均匀直流电场作用下贴壁气泡变形特性|江阴雨辰互联

2024年4月28日发(作者：)

第52卷第

12期

2021年12月

中南大学学报(自然科学版)

JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)

Vol.52No.12

Dec.2021

DOI:10.11817/.1672-7207.2021.12.033

引用格式：王太,陈烁,李典,等.均匀直流电场作用下贴壁气泡变形特性[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(12):4531−

4539.

Citation:WANGTai,CHENShuo,LIDian,igationondeformationbehaviorofsinglebubbleattachedtosolidwallunder

effectofuniformDCelectricfield[J].JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology),2021,52(12):4531−4539.

均匀直流电场作用下贴壁气泡变形特性

王太，陈烁，李典，刘清元，谢英柏，刘春涛

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定，071003)

摘要：为了获得均匀直流电场作用下贴壁气泡的变形特性，开发电场力模型，并与基于轴对称坐标系的

VOSET方法相耦合，采用数值模拟的方法研究电场力、浮升力、表面张力、毛细力对气泡变形的影响。

同时，开展可视化实验对数值算法进行验证。研究结果表明：电势与电场在气液界面附近发生扭曲，电场

力指向气泡内部，挤压气泡沿电场方向伸长；电场强度与液体介电常数越大，电场力越大，气泡变形越明

显；浮升力作用减弱，表面张力与电场力作用增强，气泡高度明显增加；表面张力具有维持气泡形状的能

力，表面张力系数越小，当无外加电场时，气泡高度越小，施加电场后，气泡高度随电场强度增加而增大

的幅度越大；接触角越大，气泡高度随电场强度增加而增大的幅度越大。

关键词：气泡；电场；电场力；VOSET方法；数值模拟

中图分类号：TK121

文章编号：1672-7207（2021）12-4531-09

文献标志码：A

Investigationondeformationbehaviorofsinglebubbleattached

tosolidwallundereffectofuniformDCelectricfield

WANGTai,CHENShuo,LIDian,LIUQingyuan,XIEYingbai,LIUChuntao

(SchoolofEnergy,PowerandMechanicalEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,

Baoding071003,China)

Abstract:Inordertoobtainthedeformationbehaviorofsinglebubbleattachedtothesolidwallundertheeffect

ofuniformDCelectricfield,theVOSETmethodbasedontheaxisymmetriccoordinatecoupledwithelectricfield

forcemodelwasusedtoinvestigatetheeffectofelectricfieldforce,buoyancyforce,surfacetensionandcapillary

ualizedexperimentwasperformedtoverifythenumericalsimulation

ultsshowthattheelectricpotentialandelectricfieldaredistortedaroundthegas-liquid

heextrusionactionofelectricfieldforcepointingtotheinteriorofthebubble,thebubble

gerelectricfieldstrengthanddielectricconstantofliquid

收稿日期：2021−04−21；修回日期：2021−05−29

基金项目(Foundationitem)：河北省自然科学基金资助项目(E2019502151)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

(2018MS105)(Project(E2019502151)supportedbytheNaturalScienceFoundationofHebeiProvince,China;Project

(2018MS105)supportedbytheFundamentalResearchFundsfortheCentralUniversitiesofChina)

通信作者：王太，博士，讲师，从事多相流动传热、气液两相流数值模拟研究；E-mail：********************

4532

中南大学学报(自然科学版)第52卷

willleadtothectofbuoyancy

forceisweakened,theeffectofsurfacetensionandelectricfieldforceisenhanced,andthebubbleheightis

edecreaseofthe

surfacetensioncoefficient,thebubbleheightdecreasesintheabsenceofelectricfield,butinthecaseofapplying

electricfield,ithasthelarge

increaseofthecontactangle,thebubbleheighthasthelargerincreasingamplitudewiththeincreaseoftheelectric

fieldstrength.

Keywords:bubble;electricfield;electricfieldforce;VOSETmethod;numericalsimulation

电场强化沸腾换热技术具有设备简单、装置

灵巧、功耗低、热流与温度易于控制等优点

[1]

，在

动力工程、核能工程、化学工程、航空航天等领

域具有广阔的应用前景。该技术通过施加高压电

场，在汽液界面产生电场力，从而控制汽泡的生

成、脱离以及变形、融合、破碎等拓扑结构的变

化。可见，深入研究外加电场作用下气泡的动力

学行为，有助于认识电场强化沸腾换热的机理。

鉴于此，国内外众多学者对电场作用下气泡

动力学行为进行了研究。PENG等

[2]

采用实验方法

研究了均匀电场作用下气泡的生成与脱离过程，

分析了电场强度、出气孔孔径的影响，发现气泡

沿电场方向伸长，且电场强度越大，气泡变形越

明显。DI等

[3−5]

脱离过程进行了数值模拟研究，发现改变非均匀

电场的分布可控制生成气泡的直径，提升气泡的

脱离速度。这些研究展示了外加电场对气泡动力

学行为的作用规律，为揭示电场强化沸腾换热的

机理提供了理论参考。

现有研究多集中于电场作用下气泡的生成、

脱离与上升等行为，但在水平通道内，沸腾换热

产生的汽泡会上升并与上壁面接触，而电场作用

下贴壁气泡的动力学行为研究仍报道较少。因此，

本文作者将电场力模型与基于轴对称坐标系的气

液两相流数值算法相耦合，数值模拟研究外加均

匀直流电场作用下贴壁气泡的变形特性，重点分

析电场力、浮升力、表面张力、毛细力的影响

机理。

证明了电场具有操控气液界面拓扑

变化的能力。LIU等

[6]

在出气孔右上方安置了1个

高压球形电极，构建了非均匀电场，并研究了气

泡的生成、脱离与上升过程。WANG等

[7]

将竖直金

属圆柱与金属平板平行放置构建了非均匀电场，

并研究了气泡在非均匀电场中的上升过程；

JALAAL等

[8]

在出气口左侧安置了1个高压平板电

极(竖直方向)，观察了在非均匀电场作用下气泡远

离高电场强度区域。高明等

[9]

利用针状电极与加热

平面电极构建了非均匀电场，观测了外加电场对

单个沸腾汽泡动力学特性的影响。王军锋等

[10]

利用

针状电极与环状电极构建了非均匀电场，观测了

非均匀电场中气泡的生成与分散特性。HIGUERA

等

[11]

采用数值模拟的方法研究了均匀电场作用下单

个气泡的生长与脱离过程；陈帅等

[12]

采用数值模拟

研究了交流电场作用下附着在下壁面上气泡的变

形与脱离过程。MÄHLMANN等

[13−18]

模拟了均匀电

场中气泡的上升过程，发现气泡沿电场方向伸长，

从而影响上升速度。SUNDER等

[19]

采用CLSVOF

方法对非均匀电场作用下浸没孔中气泡的生长与

1数值模型

1.1控制方程

对于不可压缩气液两相流动，施加电场后，

气液界面上存在电场力，此时连续性方程与动量

方程可描述为：

∇⋅u=0

(

∂u

+u⋅∇u=∇⋅μ

(

(∇u)

)

+(∇u)

∂t

)

[]

(1)

式中：

，ρ，t，μ，p和g分别为速度矢量、流体

密度、时间、黏度、压力和重力加速度；F

为表

面张力；F

为电场力。采用基于同位网格的

IDEAL算法

[20]

求解流场，采用ADI算法

[21]

求解离散

方程组。

1.2界面追踪方法

VOF方法与LevelSet方法是模拟气液两相流

∇p+ρg+F

(2)

第12期

王太，等：均匀直流电场作用下贴壁气泡变形特性

4533

动的常用算法，但是这2种方法的优缺点也较明

显。VOF方法能够确保各相的质量守恒，但是很

难精确计算表面张力；LevelSet方法能够精确计算

表面张力，但是很难保证各相的质量守恒。为了

解决这个问题，SUN等

[22]

提出了VOSET界面追踪

方法，该方法采用VOF方法捕捉相界面，采用

LevelSet函数计算表面张力和流体物性，结合了

VOF方法与LevelSet方法的优点。

VOF方法的流体体积函数输运方程为

∂C

+u⋅∇C=0

∂t

H(ϕ)的表达式为

0,ϕ<-γ

ϕ1πϕ

H(ϕ)=

1++sin

2γπγ

ëû

1,ϕ>γ

()

≤γ

(11)

1.3电场力模型

在电流体动力学中，磁效应非常微弱，可忽

略不计，因此，电场强度E是无旋的，即∇×E=0。

对于理想介质材料，电场强度E满足以下方程：

(3)

∇⋅(εε

E)=0

(12)

式中：C为流体体积函数，表示目标流体占网格单

元的体积分数。C=0表示网格内全为液体，C=1表

示网格内全为气体，0

面。采用PLIC方法

[23]

重构气液相界面，采用不分

裂算法

[24]

计算网格之间的流体输运量。

采用几何方法

[22]

计算相界面周围网格中心P点

到相界面的最短距离d，根据网格中心的位置，确

定LevelSet函数ϕ，计算式如下：

-d,P点位于气相区域

ϕ=

0,P点位于相界面上

d,P点位于液相区域

式中：ε

为真空介电常数。

引入标量电势ψ，定义电场强度E=-∇ψ，代入

式(12)，可得

∇⋅(εε

∇ψ)=0

(13)

采用中心差分格式离散上述方程，并采用ADI

算法求解离散方程组，获得电势ψ的分布后，计算

电场强度E的分布，从而计算电场力F

。将电场力

代入动量方程，求解速度场，从而获得下一时刻

的气液界面分布；随后可再计算电场力的分布，

(4)

再次代入动量方程，从而实现电场与流场的耦合。

=-ε

∇ε

获得LevelSet函数ϕ后，采用CSF界面张力模

型

[25]

计算表面张力F

=-σκ(ϕ)δ(ϕ)∇ϕ

(14)

1.4

(5)

计算区域与边界条件

图1所示为外加电场作用下贴壁气泡的物理模

式中：σ为表面张力系数；κ为界面曲率，表达

式为

κ(ϕ)=∇⋅

型示意图。由图1可见：2块极板平行放置，上极

板与高压电源正极相连，下极板与高压电源负极

相连并接地；初始时刻，气泡置于上极板下方，

()

∇ϕ

(6)

连续相为绝缘液体；改变施加于极板之间的电压

U，气泡的形状将随之发生变化。由于气泡的变形

具有轴对称特性，因此，取1rad区域作为计算区

域，L

=20mm(L

为径向长度，L

为轴向长度)，

气泡的当量直径D=4mm，气泡的高度为H。求解

其中，δ(ϕ)为DiracDelta函数，表达式为

[26]

>γ

δ(ϕ)=

πϕ

1+cos

2γγ

()

≤γ

(7)

式中：γ为相界面周围的光滑宽度，等于1.5Δ，Δ

为网格宽度。

利用Heaviside函数H(ϕ)

[26]

，通过插值平均方

法计算流体的密度ρ、黏度μ及相对介电常数ε。

ρ=ρ

H(ϕ)+ρ

[1-H(ϕ)]

μ=μ

H(ϕ)+μ

[1-H(ϕ)]

ε=ε

H(ϕ)+ε

[1-H(ϕ)]

(8)

(9)

(10)

Fig.1

图1物理模型与计算区域

Physicalmodelandcomputationaldomain

式中：下标l和g分别表示液体与气体。

4534

中南大学学报(自然科学版)第52卷

流动方程所采用的边界条件为：1)左边界(r=0)为提高，气泡高度H略有增加，但D/Δ=32与D/Δ=40

轴对称边界；2)右边界(r=L

)为滑移边界；3)下边

界(z=0)与上边界(z=L

)为无滑移边界条件，气液固

三相接触角为θ=20°。

求解电势方程的边界条件为：

∂ψ

==0

∂r

r=0

∂r

r=L

网格的模拟结果差异极小，因此，采用D/Δ=32网

格开展后续数值模拟研究。

2.2实验验证

为了验证数值模型的准确性，本文设计与搭

(15)

(16)

建了用于研究均匀直流电场作用下贴壁气泡变形

特性的可视化实验系统。如图3所示，实验系统由

高压直流电源(0~50kV)、摄像机、冷光源、电极

板(100mm×100mm)等组成，2极板间距为20mm，

实验工质为空气与二甲基硅油；标尺置于上、下

极板之间，将拍摄的图片放大，读取每厘米标尺

上包含的像素点个数，可获得每个像素点代表的

尺寸，读取气泡沿竖直方向包含的像素点个数，

乘以像素点的尺寸，即可获得气泡高度。

通过实验观测了D=3.8mm与D=4.91mm的气

泡在不同电场强度时的形变，同时对实验工况进

z=0

=0,ψ

z=L

=ψ

式中：ψ

为直流电场中上壁面的电势。

2模型验证

2.1网格无关性验证

选择合适的网格精度，既可以获得精确的数

值模拟结果，又可以控制计算资源的消耗，因此，

有必要开展网格无关性验证。选取80×80，120×

120，160×160和200×200这4种网格系统(D/Δ分别

为16，24，32和40)，模拟U=50kV时二甲基硅油

(型号为1000cs)中气泡的变形，空气和二甲基硅油

的物性参数见表1。图2所示为不同网格精度下气

泡形状的对比结果。从图2可以看出：随网格精度

表1不同流体的物性参数

Table1Physicalparametersfordifferentfluids

空气

1.225

1.79×10

1.00

—

−5

物性参数

ρ/(kg·m

−3

)

μ/(kg∙m

∙s

)

−1−1

二甲基硅油

975

1.04

2.76

0.021

Fig.3

图3实验系统示意图

Schematicdiagramofexperimentalsystem

σ/(N∙m

−1

)

图4不同直径气泡在不同电场强度时形变的数值模拟

结果与实验结果的对比

ComparisonbetweennumericalresultsandFig.4

图2

Fig.2

不同网格分辨率时气泡的形状

Bubbleshapesfordifferentgridresolutions

experimentalresultsforbubblewithdifferentdiameters

undereffectofdifferentelectricfieldstrengths

第12期

王太，等：均匀直流电场作用下贴壁气泡变形特性

4535

行了数值模拟。图4所示为不同直径气泡在不同电

场强度时形变的数值模拟结果与实验结果的对比，

从图4可以看出：不同直径气泡在不同电场强度时

形变的数值模拟结果与实验结果吻合良好，证明

本文数值模型可有效地模拟外加电场作用下气泡

的动力学行为。

3结果与讨论

直流电场中，上下极板的电势不随时间变化，

施加电场之后，气泡经过短暂时间，会达到静态

平衡，此时气泡受到电场力、浮升力、表面张力、

毛细力的作用。

3.1电场强度的影响

由图4可知，施加电场后，气泡沿竖直方向伸

长，且电压U越大，气泡变形越明显。为了揭示

电场作用下气泡变形的机理，图5所示为不同电场

作用下二甲基硅油中气泡(D=4mm)的形状及周围

电场强度(|E|)、电势、电场线、电场力的分布。对

单相均质流体施加均匀电场，电势由高压极板到

低压极板线性减小，电场强度为定值。从图5可以

看出：添加气泡之后，气液界面周围的电势发生

扭曲，且气泡顶端附近电势扭曲程度最大，造成

气泡内部电势等值线密度比气泡外部密度大；电

场线同样在气液界面周围发生扭曲，且背离气泡

方向弯曲。气泡内部的电场强度远比气泡外部的

电场强度大，气泡左右两侧界面处于较强电场强

度区域，而气泡顶端界面处于较弱电场强度区域，

造成气泡顶端的电场力比左右两侧的小。同时，

由于电场力指向气泡内部，因此，在挤压作用下

气泡沿竖直方向伸长，且随电压U增大，电场强

度增大，气液界面上的电场力明显增大，克服表

面张力与浮升力的作用，导致气泡变形更明显。

3.2介电常数的影响

由电势和电场力的求解方程可知，引起电势

与电场扭曲的根源在于气液两相的介电常数存在

差异，同时也是造成相界面上存在电场力的主要原

因。为了分析流体介电常数的影响，在数值模拟过

程中，改变液体的介电常数，其他物性与二甲基硅

油的物性相同。图6所示为不同介电常数液体中气

泡形状与高度随电压U的变化。由图6可知：当无

Fig.6

图6不同介电常数液体中气泡形状与高度H随电压U

的变化

VariationsofbubbleshapeandheightHwith

voltageUinliquidswithdifferentdielectriccoefficients

Fig.5

图5

(a)U=10kV，电势与电场力；(b)U=10kV，电场与电

场线；(c)U=30kV，电势与电场力；(d)U=30kV，电

场与电场线；(e)U=50kV，电势与电场力；

(f)U=50kV，电场与电场线

不同电场作用下二甲基硅油中气泡

力的分布

Distributionsofelectricfieldintensity,electric

potential,electricfieldlineandelectricfieldforcearound

bubblewithD=4mmindimethylsiliconeoilundereffect

ofdifferentelectricfields

(D=4mm)的形状及周围电场强度、电势、电场线及电场

4536

中南大学学报(自然科学版)第52卷

外加电场时，不同介电常数对气泡的高度无影响。气液界面周围介电常数的梯度(∇ε)越大，因此，电

施加电场后，气泡高度随电场强度增大而增大，

且介电常数越大的液体中气泡高度的增加幅度越

大。同时，气泡形状也发生了明显变化，气泡端

部越来越尖，如U=50kV工况，随液体介电常数

增大，气泡由短弹头状演变为尖刺状。

为了了解介电常数的影响机理，图7所示为

U=30kV时，介点常数ε分别为5，10和30的液体

中气泡周围电场强度(|E|)、电势、电场线、电场力

的分布，图7(a)，图7(c)和图7(e)中电场力矢量的

单位长度代表的值分别为图5(c)的2.5倍、2.5倍与

10倍。由图7可知：介电常数的增大使气液界面附

近电场线的扭曲更加严重，气泡内部电场线的密

度越来越低；介电常数对电场力的分布无明显影

响，但随介电常数增大，电场力明显增大，挤压

作用更加明显，使气泡更加瘦长。通过电场力的

计算公式可知，气液两相的介电常数差异越大，

场力越大。

3.3浮升力的影响

气泡上表面受到液体向下的压力，而下表面

受到液体向上的压力，两者之差形成浮升力。在

浮升力作用下气泡向上运动，并与上壁面接触，

随后在气泡下表面受到的液体向上的压力作用下，

气泡被向上挤压。浮升力不同，气泡受到的挤压

程度不同，必然影响电场中气泡的变形。影响浮

升力的2个重要因素为重力加速度与气液密度差，

两者与浮升力呈线性关系，影响规律相近。

图8所示为不同重力环境下二甲基硅油中气泡

形状与高度H随电压U的变化。由图8可知：在常

重力环境(g=g

=9.81m/s

)中，当浮升力作用较强，

电场强度较小时，电场力较小，不足以克服浮升

力的作用，气泡呈扁帽状；随电场强度增大，电

场力作用增强，气泡逐渐演化为短弹头状，气泡

高度随之增大，且增大的幅度也逐渐增大，这主

要是因为电场力与电场强度呈平方关系，而非线

性关系。随重力加速度减小，浮升力作用减弱，

当电场强度较小时，表面张力与毛细力占主导作

用，气泡由扁帽状逐渐演化为削顶的球状；当电

场强度较大时，电场力作用更加明显，气泡由短

弹头状演化为长弹头状，且气泡高度也明显

增大。

图9所示为U=30kV时g=0.50g

，0.10g

，

0.01g

环境中气泡周围电场强度(|E|)、电势、电场

线、电场力的分布。从图9可以看出：重力加速度

(a)ε=5，电势与电场力；(b)ε=5，电场与电场线；

(c)ε=10，电势与电场力；(d)ε=10，电场与电场线；

(e)ε=30，电势与电场力；(f)ε=30，电场与电场线

图7U=30kV，介点常数ε为5，10和30时液体中气泡

周围电场强度、电势、电场线、电场力的分布

Fig.7Distributionsofelectricfieldintensity,electric

Fig.8potential,electricfieldlineandelectricfieldforcearound

bubbleinliquidswithε=5,10,30andU=30kV

图8不同重力环境中气泡形状与高度H随电压U

的变化

VariationsofbubbleshapeandheightHwith

voltageUindifferentgravityenvironments

第12期

王太，等：均匀直流电场作用下贴壁气泡变形特性

4537

的变化对电势与电场线的扭曲无明显影响；随重

力加速度减小，气泡内部的电场强度略有减小，

这是因为气泡沿竖直方向伸长，导致气泡左右两

侧的界面曲率减小。由于气泡周围电场强度减小

的幅度很小，因此，电场力的差异较小。

随电场强度增大，气泡高度逐渐增大，且表面张

力系数越小，气泡高度增加的幅度越大。当U=

0kV时，σ=0.010N/m工况对应的气泡高度远比σ=

0.050N/m工况的高度小；随U增大，两者之间的

差距减小，当U=50kV时，σ=0.010N/m工况对应

的气泡高度比σ=0.050N/m工况对应的高度大。

图10σ为0.010和0.050时气泡形状与高度H随电压U

的变化

Fig.10VariationsofbubbleshapeandheightHwith

voltageUforσ=0.010andσ=0.050

电场力与表面张力均作用于气液界面，且指

(a)g=0.50g

，电势与电场力；(b)g=0.50g

，电场与电场

线；(c)g=0.10g

，电势与电场力；(d)g=0.10g

，电场与

电场线；(e)g=0.01g

，电势与电场力；

(f)g=0.01g

，电场与电场线

图9U=30kV，g为0.50g

，0.10g

和0.01g

环境中气泡

周围电场强度、电势、电场线、电场力的分布

Fig.9Distributionsofelectricfieldintensity,electric

potential,electricfieldlineandelectricfieldforcearound

bubbleinliquidswithg=0.50g，0.10g，0.01gandU=30kV

向气泡内部。当表面张力较大时，电场力在界面

力中的占比较小，因此，电场力增大对气泡形变

影响较小；而当表面张力较小时，电场力在界面

力中的占比明显增大，随电场力增大，气泡高度

明显增大。

3.5毛细力的影响

毛细力作用于气液固三相接触线上，影响气

泡与固体壁面的接触状态。通过改变接触角θ研究

毛细力对气泡形变的影响。

图11所示为在不同接触角时，二甲基硅油中

气泡形状与高度H随电压U的变化。由图11可知：

当无外加电场时，随接触角增大，气泡高度显著

减小，气泡由球帽状逐渐演变为圆饼状，气泡与

固体壁面的接触面积明显增大。这是因为当接触

角小于90°时，毛细力指向气泡内部，拉动气液固

接触线向内收缩，且接触角越小，毛细力作用越

明显，接触线向内收缩越明显，使气泡高度较高；

当接触角大于90°时，毛细力指向气泡外部，使接

触线外延，且接触角越大，现象越明显，气泡呈

3.4表面张力的影响

表面张力具有维持气泡形状的能力，对气泡

的形变具有重要影响。为了研究表面张力的影响，

在数值模拟过程中，改变表面张力系数，液体的

其他物性与二甲基硅油的物性相同。

图10所示为σ=0.010N/m和0.050N/m时气泡

形状与高度H随电压U的变化。由图10可知：当

无外加电场时，表面张力系数越小，维持气泡形

状的能力越弱，气泡高度越小，呈现扁帽状；而

当表面张力系数较大时，维持气泡形状的能力较

强，气泡高度较大，呈现球帽状。施加电场后，

4538

中南大学学报(自然科学版)

圆饼状，高度减小。施加电场后，在电场力的挤参考文献：

第52卷

压作用下，气泡高度随电场强度增大而增大，且

接触角越小，气泡高度增加的幅度越大。

[1]戴勇,罗小平,方振鑫.EHD强化微细槽道沸腾传热实验

研究[J].中南大学学报(自然科学版),2011,42(5):1316−

1320.

DAIYong,LUOXiaoping,

experimentalresearchonboilingheattransferinmicro-

channels[J].JournalofCentralSouthUniversity(Scienceand

Technology),2011,42(5):1316−1320.

[2]PENGYao,CHENFeng,SONGYaozu,bubble

behaviorindirectcurrentelectricfield[J].ChineseJournalof

ChemicalEngineering,2008,16(2):178−183.

[3]DIBARIS,ticbubblegrowthin

uniformDCelectricfields[J].ExperimentalThermaland

FluidScience,2013,44:114−123.

[4]DIMARCOP,KURIMOTOR,SACCONEG,

shapeundertheactionofelectricforces[J].Experimental

ThermalandFluidScience,2013,49:160−168.

图11不同润湿壁面上气泡形状与高度H随电压U

的变化

Fig.11VariationsofbubbleshapeandheightHwith

[5]WANGQinggong,ZHANGGuang,WANGChao,

electricallyinducedbubblebehaviorsconsideringdifferent

bubbleinjectiondirections[J].InternationalJournalofHeat

andMassTransfer,2017,104:729−742.

voltageUforwallwithdifferentwettabilities

从图11可以看出：接触角越大，气液界面的

曲率越小，由于表面张力系数相同，因此，相界

面上的表面张力越小。当表面张力较小时，电场

力在界面力中的占比较大，对气泡变形影响更明

显，因此，接触角越大，气泡高度随电场强度增

加而增大的幅度越大。

[7]

[6]LIUZ,HERMANC,izationofbubble

detachmentandcoalescenceundertheinfluenceofa

nonuniformelectricfield[J].ExperimentalThermaland

FluidScience,2006,31(2):151−163.

WANGP,SWAFFIELDDJ,LEWINPL,l

bubblemotioninliquidnitrogenundernonuniformelectric

fields[J].IEEETransactionsonDielectricsandElectrical

Insulation,2008,15(3):626−634.

4结论

1)电势与电场在气液界面附近发生扭曲，且

液体介电常数越大，扭曲程度越大；电场力指向

气泡内部，且非均匀分布，气泡在电场力的挤压

作用下沿电场方向伸长。

2)电场强度与流体介电常数是电场力的重要

因素，电场强度与液体介电常数越大，电场力越

大，气泡变形越明显。

3)浮升力越小，液体对气泡的作用力减弱，

电场力的作用增强，使气泡高度增大；表面张力

具有维持气泡形状的能力，表面张力系数越小，

气泡高度随电场强度增加而增大的幅度越大；接

触角越大，气泡与固体壁面的接触面积越大，且

气泡高度随电场强度增加而增大的幅度越大。

[8]JALAALM,KHORSHIDIB,ESMAEILZADEHE,etal.

field[J].ChemicalEngineeringCommunications,2010,198

(1):19−32.

[9]高明,郑平,全晓军.电场作用下单个沸腾汽泡动态特性研

究[J].工程热物理学报,2014,35(7):1387−1390.

GAOMing,ZHENGPing,rimental

investigationonthedynamiccharacteristicsofasingle

bubbleinelectricfield[J].JournalofEngineering

Thermophysics,2014,35(7):1387−1390.

[10]王军锋,胡巍瀚,刘海龙,等.电场作用下气泡分散特性的

实验研究[J].高电压技术,2019,45(11):3736−3742.

WANGJunfeng,HUWeihan,LIUHailong,etal.

Experimentalinvestigationonbubbledispersionunder

electricfield[J].HighVoltageEngineering,2019,45(11):

3736−3742.

[11]ionofbubblesinaquiescentinviscid

liquidunderauniformelectricfield[J].JournalofFluid

第12期

王太，等：均匀直流电场作用下贴壁气泡变形特性

4539

Mechanics,2006,568:203.

[12]陈帅,孙东亮,齐亚强,等.交流电场作用下附着在壁面上

气泡的动力学研究[J].北京石油化工学院学报,2019,

27(2):35−43.

CHENShuai,SUNDongliang,QIYaqiang,f

thedynamicbehaviorofabubbleattachedtoawallunder

ACelectricfield[J].JournalofBeijingInstituteof

PetrochemicalTechnology,2019,27(2):35−43.

[13]MÄHLMANNS,cy-driven

motionofatwo-dimensionalbubbleordropthrougha

viscousliquidinthepresenceofaverticalelectricfield[J].

TheoreticalandComputationalFluidDynamics,2009,23(5):

375−399.

[14]YANGQingzhen,LIBQ,SHAOJinyou,field

numericalstudyof3Dbubblerisinginviscousfluidsunder

anelectricfield[J].InternationalJournalofHeatandMass

Transfer,2014,78:820−829.

[15]WANGTai,LIHuixiong,ZHANGYifan,cal

simulationofbubbledynamicsinauniformelectricfieldby

theadaptive3D-VOSETmethod[J].NumericalHeat

Transfer,PartA:Applications,2015,67(12):1352−1369.

[16]RAHMATA,TOFIGHIN,cal

simulationoftheelectrohydrodynamiceffectsonbubble

risingusingtheSPHmethod[J].InternationalJournalof

HeatandFluidFlow,2016,62:313−323.

[17]WANGYanning,SUNDongliang,ZHANGAolin,etal.

Numericalsimulationofbubbledynamicsinthe

gravitationalanduniformelectricfields[J].NumericalHeat

Transfer,PartA:Applications,2017,71(10):1034−1051.

[18]王悦柔,王军锋,刘海龙.电场作用下气泡上升行为特性的

数值计算研究[J].力学学报,2020,52(1):31−39.

WANGYuerou,WANGJunfeng,cal

simulationonbubblerinsingbehaviorsunderelectricfield

[J].ChineseJournalofTheoreticalandAppliedMechanics,

2020,52(1):31−39.

[19]SUNDERS,calsimulationsofbubble

formationfromsubmergedneedlesundernon-uniformdirect

currentelectricfield[J].PhysicsofFluids,2013,25(10):

102104.

[20]孙东亮,屈治国,何雅玲,等.基于三维同位网格的高效稳

定的分离式算法IDEAL[J].科学通报,2008,53(24):

3014−3025.

SUNDongliang,QUZhiguo,HEYaling,cient

stablesegregatedalgorithmbasedonthree-dimensional

collocatedgrids[J].ChineseScienceBulletin,2008,53(24):

3014−3025.

[21]陶文铨.数值传热学[M].2版.西安:西安交通大学出版

社,2001:101−104.

calheattransfer[M].'an:

Xi'anJiaotongUniversityPress,2001:101−104.

[22]SUNDongliang,edvolume-of-

fluidandlevelset(VOSET)methodforcomputing

incompressibletwo-phaseflows[J].InternationalJournalof

HeatandMassTransfer,2010,53(4):645−655.

[23]HIRTCW,offluid(VOF)method

forthedynamicsoffreeboundaries[J].Journalof

ComputationalPhysics,1981,39(1):201−225.

[24]王太,李会雄,李阳.同轴两个气泡融合特性的数值研究

[J].西安交通大学学报,2013,47(7):1−6.

WANGTai,LIHuixiong,calinvestigation

oncoaxialcoalescenceoftwogasbubbles[J].Journalof

Xi'anJiaotongUniversity,2013,47(7):1−6.

[25]BRACKBILLJU,KOTHEDB,nuum

methodformodelingsurfacetension[J].Journalof

ComputationalPhysics,1992,100(2):335−354.

[26]OSHERS,etmethodsanddynamic

implicitsurfaces[M].NewYork:SpringerNewYork,2003:

15−16.

(编辑刘锦伟)

发布者：admin，转转请注明出处：http://www.yc00.com/news/1714309700a2422044.html

均匀直流电场作用下贴壁气泡变形特性

发表回复

评论列表（0条）

联系我们

400-800-8888

均匀直流电场作用下贴壁气泡变形特性

相关推荐

发表回复

评论列表（0条）

联系我们

400-800-8888