虹吸管路內(nèi)氣泡動(dòng)力學(xué)行為數(shù)值模擬

李興雨 李琳 譚義海

摘 要：為了研究虹吸管中氣泡運(yùn)動(dòng)行為與變形特征，對(duì)虹吸管中氣泡運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：上行管內(nèi)氣泡縱橫比越小，氣泡速度越大，流量的變化對(duì)氣泡縱橫比影響很小，且氣泡形狀與靜水中氣泡相圖相吻合，氣泡在上升過程中會(huì)發(fā)生橫向振蕩，振蕩幅度隨著氣泡直徑的增大先增大后減小;下行管內(nèi)流量不同，氣泡運(yùn)動(dòng)方向也不同，氣泡變形情況與上行管內(nèi)一致;中行管內(nèi)氣泡為貼壁狀態(tài)流動(dòng)，隨著氣泡直徑增大，氣泡速度減小，當(dāng)氣泡直徑增加到一定數(shù)值時(shí)，氣泡會(huì)發(fā)生破裂，出現(xiàn)較小的氣泡，氣泡速度又出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：虹吸管;數(shù)值模擬;氣泡速度;縱橫比;振蕩幅度

中圖分類號(hào)：TV672.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.032

Abstract：The aim of this study was to detect the movement behavior and deformation characteristics of the air bubbles in siphon pipeline. It was essential to use numerical methods to figure out the movement of the air bubbles in the siphon pipeline. The results show that the bubble aspect ratio in the ascending tube is smaller and the bubble velocity is bigger. The change of flow has little effect on the aspect ratio and the bubble shape is consistent with its phase diagram in still water. During the progress of rising， the bubble oscillates laterally and the amplitude of oscillation first increases and then decreases with the increase of bubble diameter. The flow shows a wide difference in the downpipe， the movement direction of the bubble is also different and the bubble deformation is in agreement with the ascending tube. The bubbles in the middle pipe flow in the way with attaching the sidewall. Meanwhile， the bubble diameter increases with the decreasing of the bubble velocity. The bubble breaks at a certain diameter and smaller bubbles appear， then bubble velocity increases again. The results can provide a reference for the study of gas-liquid two-phase flow in siphon pipeline.

Key words： siphon; numerical methods; bubble velocity; aspect ratio; oscillation amplitude

水平管段距離長(zhǎng)、真空度大的虹吸管輸水管道是坎兒井式地下水庫(kù)的重要組成部分。李琳等[1]、許史等[2-3]在新疆臺(tái)蘭河某地下水庫(kù)長(zhǎng)距離虹吸管道水力學(xué)模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，安裝高度小于7 m時(shí)，虹吸管內(nèi)出現(xiàn)偽空化現(xiàn)象，流動(dòng)介質(zhì)由單一液相流轉(zhuǎn)變?yōu)闅馀萘鳌⑦^渡流和氣團(tuán)流。王夢(mèng)婷[4]、張小瑩等[5]的試驗(yàn)結(jié)果表明，虹吸管安裝高度為6～8 m時(shí)，各水頭運(yùn)行時(shí)上行管均以氣泡流為主，進(jìn)入水平管路后，低水頭運(yùn)行時(shí)氣泡在運(yùn)動(dòng)過程中不斷聚合形成氣團(tuán)和長(zhǎng)度為30～60 cm的大氣囊，氣囊體積隨運(yùn)行時(shí)間增加而增大，當(dāng)其貫穿整個(gè)斷面時(shí)管路斷流。為了保證虹吸管正常運(yùn)行，應(yīng)盡量避免氣泡在一定條件下聚合成氣囊，而這一問題與氣泡在動(dòng)水和負(fù)壓運(yùn)行的管道內(nèi)的動(dòng)力學(xué)行為密切相關(guān)。

氣泡以分散相的形式在水中的運(yùn)動(dòng)過程是一種復(fù)雜、不穩(wěn)定和非線性的水動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。Sanada等[6]、Wang等[7]通過試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬對(duì)不同黏度液體中的氣泡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，得到了不同直徑下氣泡的形狀。程軍明等[8]對(duì)氣泡在靜水中上升和破裂過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了氣泡上升速度和氣泡形狀之間的關(guān)系。陳如艷等[9]通過試驗(yàn)研究得到水平管內(nèi)氣液兩相流中液相流速、氣相流速和氣泡尺寸的相互影響規(guī)律。Bhaga等[10]研究了浮力氣泡在黏性液體中的上升運(yùn)動(dòng)過程，得到了氣泡形狀及終端上升速度與雷諾數(shù)Re、莫頓數(shù)Mo和埃奧特沃斯數(shù)Eo之間關(guān)系的氣泡相圖。Ellingsen等[11]使用高速攝像機(jī)對(duì)氣泡在各種局部流動(dòng)條件及不同水質(zhì)情況下的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，并得到了在不同條件下氣泡的運(yùn)動(dòng)及形變過程。Ohta等[12-13]先后運(yùn)用VOF數(shù)值模型，揭示了當(dāng)流動(dòng)條件為低Mo和Eo時(shí)，氣泡上升行為與其初始形狀密切相關(guān)。前人的研究主要集中于靜水中氣泡的運(yùn)動(dòng)特性，而對(duì)于動(dòng)水和負(fù)壓運(yùn)行下虹吸管內(nèi)的氣泡運(yùn)動(dòng)特性尚未見報(bào)道。本文應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，同時(shí)結(jié)合VOF方法對(duì)虹吸管上、中、下行管路中單個(gè)氣泡在不同流量條件下的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行模擬，為探明虹吸管內(nèi)氣泡聚合形成氣囊和氣泡獨(dú)立運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生條件奠定基礎(chǔ)，同時(shí)為實(shí)際工程中合理布置虹吸管路排氣裝置、保證管路正常運(yùn)行提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 湍流數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

1.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和VOF法

在整個(gè)虹吸管內(nèi)，除了彎頭處以外，其他地方流線基本相互平行，因此選擇計(jì)算量小、計(jì)算精度和收斂性均較好的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。湍動(dòng)能k和耗散率ε方程為式中：σk、σε分別為湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，均為1.39;t為時(shí)間;Gk為湍動(dòng)能k的生成項(xiàng)，Gk=μt（uixj+ujxj）uixj，其中μt=ρCμk2ε，Cμ=0.084 5;C1ε=1.44;C2ε=1.92;C3ε=0.09;Gb是因浮力影響引起的湍動(dòng)能而產(chǎn)生的，Gb=βgiμtσtuixi，β=0.012，σt為紊動(dòng)普朗特?cái)?shù)，其他參數(shù)取值見文獻(xiàn)[15];YM為有壓縮流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響值，在本文中模擬的液相認(rèn)為是不可壓縮的，因此不考慮該項(xiàng)。

精確描述氣液兩相的運(yùn)動(dòng)界面是研究氣泡行為的關(guān)鍵。VOF方法追蹤的是網(wǎng)格中流體體積，具有容易實(shí)現(xiàn)、計(jì)算量小和精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此本文采用VOF法追蹤氣液交界面。當(dāng)αw=0時(shí)，表示管道內(nèi)沒有水，被氣充滿;當(dāng)水的體積分?jǐn)?shù)αw=1時(shí)，表示管內(nèi)被水充滿;當(dāng)0≤αw≤1時(shí)，表示管內(nèi)被水和氣充滿。αw的控制方程為

2 計(jì)算區(qū)域的離散及邊界條件

由于本文模擬的管道為圓形截面，氣泡為球形，管道與氣泡都具有軸對(duì)稱性，因此建立二維模型進(jìn)行數(shù)值模擬。模型由上行管、中行管和下行管三部分構(gòu)成，其中上行管和下行管高度均為6 m，中行管長(zhǎng)度為18 m，管徑為2 cm。分別對(duì)單個(gè)氣泡在上行管、中行管、下行管內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。虹吸管模型邊界采用速度進(jìn)口邊界條件，液相初始速度分別為0.06、0.15、0.2 m/s且垂直于管路的橫斷面，氣相的初始速度為0。管道出口為壓力邊界，相對(duì)壓強(qiáng)為0，管道壁面設(shè)為無滑移固壁，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行修正。當(dāng)t=0時(shí)，氣泡位于上行管距離管口50 cm中心處。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分采用四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格，由于整體劃分網(wǎng)格數(shù)目較多，計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)，因此對(duì)上行管、中行管和下行管網(wǎng)格局部加密。氣泡在不同管段運(yùn)動(dòng)時(shí)，需運(yùn)動(dòng)一段距離后速度才能達(dá)到穩(wěn)定。在上行管中，對(duì)氣泡起點(diǎn)以上3 m范圍內(nèi)的管道進(jìn)行加密;當(dāng)氣泡在中行管運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)距離氣泡起點(diǎn)0.5 m處之后的3 m范圍內(nèi)的管道進(jìn)行加密;下行管中，由于流量不同，氣泡運(yùn)動(dòng)方向也不同，因此針對(duì)不同流量分別做了加密方案，流量較小時(shí)，對(duì)氣泡起點(diǎn)以上3 m范圍內(nèi)的管道進(jìn)行加密，流量較大時(shí)，對(duì)氣泡起點(diǎn)以下3 m范圍內(nèi)的管道進(jìn)行加密;網(wǎng)格單元最小尺寸為4×10-4m?？刂品匠痰碾x散采用有限體積法，從穩(wěn)定性、精確性、適用性方面考慮，控制方程中的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。離散后的線性代數(shù)方程組采用SIMPLEC算法迭代求解，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-4 s。

使用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型和VOF法，通過FLUENT軟件進(jìn)行模擬，設(shè)置表面張力系數(shù)σ=0.072 8 N/m，模擬虹吸管輸水流量分別為0.018 8、0.047 1 L/s，氣泡直徑分別為1、4、5、6、7 mm的管路內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)行為特征。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

采用文獻(xiàn)[16]和文獻(xiàn)[17]的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)本文的數(shù)學(xué)模型及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1.1 物理模型試驗(yàn)裝置

文獻(xiàn)[16]試驗(yàn)裝置見圖1。試驗(yàn)裝置高度為1 m，長(zhǎng)、寬分別為20.32、7.56 cm，液面高度為0.8 m。使用空氣注射器注入所需大小的氣泡，通過水箱與管道的壓力差使得氣泡進(jìn)入試驗(yàn)裝置。氣泡出口位置為半球形倒置的杯罩，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)杯罩釋放氣泡，使用高速攝像機(jī)在測(cè)量區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。

3.1.2 數(shù)學(xué)模型的建立與對(duì)比

文獻(xiàn)[18]中指出計(jì)算區(qū)域的寬度大于4倍氣泡直徑時(shí)，可忽略邊界對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)特性的影響。為了驗(yàn)證擬采用的數(shù)學(xué)模型，先建立高度為1 m、直徑為50 mm的一端封閉一端開口的豎直管道模型，出口邊界設(shè)為壓力出口（相對(duì)壓強(qiáng)為0），網(wǎng)格尺寸分別為6×10-4、5×10-4、4×10-4、3×10-4 m，分別模擬了直徑為4、6、8 mm的氣泡在靜水中的上升和變形過程，氣泡直徑為6 mm時(shí)不同網(wǎng)格尺寸下氣泡速度隨時(shí)間變化情況見圖2。由圖2可知，網(wǎng)格尺寸越小，氣泡速度越快，當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于4×10-4 m時(shí)，氣泡速度不再隨著網(wǎng)格尺寸的變化而發(fā)生變化。網(wǎng)格尺寸越小，需要的網(wǎng)格數(shù)量越大，計(jì)算耗時(shí)就越長(zhǎng)，為了減少計(jì)算時(shí)間，選擇網(wǎng)格尺寸為4×10-4m進(jìn)行計(jì)算。由圖2還可得到，網(wǎng)格尺寸為4×10-4m時(shí)模擬的氣泡速度與實(shí)測(cè)的結(jié)果吻合較好。當(dāng)t=0.15 s時(shí)，氣泡速度模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差最小，相對(duì)誤差為1.7%;當(dāng)t=0.25 s時(shí)，氣泡速度模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差最大，相對(duì)誤差為4.9%。

將氣泡直徑為6 mm時(shí)的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[17]中實(shí)測(cè)的氣泡相圖及文獻(xiàn)[16]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1和圖2所示。表1為不同直徑氣泡在上升過程中不同時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的Re和Eo，并將氣泡形狀模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[17]結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從表1中可以看出3種直徑的氣泡運(yùn)動(dòng)過程與文獻(xiàn)[17]中氣泡相圖的結(jié)果一致。文獻(xiàn)[19]中提到，氣泡在流體中上升時(shí)，氣泡形狀主要取決于氣泡雷諾數(shù)Re、埃奧特沃斯數(shù)Eo和莫頓數(shù)Mo三個(gè)無因次準(zhǔn)數(shù)，它們的表達(dá)式分別為

3.2 氣泡豎直運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)過程及形狀變化

在負(fù)壓條件下，不同流量時(shí)虹吸管上、中、下行管內(nèi)直徑d分別為5、6、7 mm的氣泡運(yùn)動(dòng)過程及形狀變化見圖3～圖5。氣泡形變過程用不同時(shí)刻的縱橫比（即氣泡短軸與長(zhǎng)軸的比值）變化來表示，t=0時(shí)，縱橫比為1，氣泡縱橫比越接近1表明氣泡變形量越小。

圖3為上行管內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)變形過程，t=0時(shí)氣泡為球形。當(dāng)流量為0.018 8 L/s時(shí)，隨著氣泡上升，氣泡變成橢球狀，隨著直徑的增大，變形越來越明顯，如d=5 mm的氣泡經(jīng)過4 s后，縱橫比由t=0時(shí)的1變?yōu)?.64，而d=7 mm的氣泡經(jīng)過相同時(shí)間縱橫比由t=0時(shí)的1變?yōu)?.55。當(dāng)流量由0.018 8 L/s增大至0.047 1 L/s時(shí)，氣泡仍然保持橢球狀上升，縱橫比隨氣泡直徑增大而減小，但是流量的增大對(duì)氣泡形狀的變化影響很小，如d=5 mm和d=7 mm的氣泡經(jīng)過6 s后縱橫比分別由1變?yōu)?.63和0.56，與流量為0.018 8 L/s時(shí)的縱橫比基本相同。

圖4為球形氣泡在下行管隨水流運(yùn)動(dòng)時(shí)氣泡變形過程。氣泡在下行或上行過程中主要經(jīng)歷了球形和橢球形的變形過程。計(jì)算不同時(shí)刻的Re、Eo和Mo，與文獻(xiàn)[17]的氣泡相圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：動(dòng)水條件下虹吸管上、下行管內(nèi)氣泡在不同時(shí)刻的形狀變化過程模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[17]的靜水條件下氣泡運(yùn)動(dòng)變形過程一致。當(dāng)流量為0.018 8 L/s時(shí)，因流速較小，流體曳力（物體在流體中有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到流體的阻力，阻力大小由相對(duì)速度差決定）較小，在浮力作用下d=5 mm的氣泡在下行管內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，氣泡運(yùn)動(dòng)速度小于上行管中氣泡運(yùn)動(dòng)速度，此時(shí)下行管氣泡縱橫比較大，氣泡運(yùn)動(dòng)過程中變形量略小于上行管內(nèi)的。如t=4 s時(shí)，d=5 mm的氣泡在下行管內(nèi)氣泡縱橫比比上行管內(nèi)增加2%。當(dāng)流量為0.047 1 L/s時(shí)，流體曳力大于浮力，氣泡隨水流一起向下運(yùn)動(dòng)，隨著氣泡速度的增大，相對(duì)速度差減小，流體曳力減小，下行管氣泡運(yùn)動(dòng)速度小于上行管內(nèi)的，因此氣泡變形量仍小于上行管內(nèi)的氣泡變形量，經(jīng)過4 s后，d=7 mm的氣泡縱橫比比上行管中增大了9%。

圖5為氣泡在中行管運(yùn)動(dòng)變形過程，不同流量下氣泡變形過程基本一致。當(dāng)t=0時(shí)，氣泡為球形。當(dāng)t>0時(shí)，在浮力和壁面黏附力作用下氣泡變?yōu)榘霗E球狀，自管道中心向上管壁運(yùn)動(dòng)，保持貼壁流運(yùn)動(dòng)。當(dāng)Q=0.018 8 L/s時(shí)，經(jīng)過相同時(shí)間，氣泡縱橫比隨氣泡直徑的增大而減小。如d=5 mm和7 mm的氣泡經(jīng)過4 s后縱橫比分別由1變?yōu)?.24和0.17，對(duì)同一直徑氣泡而言，經(jīng)過相同時(shí)間，氣泡縱橫比隨流量增大而減小。如Q=0.018 8 L/s時(shí)，d=5 mm的氣泡經(jīng)過4 s后縱橫比較Q=0.047 1 L/s時(shí)增大了11%。

3.3 虹吸管內(nèi)不同直徑氣泡速度與縱橫比

圖6為Q=0.018 8 L/s時(shí)不同直徑氣泡的速度、縱橫比隨時(shí)間的變化情況。其中：v、v1、v2分別為氣泡直徑為5、6、7 mm時(shí)的氣泡運(yùn)動(dòng)速度，e、e1、e2分別為氣泡直徑為5、6、7 mm時(shí)的氣泡縱橫比。

氣泡直徑一定時(shí)，縱橫比越大，氣泡速度越小，這一規(guī)律與文獻(xiàn)[16]中提到的靜水條件下氣泡運(yùn)動(dòng)過程中縱橫比與其速度成反比的規(guī)律一致。流量增大時(shí)，氣泡縱橫比與速度的關(guān)系和小流量時(shí)一致（限于篇幅，文中未給出其他流量時(shí)的圖形）。從圖6（a）可以看出，氣泡直徑越大，速度越小，但不同直徑氣泡的速度相差不大，如d=5 mm和d=7 mm時(shí)，最大差為t=1.0 s時(shí)的12%，最小差為t=2 s時(shí)的2%。其原因是氣泡直徑增大，所受浮力增大，在浮力作用下，氣泡與液體之間的相對(duì)速度差增大，導(dǎo)致流體曳力增大，抑制氣泡上升，隨著氣泡直徑的增大，管壁黏附力將會(huì)阻礙氣泡運(yùn)動(dòng)，使得大、小氣泡的運(yùn)動(dòng)速度差別不明顯。

從圖6（b）可以看出，不同直徑的氣泡在下行管內(nèi)的流速均小于上行管內(nèi)的，且同一時(shí)刻氣泡縱橫比越大，速度越小。Q=0.018 8 L/s時(shí)，在下行管中，氣泡向上運(yùn)動(dòng)，由于水流方向與上行管內(nèi)水流方向相反，因此速度比上行管內(nèi)小。氣泡速度隨著氣泡直徑的增大略有減小，如氣泡直徑由5 mm增加到7 mm時(shí)，氣泡速度由0.16 m/s減小19%，其原因是較大的氣泡所受管壁黏附作用影響較大，使得阻力增大。當(dāng)流量增加到0.047 1 L/s時(shí)，流體曳力增大，氣泡向下運(yùn)動(dòng)，氣泡的縱橫比與速度的關(guān)系也與上述一致;氣泡直徑對(duì)氣泡速度的影響很小。

從圖6（c）可以看出，在中行管內(nèi)不同直徑的氣泡先進(jìn)行短暫的減速運(yùn)動(dòng)后達(dá)到終速度，與上行管相比速度有所減小，其原因是在中行管內(nèi)氣泡先向上運(yùn)動(dòng)，直到與管壁貼合，壁面黏附力增大，浮力不再做功，氣泡速度減小。當(dāng)直徑d=5～6 mm時(shí)，氣泡速度會(huì)隨著氣泡直徑的增大而減小。當(dāng)氣泡直徑進(jìn)一步增大，如d=7 mm時(shí)，氣泡速度增大，其原因是氣泡直徑過大，運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生了破裂，形成了較小的氣泡，使得速度又出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。由于中行管內(nèi)是貼壁流，因此氣泡縱橫比與上行管相比相差很大，如Q=0.018 8 L/s時(shí)，d=5 mm的氣泡經(jīng)過4 s后，中行管內(nèi)氣泡縱橫比較上行管內(nèi)減小65%。

3.4 氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡

氣泡在上升過程中會(huì)發(fā)生橫向位移，其原因是氣泡在上升的過程中會(huì)發(fā)生形變使得受力不平衡，導(dǎo)致了橫向振蕩。將氣泡中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)（0，0.6）作為t=0時(shí)刻氣泡的運(yùn)動(dòng)位置，流量為0.047 1 L/s時(shí)不同直徑的氣泡在上升過程的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖7，圖中x/d表示氣泡的中心點(diǎn)位置沿管徑方向的相對(duì)位置，y/hs表示氣泡的中心點(diǎn)位置與虹吸管高度的相對(duì)距離。由圖7可知，氣泡在上行管中運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著氣泡直徑的增大，振蕩幅度發(fā)生變化。當(dāng)上升氣泡直徑較小時(shí)，如d=1 mm時(shí)，氣泡上升中的振蕩幅度較小，基本沿直線上升。隨著氣泡直徑的增大，如d=4 mm時(shí)，氣泡呈“之”字形上升。當(dāng)氣泡直徑增大到7 mm時(shí)，氣泡的振蕩幅度卻開始減小，其原因是直徑較大的氣泡在上升過程中受到壁面黏滯作用的影響增大，對(duì)氣泡的振蕩起阻礙作用，使得振蕩幅度變小。在不同流量的情況下，氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)相似的變化。

4 結(jié) 論

本研究模擬了單個(gè)氣泡在靜水中的上升過程，并與文獻(xiàn)[17]的氣泡相圖結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的正確性，在此基礎(chǔ)上對(duì)虹吸管道水流進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

（1）氣泡在上行管上升過程中，由球狀變?yōu)闄E球狀，縱橫比逐漸減小，氣泡直徑越大，縱橫比變化越劇烈，而流量的變化對(duì)氣泡縱橫比的影響很小。氣泡速度與縱橫比有關(guān)，縱橫比越大，氣泡速度越小。氣泡直徑較小時(shí)，氣泡沿直線上升，隨著氣泡直徑增大，氣泡發(fā)生振蕩，呈“之”字形上升。當(dāng)氣泡直徑增大到一定程度時(shí)，氣泡受到壁面的黏滯作用影響增大，對(duì)氣泡的振蕩起阻礙作用，使得振蕩幅度變小。

（2）氣泡在下行管運(yùn)動(dòng)過程中，氣泡變形情況與上行管相似，但氣泡受到浮力和曳力作用，下行管內(nèi)氣泡速度和變形程度小于上行管內(nèi)的。

（3）氣泡在中行管運(yùn)動(dòng)過程中，氣泡經(jīng)過短暫時(shí)間運(yùn)動(dòng)至管道頂部，在此之后為貼壁運(yùn)動(dòng)，氣泡由球狀變?yōu)榘霗E球狀。隨著氣泡直徑的增大，氣泡縱橫比逐漸減小;縱橫比大小與流量有關(guān)，流量越大，縱橫比越小。氣泡速度隨氣泡直徑增大而逐漸減小，氣泡發(fā)生破裂后的氣泡速度大于原來氣泡的速度。

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