基于马戈兰尼效应的粒子逆流现象的数值模拟研究.pdfVIP

第３８卷第４期大学物理实验Ｖｏｌ.３８Ｎｏ.４

２０２５年８月ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＯＦＣＯＬＬＥＧＥＡｕｇ.２０２５

文章编号:１００７￣２９３４(２０２５)０４￣０１０８￣０７

基于马戈兰尼效应的粒子逆流现象

的数值模拟研究

２１２２２１∗

尹航ꎬ王晓琦ꎬ屈磊ꎬ霍鹏飞ꎬ孙天晟ꎬ王聪

(１.营口理工学院基础教研部ꎬ辽宁营口１１５０００ꎻ２.营口理工学院电气工程学院ꎬ辽宁营口１１５０００)

摘要:在流体界面行为中ꎬ马兰戈尼效应(Ｍａｒａｎｇｏｎｉｅｆｆｅｃｔ)引发的粒子逆流现象对工业多相流调

控具有重要意义ꎮ本文基于ＣＯＭＳＯＬ软件构建了包含粒子追踪的流体￣粒子耦合模型ꎬ定量研究了粒子

质量、流体温度、注入高度及表面张力梯度对逆流现象的协同影响机制ꎮ仿真结果表明:降低注入高度

＝＝

(Ｈ０.０１ｍ时逆流强度较Ｈ１.０１ｍ提升６３％)、增加体相流体温度(９０℃时逆流路径长度较３０℃增加

－４－４

××

４２％)、减小粒子质量(粒径１１０ｍ的粒子上升高度较３１０ｍ提高２.３倍)以及增强表面张力梯度

均可显著强化逆流效应ꎮ研究揭示了界面张力主导的逆流动力学机制ꎬ提出了通过调控注入参数优化

逆流强度的定量策略ꎬ为工业界面流控提供了理论依据ꎮ

关键词:马戈兰尼效应ꎻ粒子逆流ꎻ流体界面ꎻ流注行为

中图分类号:ＴＫ１２４文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.１４１３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０２５.０４.０１８

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[４]

在建筑、电力、化工等工业领域ꎬ多相液体流注多相流模型的精度ꎬ而徐晓东建立了多颗粒流动

行为广泛存在于流体混合与输运过程中ꎮ不同流体模型ꎬ系统分析了颗粒间相互作用的动态特征ꎮ然

间的混溶过程中ꎬ因物性差异导致界面区域表现出而ꎬ上述研究多基于理想界面假设ꎬ未深入探究微观

与体相流体迥异的动力学特性(如图１(ａ)所示ꎬ实界面张力梯度对粒子运动的动态影响ꎮ

验装置采用上下双层流体槽结构ꎬ下层界面处均匀

分布微米级粒子ꎻ图１(ｂ)进一步展示了注入水柱时

表面张力梯度引发的典型逆流路径)ꎮ此类界面现

象常伴随多相分离、扩散泳效应及马兰戈尼效应

(Ｍａｒａｎｇｏｎｉｅｆｆｅｃｔ)等复杂行为ꎬ使得传统流注分析理

论面临严峻挑战———其将界面简化为零厚度的理想

边界ꎬ并假设界面性质无连续突变ꎮ然而ꎬ实际界面

是由微观分子作用主导的过渡区域(厚度通常为纳(ａ)实验装置结构图

米至微米级)ꎬ其表面张力、自由能及滑移长度等参

数呈现显著梯度变化(需引入表面张力、表面自由

能、边界滑移长度等概念进行量化表征)ꎬ且曲率效

应在固￣液￣气三相体系中尤为突出ꎮ针对上述界面

[１]

复杂性ꎬ学界展开了深入的研究:潘龙飞等通过实

验分析了颗粒流动的换热特性ꎬ揭示了壁面形状对

[２]

颗粒轨迹的调控作用ꎻ王震宇探讨了气力提升系

统中的三相流动规律ꎬ明确了进气量与颗粒提升效(ｂ)粒子逆流流动路径示意