管道内气泡生长过程方程。
Fu等[8]针对直接甲醇燃料电池(DMFC)利用硫酸和碳酸氢钠的化学反应模拟研究了矩形微槽道内的气液两相流动的流型及压降变化。
Liao等[9]对DMFC阳极微小流道内气泡的聚并现象进行了可视化实验。
丁玉栋等[10]对竖直放置DMFC水平流道内扩散层壁面上CO2气泡进行了受力分析,建立了描述气泡生长的动力学方程。
何健烽等[11]研究了气体垂直注入恒流液体中形成气泡以及气泡脱离的过程,考察了气体流量、液体流量以及浮力对运动过程的影响。
在数值模拟方面,Zhu等[12]采用VOF方法模拟了质子交换膜燃料电池中阴极侧气体通流微小槽道内涌入液滴的动力学特性。
柯新等[13]也通过VOF方法研究了不同壁面亲水性对DMFC阳极流道内气液两相流动的影响,但其假设气泡初始时候就存在,流动过程中气泡体积没有变化。
张怀生等[14]考虑了气体垂直注入恒流液体中的情况,对液体流速、孔道直径及多孔道情况中气泡的形成及脱离进行了描述,但其对槽道内的气液两相流动阻力特性没有进行相关讨论。
本文以微小型直接甲醇燃料电池阳极侧流道内气液两相流动为对象,采用VOF(volume of flu-id)方法对液体通流微小槽道内气泡的动态行为及两相流动阻力特性进行了模拟和讨论。
1 模型及方法1.1 VOF方法简介VOF方法[15-16]通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟两种或两种以上不相混合的流体流动。
两相间的界面通过计算每个网格中第k相所占的体积分数C k来追踪C k(x,y,z,t)=0充满着第k相流体1不含第k相流体0to1位于流体界面 (1)且在任意网格中存在∑nk=1C k=1(2)C k通过连续性方程来求解,即t(C kρk)+ ·(C kρk u k)=0(3)在微小槽道内的两相混合流动中,动量方程对各个流体相均适用,其速度场通过求解N avier-Stokes方程获得t(ρu)+ ·(ρu u)=-p+·[μ(u+u T)]+ρg+F(4)式中 p为静态压力;u=(u,v,w)为流体的速度场;F为动量源项,由表面张力产生;ρ和μ分别为容积平均密度和动力黏度ρ=ρg+C l(ρl-ρg)(5)μ=μg+C l(μg-μl)(6)式中 下角标g和l分别表示气相和液相。
动量源项的处理采用CSF(continuum surface force)模型[17]F=σΚkρC k12ρg+ρl(7)计算区域内界面重构和界面推进采用分段性重构方法,界面的位置由界面法向量n和定义在网格中心的体积函数C k确定,并采用Lag rangin方法跟踪随流动传播的界面。
界面曲率Κk为Κk= ·nn(8)其中n=C k(9) 1.2 计算区域及网格划分本文模拟的区域为三维长方体区域,长宽高为3mm×2mm×2mm,其底部中心靠近液体入口0.6m m处有一圆形微孔,孔径为0.1mm。
考虑到物理模型在z方向对称,为节省计算量取对称区域,以z=0为对称面,模拟计算的区域及网格如图1所示,整个区域由383380个网格组成。