气泡群在液体中上升时的相互作用机理以及磁场对其运动特性的影响

When buoyancy-driven bubbles are rising in liquids, some special flow characteristics, such as bubble catching, bubble repelling, bubble coalescing or bubble bouncing will be observed due to the interactions between bubbles， which is very different from the case of single bubble rising, since the hydrodynamic field about a bubble moving close to other bubbles is modified by the presents of its neighbors. Moreover, in the Tokomak fusion device, where bubbly flows are employed for enhancement of heat transfer, the flow characteristics will be greatly influenced by magnetic field. Concerning this topic, the influence of the Reynolds (Re) number, the approaching Weber (We) number and the amounts of bubbles are enormously studied in the available publications, but the essential mechanics are merely involved. However, the present research will focus on studying the significance of bubble deformation, wake structure in interactions between two bubbles and bubbly flowsthrough direct numerical simulations, where viscosity, inertial, surface tension and electromagnetic force are all accounted for. The adaptive mesh refinement (AMR) technique will be employed to capture the bubble interfaces as well as the wake structures, in order to study the role they play when the bubbles interact. Moreover, we will further analyze the physical mechanics hiding behind the interaction phenomena by presenting the distribution of the flow field. Furthermore, the influence of the magnetic field on the bubbly behaviors, as well as the heat transfer efficiency, will be studied through changing the magnetic directions and strengths. The induced electromagnetic field, together with the bubble deformations and wake structures will be presented to study the physical mechanics of the magnetic influence, which will provide a theoretic guide for the industrial production.

气泡群在液体中上升时，由于气泡之间的互相作用，会出现追赶、排斥、融合或者碰撞的现象，呈现出与单气泡上升时完全不同的运动形式。另外在托克马克装置中，用于强化换热的气泡群将受到磁场的影响，其流动特性将显著改变，这会影响能量转换部件的换热特性。已有的研究主要集中于气泡上升的Reynolds数(Re)、Weber数(We)以及气泡群的数目对其相互作用的影响，机理性认识不够深入。本项目旨在通过直接数值模拟的方法来展示双气泡以及气泡群上升时的相互作用和流场特性，耦合考虑黏性、惯性、表面张力和电磁力的影响，采用自适应网格技术(Adaptive Mesh Refinement, AMR)来精确捕捉两相界面和流场结构，深入揭示气泡形变和尾涡结构对气泡间相互作用的影响，并从物理机理上深入探讨其内在原因。随后我们将研究在不同的磁场方向和大小时，气泡群的运动特性以及换热特性，为工业生产应用提供理论指导。

以托科马克聚变装置中的包层部件和电磁冶金工业中的强磁场环境为研究背景，本项目主要从数值模拟方面研究了磁场对(多)气泡在液态金属中上升的影响，同时研究了发生汽液相变时磁场对汽泡成长和上升的影响，此外还对与气泡相关的液滴铺展展开了数值模拟研究。在无磁场时情况下，我们首先研究了单气泡从Z字型上升过渡到螺旋形上升的物理机理，发现当气泡尾涡对称切周期性脱落时，正负涡之间会诱导出平行于涡对的速度，气泡出现Z字型上升；而当这种涡脱落的对称性被破坏时，正负涡会相互缠绕，诱导角速度驱使气泡也反向旋转，产生螺旋形运动。随后通过研究水平磁场对单气泡上升的影响，发现了水平磁场作用下流场和尾涡结构的各向异性，沿着磁场方向的涡结构逐渐解体而垂直于磁场方向的涡结构被加强，而且三维流向涡结构也会有很强的方向性，这种磁场-涡结构-上升路径的连续性影响对后面研究磁场下的多气泡运动有重要启发。随后通过研究水平排列双气泡在上升过程中的相互作用，我们发现了碰撞-弹开、碰撞-融合和反复碰撞的丰富现象，确定了涡结构在不同现象中的重要作用。尤其是对于碰撞-弹开而言，气泡靠近时，其空隙内的强剪切流动造成气泡表面涡的迅速积累并形成脱落，促使气泡发生碰撞。通过研究不同方向和不同强度磁场对双气泡上升的影响，我们发现在竖直磁场作用下，由于涡结构被显著削弱，因此原本碰撞弹开的双气泡会逐渐发生碰撞-融合，而水平磁场由于其影响的各向异性，沿着气泡球心连线的磁场与垂直于气泡球心连线的磁场对双气泡运动的影响并不相同，这一各向异性对后面气泡群运动的研究有着重要意义。此外考虑到包层中流动的高温环境，我们发展了对应的数值算法来研究沸腾发生时强磁场对汽泡在过热液体中上升的影响以及对汽泡成长的影响，通过对比已有的解析解、数值解和实验结果，我们确认了算法的精确性和稳定性，而且我们发现竖直磁场对汽液相变的质量传递以及汽泡上升速度都有着显著的抑制作用。最后我们研究了竖直磁场环境下金属液滴撞击到固壁时的动力学铺展，根据能量守恒原理，我们推导了液滴的最大铺展半径与磁场强度的关系，随后将这一关系式和前人得到的利用Re, We预测最大铺展半径的关系式相耦合，得到了可以预测更大参数范围内液滴铺展系数的理论表达式，通过大量的数值模拟，我们确认了该关系式的正确性。