热辐射下液滴/气泡自发迁移的数值研究

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液滴/气泡的运动规律是动力循环相变传热的基础问题,而液滴/气泡的自发迁移运动正在引起研究学者越来越多的兴趣。在气液两相流中,两相界面处发生着传热传质过程,常常伴随着温度不均并产生界面张力分布不均,使得相界面附近的流体介质发生流动进而自发产生迁移现象,这样的运动过程被称作是Marangoni迁移运动[1]。这方面的研究对于提高相变传热的传热效率具有重要的意义,同时对于微重力下主动控制液滴/气泡的运动规律,也有重要的意义。本文主要是通过数值模拟的方法,研究热辐射条件下,由于界面温度分布不均产生的热毛细力驱动液滴/气泡迁移现象。首先概括了液滴/气泡的Marangoni自发迁移现象研究的发展过程,阐述了现有的理论分析,数值模拟以及实验方面的主要成果;然后采用Level Set Method捕捉两相界面,建立二维瞬态轴对称模型模拟了液滴/气泡的迁移过程,将低Ma数、低Re数下的数值模拟计算的结果与理论解进行比较,验证了模型的准确性,而后将数值模拟进一步推广到高Re数和高Ma数下的液滴/气泡迁移过程来展开研究。主要研究迁移工程中不同Re数下动力粘度比,导热系数比,密度比,比热容之比对液滴/气泡迁移速度的影响。研究结果发现低Re数下,迁移速度主要受动力粘度比和导热系数比的影响,而在高Re数下,内外相密度之比以及比热容之比也会对迁移速度产生影响。除此之外,研究还发现在任意Re数下,当连续相的动力粘度或者导热系数与扩散相对应的液滴/气泡参数值相等时,迁移速度达到最小值。随着连续相与扩散项的物性参数差异的逐渐增大,迁移速度也会相应变大。同时,我们还定义了Marangoni迁移过程中的努塞尔数,得出了努塞尔数会随着Re数的增大而增大的变化规律。任意Re数下,对于气泡的迁移,当连续相的动力粘度、导热系数或者比热容与气泡对应物性参数之比达到最大值时,努塞尔数值最小。这一研究对于在热辐射情况下,通过热毛细力操纵液滴或气泡运动有着重要的指导意义。
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