格子Boltzmann方法气泡泵提升管内气泡运动行为研究--《大连海事大学》2017年博士论文
格子Boltzmann方法气泡泵提升管内气泡运动行为研究
【摘要】：在无泵溴化锂吸收式制冷系统中,采用气泡泵替代传统的机械泵,不仅能减少对高品位能源的依赖,而且可以避免机械泵受工质的腐蚀性影响,从而提高了整个制冷系统的可靠性。气泡泵提升管内两相流的运动过程,流型间的转换,会对气泡泵的提升性能有很大影响。本文使用高速摄像机拍摄了以不同浓度溴化锂水溶液为工质的两级气泡泵吸收式制冷实验台中一级提升管内两相流流型,在浓度为57.5%的溴化锂溶液中发现了气泡流、弹状流、段塞流、搅动流、环状流和弹环状流。在浓度为53%,45%的溴化锂溶液气泡泵实验中,发现了气泡流、段塞流、搅动流和环状流。对不同流型下的液体流速进行测算,搅动流时,液体流速最高,其次为段塞流和弹状流,环状流时,液体上升速度最低。实验数据对比发现,同样流型条件下,低浓度溴化锂溶液流速比高浓度溶液流速高。计算求得高压发生器的产气率与提升溶液的质量,发现溴化锂溶液起始浓度越高,系统的产气率越小,提升的溶液量也越多。在不同流型中,弹状流的提升量最大,段塞流其次,环状流最小。验证了弹状流的提升效率最好,但环状流上升后的溶液浓缩程度最高,约达到3%。通过改进分布函数、序参数格式、有限差分格式、压力迭代格式、强制性边界条件等方法,将格子玻尔兹曼大密度比自由能模型进行改进,并结合实验条件和工质物性,对密度比为2778的管内溴化锂溶液中气泡运动行为进行研究。为验证模型的正确性,首先对单气泡上升运动和双气泡融合过程进行了模拟,模拟结果与实验中高速摄像机捕捉的气泡运动形态相一致,并分析了其运动过程中的速度场,讨论了气泡大小对气泡上升速度的影响。应用改进的格子玻尔兹曼自由能模型,对大密度比的溴化锂溶液中不同初始位置和不同大小的双气泡运动进行模拟,获得其密度场与速度矢量分布及运动规律:大小相同,水平距离一定的双气泡在上升过程中出现先靠近再分离的两个阶段,与初始相对高度无关;大小不同的两气泡在上升过程中可能发生融合或分离,主要取决于小气泡靠近大气泡时所在大气泡尾迹区的位置。若大小气泡融合,则融合后的气泡速度减小。研究了并排多气泡的上升过程和聚并行为,给出了溴化锂溶液中水蒸气并排双气泡、3气泡的气泡临界聚并距离,模拟了不同初始设置的4气泡、6气泡和9气泡的运动过程,讨论了气泡数量对临界聚并距离的影响。为了研究两相流动中热量传递机制,基于格子玻尔兹曼热模型及大密度比模型,提出了一个可以描述传热相变的大密度比复合格子玻尔兹曼模型,模拟了单气泡周围的温度场分布及双气泡在碰撞融合中的热量传递过程,发现气泡内部温度最高,气泡下方会产生低温区的层状分布尾迹,速度场、温度场等因素综合影响气泡的形状变化。上下垂直分布的双气泡在在碰撞之前,上方气泡内部温度高于下方,碰撞时,气泡热量由接触界面向中间部位传递,内部温度逐渐平衡。融合完成后,流场内的最高温度降低。并使用红外热像仪捕捉了管内单双气泡上升过程的温度场分布,模拟结果与实验温度分布一致。
【学位授予单位】：大连海事大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2017【分类号】：U664.58
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在做“研究充水玻璃管中气泡的运动规律”实验时，小明取长50cm的细玻璃管注满水，管中留一小气泡，将玻璃管反转后，观察气泡的运动情况，如图甲所示．（1）实验时，小明将玻璃管翻转后，他等气泡运动一段路程后才开始计时，“0”刻度不在玻璃管最下端的原因是&&&&．（2）以气泡为参照物，玻璃管口的塞子是&&&&（选填“运动”或“静止”）的．（3）小明将实验所测得的数据记录在表中，请你在图乙的坐标中画出s-t图象．从O点开始的距离s/cm010203040从O点开始计时的时间t/s01.252.503.755.00（4）根据实验数据和所画的图象，可归纳出：一段路程后，气泡运动的路程和时间近似成&&&&（选填“正”或“反”）比，运动速度可以看做是&&&&（选填“改变”或“不变”）的．（5）为了方便测量时间，实验要想办法使气泡运动得&&&&（“快”或“慢”）一点．（6）实验中气泡运动的快慢可能与什么因素有关，请提出你的一个猜想：气泡运动的快慢可能与&&&&有关．（7）从匀速直线运动的速度公式v=可知，正确的是&&&&A．速度与路程成正比B．路程与时间成正比C．速度与时间成反比D．速度与路程成反比．
【考点】速度与物体运动．
解析与答案
（揭秘难题真相，上）
【考点】速度与物体运动．
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（2016春o启东市月考）在做研究“充水玻璃管中气泡的运动规律”实验时，小明取长50cm的细玻璃管注满水，管中留一个小气泡，将玻璃管反转后，观察气泡的运动情况，如图1所示．（1）小明将实验所测得的数据记录在表中，请你在图2的坐标中画出s-t图象．从0点开始的距离s/cm0102030405mm高的气泡从0点开始的时间t/s05101520（2）从实验数据和所画的图象，小明认为：小气泡所做的是匀速直线运动，他判断的依据是：&&&&，可求出小气泡上升时的速度为&&&&cm/s．（3）小明换用粗玻璃管又做了2组实验，数据记录如表所示．从0点开始的距离s/cm0204060801cm高的气泡从0点开始的时间t/s03.67.110.814.42cm高的气泡从0点开始的时间t/s03.26.49.612.8分析数据可知：&&&&（选填“大”或“小”）气泡运动较快．由于气泡上升较快，会造成时间的测量难度较大，为了解决这一困难，根据小明的实验数据，请你提出一点建议：&&&&．（4）本次实验中，小明还发现，玻璃管与水平成60°角放置，管中气泡的上升要比竖直放置快一些；而当玻璃管水平放置时，气泡几乎不动．①根据此现象你猜测：随倾斜角度的增大，气泡上升速度的大小将&&&&．②玻璃管与水平方向夹角α成60°角放置时，气泡速度是不是最大呢？为了验证此猜想，他该如何操作？&&&&．
在做“研究充水玻璃管中气泡的运动规律”实验时，小明取长50cm的细玻璃管注满水，管中留一小气泡，将玻璃管反转后，观察气泡的运动情况，如图甲所示．（1）实验时，小明将玻璃管翻转后，他等气泡运动一段路程后才开始计时，“0”刻度不在玻璃管最下端的原因是&&&&．（2）以气泡为参照物，玻璃管口的塞子是&&&&（选填“运动”或“静止”）的．（3）小明将实验所测得的数据记录在表中，请你在图乙的坐标中画出s-t图象．从O点开始的距离s/cm010203040从O点开始计时的时间t/s01.252.503.755.00（4）根据实验数据和所画的图象，可归纳出：一段路程后，气泡运动的路程和时间近似成&&&&（选填“正”或“反”）比，运动速度可以看做是&&&&（选填“改变”或“不变”）的．（5）为了方便测量时间，实验要想办法使气泡运动得&&&&（“快”或“慢”）一点．（6）实验中气泡运动的快慢可能与什么因素有关，请提出你的一个猜想：气泡运动的快慢可能与&&&&有关．（7）从匀速直线运动的速度公式v=可知，正确的是&&&&A．速度与路程成正比B．路程与时间成正比C．速度与时间成反比D．速度与路程成反比．
（2012秋o高港区期末）小红和小兰在做研究充水玻璃管中气泡的运动规律的实验：（1）器材：一根内径为1cm、长为60～100cm充满水的玻璃管（管内留一个小气泡，如图1），刻度尺、橡皮筋、&&&&．（2）步骤：将玻璃管翻转后竖直放置后，分别测量气泡从O点运动到10cm、20cm、30cm、40cm处所用的时间，然后再计算出各区间的时间和对应的速度．（3）记录的数据如下表：从O点开始的路程s/cm010203040从O点开始计时的时间t/s04.79.714.819.6区间s/cm0-1010-2020-3030-40通过个区间的时间t/s4.75.05.14.8通过个区间的速度v/cmos-12.12.02.02.1以速度v为纵坐标，路程s为横坐标，在图2坐标系内画出v-s图象．（4）总结：气泡在上升了一段路程后，运动的路程和时间近似成&&&&比，运动速度可以看作是&&&&的．（5）分析：①如果将玻璃管翻转后由竖直改为倾斜放置，则气泡运动的速度将如何变化？&&&&．②小红在标注0刻度时没有从玻璃管的一端即气泡运动的初始位置开始标注，而是将0刻度标注在距离一端有一段距离的地方，这样做的原因是&&&&．
在做“研究充水玻璃管中气泡的运动规律”实验时，小明取长50cm的细玻璃管注满水，管中留一小气泡，将玻璃管反转后，观察气泡的运动情况，如图甲所示．（1）实验时，小明将玻璃管翻转后，他等气泡运动一段路程后才开始计时，这是因为&&&&此时&&&&．（2）若以气泡为参照物，玻璃管口的塞子是&&&&（选填“运动”或“静止”）的．（3）小明将实验所测得的数据记录在下表中，请你在图乙的坐标中画出s-t图象．
从O点开始的距离s/cm
从O点开始计时的时间t/s
5.00（4）根据实验数据和所画的图象，可归纳出：一段路程后，气泡运动的路程和时间近似成&&&&（选填“正”或“反”）比，运动速度可以看做是&&&&（选填“改变”或“不变”）的．（5）实验中气泡运动的快慢可能与什么因素有关，请提出你的一个猜想：气泡运动的快慢可能与&&&&有关．
在做“研究充水玻璃管中气泡的运动规律”实验时，小明取长50cm的细玻璃管注满水，管中留5mm高的小气泡，将玻璃管反转后，观察气泡的运动情况，如图甲所示．（1）小明将实验所测得的数据记录在表一中，请你在图乙的坐标中画出s-t图象．表一：
从0点开始的距离S/cm
5mm高的气泡从0点开始的时间t/s
20（2）根据实验数据和所画的图象，你认为：小气泡所做的是&&&&运动，你判断的依据是&&&&．（3）小明换用粗玻璃管又做了2组实验，数据记录如表二所示．观察数据可知：&&&&（选填“长”或“短”）气泡运动的较快．表二：
从0点开始的距离S/cm
1cm高的气泡从0点开始的时间t/s
2cm高的气泡从0点开始的时间t/s
13.6（4）小明还改变玻璃管与竖直方向的夹角θ进行实验，测量并计算出玻璃管在不同倾斜角下气泡运动的平均速度，数据记录如表三所示．观察数据可知：随θ角的减小气泡运动速度是先变&&&&后变&&&&（选填“大”或“小”）．表三：
与竖直方向的夹角θ/度
平均速度v/（cmos-1）
1.20（5）由于气泡上升较快，会造成时间的测量误差较大，为了解决这一困难，根据小明的实验数据，请你提出一点建议：&&&&．
知识点讲解
经过分析，习题“在做“研究充水玻璃管中气泡的运动规律”实验时，小明取长50c”主要考察你对
等考点的理解。
因为篇幅有限，只列出部分考点，详细请访问。
速度与物体运动
速度定义：物体在单位时间内通过的路程。
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液体内部气泡的运动问题探讨及教学建议
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