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多相流是一种常见的流动现象,在日常生活和工业生产中占据重要地位。运用数值计算方法对多相流,特别是气泡运动特性进行研究有助于加深对多相流及沸腾换热相关机理的认识。本文主要对由Lee等人提出的一种两相格子Boltzmann方法的局部质量不守恒的问题进行分析并提出减小其影响的方法,指出Luz等人提出的直接考虑重力的模型中存在分布函数定义不当的问题,并提出改进模型,结合能量方程的求解,对稳定气泡、气泡聚合、气泡自由上升以及加热壁面上的气泡生长过程进行数值计算。本文的主要研究成果如下: 针对Lee-Lin模型在界面区域存在局部质量不守恒的问题,本文通过扩大计算区域的面积减小质量不守恒程度。对两个气泡聚合过程的数值模拟结果表明,表面张力会影响模型自由能衰减速度,表面张力越大,衰减速度越快,模型计算达到稳态所需时间越短。但表面张力过大时模型稳定性会受到影响。 Luz 等人提出的直接考虑重力的模型在计算两相体相区内部时会产生额外的速度,这主要是由于压力分布函数定义不恰当引起的。利用自由能函数理论,本文分析了Lee-Lin模型引入的压力ρ1的物理意义。ρ1不仅如Lee-Lin等人描述是用于消除模型伪速度的人为引入的压力,其中还包含了因重力引起的流体压力分布。本文对 Luz 等人模型进行改进,提出了一种直接考虑重力的两相格子 Boltzmann模型,并对模型进行验证。计算结果表明该模型能够正确计算重力作用下的界面两侧体相区的压力梯度。利用模型对气泡自由上升过程进行数值计算,计算所得气泡形状和气泡上升速度与文献中数据吻合较好。 此外,本文对壁面接触角边界条件进行了推导,并验证了该边界条件能正确反映小于90o的接触角。计算结果显示,测量模型计算结果中的接触角时,应以组分分数C=0.5的等值线与壁面的夹角为测量值。 最后,本文结合改进的重力模型、能量演化方程和接触角边界条件对加热壁面上的气泡生长过程进行了数值计算。计算结果展示的气泡生长过程与文献资料相符。温度场和速度场的分析表明,气泡生长过程中气泡内部存在温差,底部温度高,顶部温度低。气泡底部壁面附近存在沿壁面切向运动的速度,促使气泡底部缩小,为气泡脱离做准备。气泡脱离壁面后,显著强化流体的流动,使流体换热状况得到强化。气泡生长过程中气泡内部气体与壁面间的换热强度小于周围流体与壁面间的换热强度。气泡生长所需热量主要由气泡周围的过热液体提供。