水平管道内横向流气泡生长变化模拟研究

采用数值模拟方法对恒定水速下管道中气体喷射产生的气泡进行分析，追踪气泡生成和脱离的演变情况，重点研究了横向水流速度和通气速度对气泡生成的影响。计算采用二阶迎风差分格式的有限体积法求解二维Navier-Stocks方程，并运用VOF (流体体积法)方法捕捉气液界面。计算结果表明：水流速度主导气泡的生成形态，一定程度上也受通气速度影响；生成气泡的等效直径随通气速度的增加而呈线性增长，水流速度越小，生成气泡随通气速度的增加越快；通气速度一定，随着水流速度的增加，气泡脱离位置的横坐标初期缓慢增长，当水流速度到达0.5 m/s后呈线性增长。伴随着气泡形态的变化，气泡参数随水流速度和通气速度改变时，呈现出多样性和多变性。

气液两相流动及其涉及到的气泡生成和运动规律的研究在化工、医药、生物、舰艇、航空航天、热能动力设备等各个工程技术领域中有着广泛的应用。如舰船发动机系统水下排气会产生大量的气泡，根据这些气泡形成的流迹可对水下舰艇进行跟踪、定位与识别，这一类技术与气泡的生成和运动规律密切相关[1]。在国内外，许多学者都对气泡的产生和运动规律进行过研究，包括理论、实验和数值模拟等方面，取得了较为丰富的研究成果，这些都对科学发展和工程应用起到了积极指导作用。

理论研究气泡生成和运动的主要方法是对气泡的受力分析、力学建模、数学公式的推导和离散化处理等[2] [3] [4] [5]。这些方法能有效地模拟气泡在水下的运动规律(包括速度、轨迹等)，但难以计算气液两相的界面形态变化，在模拟与再现气泡形状演变过程上具有很大的局限性。

实验研究方面则主要是通过光学、声学等测量气泡的参数。比如Nikitopoulos 等[6]利用相位多普勒和视频成像技术获得了气泡速度；Smith 等[7]采用电导率探头测量气泡空隙率；Kong 等[8]通过高速摄像和图像处理技术来获取气泡的界面和局部速度；Kim 等[9]通过放射性粒子跟踪技术来测量段塞流前缘的卷气速率和气泡变形。总的来说，光学和成像技术产生了相对准确和全面的结果。

数值模拟研究气泡侧重于运用数值方法求解气泡运动方程来获得气泡的运动参数。比如Amaral 等[10]结合群体平衡模型PBM 进行模拟，来获取推流式曝气池内气泡生成的过程；Zhou 等[11]修正气泡动力平衡模型，提高对脱离气泡直径模拟的准确性；Amit 等[12]采用格子玻尔兹曼方法(LBM)研究了液体中气泡运动和聚结的行为；李书磊等[13]使用VOF 模型和RSM 湍流模型模拟两相流流型；Tsui [14]将VOF 方法和Level set 方法进行耦合，对静水中上升的气泡进行了三维数值模拟。其中要研究气泡的形状变化时，更多地会采用界面追踪的方法，Level set 法、Lattice-Boltzmann 法、VOF 方法、以及动网格法等。

综上所述，气泡由于在静水中具有良好的动力学特性，对气泡的基础研究具有很高价值，因此备受国内外学者的青睐。同时横流状态下气泡的运动由于受到湍流流场稳定性、气泡尾流等因素影响，其上升过程中运动参数会发生剧烈改变， 从而增加了研究难度。

国内外对于横流中气泡的特性研究报道较少， 而且相关研究集中在射流大量气泡的轮廓识别、含气率预测分析等方面。这种情况下，开展对于气泡在