气泡输运作为两相流动的典型流型在工程应用中被广泛涉及,特别是在能源、化工、环境等工程领域,如水轮机和水泵的空化空蚀、船舶螺旋桨水流、气液化学反应、废水处理等。由于气泡的动力行为直接影响多相流动的质量、动量和能量的传递,因此对气泡运动规律的研究一直是多相多组分流动研究的热点。在两相流动系统中,由于随流动非线性瞬态变化的气液界面又涉及热力学、动力学和水力学等复杂问题,从物理学的观点分析,气液界面仍旧是一个开放的问题。在数值方法上,气-液两相运动界面的追踪问题是一项具有广泛应用背景的基础性研究课题。特别是对气泡的运动规律的研究是一项具有挑战的课题。在实际工程中,气泡所处的流动环境又是十分复杂的,其往往涉及到复杂物理边界的处理。对复杂流道内气泡的运动特性研究是一个具有现实意义的问题。为解决这一问题,并精确地追踪两相界面,本文将Level set方法引入到贴体坐标中,使数值计算能适应流域复杂边界处理的要求并具有较高的精度。以此为基础,对常规流道以及楔形流道内气泡运动进行了数值模拟。具体内容如下：(1)提出改进的贴体坐标下Level set方法,将贴体坐标下界面追踪方法应用于气泡在液体中上升过程中的动力学行为的模拟中,对常规竖直流道内单气泡上升运动、近界面气泡上升运动、同轴双气泡合并过程进行了数值模拟。速度与压力的解耦问题采用基于同位网格SIMPLE算法,表面张力项采用CSF模型计算。文中准确地追踪了气泡上升过程,获得了气泡运动过程形状,位置及速度等特性参数变化,分析了引起这些变化的原因。(2)为了解决贴体坐标Level set方法中气泡体积非守恒性以及非正交网格引起的流场数值耗散问题,引入体积修正法和窄带重新初始化方法。以此为基础,首次对楔形流道内气泡的运动机制进行了模拟研究。分析了气泡在楔形流道内上升过程的形态演变以及竖直速度、水平速度、气泡纵横比以及气泡倾斜角等参数的变化规律。(3)将贴体坐标上的Level set方法应用于楔形孔板流量计内游移型气泡的数值模拟,获得了孔板流量计内气泡及气泡群的运动规律。通过对模拟结果的分析,得出了影响孔板流量计的测量精度的主要因素,以及采取校正精度的措施。最后,获得了楔形孔板流量计内混相密度与流量之间的关系式,为校正楔形孔板流量计测量精度提供参考。为校正数值方法和进一步研究复杂通道的气泡动力学,本文作者搭建了竖直流道内气泡上升运动的同步跟踪实验平台,采用高速摄影仪对气泡的上升运动过程进行了同步追踪,并采用计算机图像处理技术对实验采集的图片进行处理,进而对实验结果进行分析。具体内容如下：(1)采用高速摄影技术和计算机图像处理技术(CIPT)对楔形流道内气泡动力学特性进行了实验研究。搭建了可视化实验台,并结合图像处理技术建立了一整套的实验研究方法。实验中,通过对对实验数据的提取,获得了楔形流道内气泡的运动规律,如气泡上升过程的速度、加速度、倾斜角等的变化。并且分析了无量纲注气位置、Eotvos数对气泡动态特性的影响,进而得出了楔形流道内气泡上升过程拽力系数公式。(2)作者还将高速摄影技术和CIPT方法应用于静止溶液中上升的可溶性C02气泡的行为进行了同步观测研究。对具有相变的可溶性CO2气泡的上升过程中传热传质规律进行了分析研究。在不同温度条件下,溶液对其中气体的溶解能力决定着泡体的传质效果,从而间接决定了气泡的上升速度,与此同时气泡的传质率又受到其本身速度的影响,CO2气泡的运动速度在很大程度上决定其传热效果。