The bubble size distribution is critical information to understand sound propagation and ambient noise in the ocean. To estimate the bubble size distribution in a bubbly water, the sound attenuation has been only in the conventional acoustic bubble sizing method without considering the sound speed variation. However, the effect of the sound speed variation in bubbly water cannot be neglected because of its compressibility variation. The sound attenuation is also affected by the sound speed variation. In this paper, a coherent acoustic bubble sizing inverse technique is introduced as a new bubble sizing technique with considering sound speed variation as well as the sound attenuation. This coherent sizing method is theoretically verified with the bubble distribution functions of single-size, Gaussian, and power-law functions. Its numerical test results with the coherent acoustic bubble sizing method show good agreement with the given bubble distributions.
Bubble columns are widely encountered in several industries, especially in the field of nuclear safety. The Eulerian-Eulerian and the Eulerian-Lagrangian methods are commonly used to investigate bubble columns. Eulerian approaches require additional tasks such as strict volume conservation at the interface and a predefined well-structured grid. In contrast, the Lagrangian approach can be easily implemented. Hence, we introduce a fully Lagrangian approach for the simulation of bubble columns using the discrete bubble model (DBM) and moving particle semi-implicit (MPS) methods. Additionally, we propose a rigorous method to estimate the volume fraction accurately, and verified it through experimental data and analytical results. The MPS method was compared with the experimental data of Dambreak. The DBM was verified by analyzing the terminal velocity of a single bubble for each bubble size. It agreed with the analytical results for each of the four drag correlations. Additionally, the improved method for calculating the volume fraction showed agreement with the Ergun equation for the pressure drop in a packed bed. The implemented MPS-DBM was used to simulate the bubble column, and the results were compared with the experimental results. We demonstrated that the MPS-DBM was in quantitative agreement with the experimental data.
Comparative study was carried out for an acoustic iterative inverse method to estimate bubble size distributions in water. Conventional bubble sizing methods consider only sound attenuation for sizing. Choi and Yoon [IEEE, 26(1), 125-130 (2001)] reported an acoustic iterative inverse method, which extracts the sound speed component from the measured sound attenuation. It can more accurately estimate the bubble size distributions in water than do the conventional methods. The estimation results of acoustic iterative inverse method were compared with other experimental data. The experimental data show good agreement with the estimation from the acoustic iterative inverse method. This iterative technique can be utilized for bubble sizing in the ocean.
A density based method with homogeneous cavitation model to investigate cavitation-bubble collapsing behavior is proposed and applied to bubble-shock interaction problems. By applying this method, cylindrical bubbles located in the liquid and incident liquid shock wave are computed. Bubble collapsing behavior, shock-bubble interaction and shock transmission/reflection pattern are investigated.
Basit, Muhammad Abdul;Tian, Wenxi;Chen, Ronghua;Basit, Romana;Qiu, Suizheng;Su, Guanghui
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.6
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pp.1810-1820
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2021
Study of single bubble behavior under rolling motions can prove useful for fundamental understanding of flow field inside the modern small modular nuclear reactors. The objective of the present study is to simulate the influence of rolling conditions on single rising bubble in a liquid using multiphase Moving Particle Semi-implicit (MPS) method. Rolling force term was added to 2D Navier-Stokes equations and a computer program was written using C language employing OpenACC to port the code to GPU. Computational results obtained were found to be in good agreement with the results available in literature. The impact of rolling parameters on trajectory and velocity of the rising bubble has been studied. It has been found that bubble rise velocity increases with rolling amplitude due to modification of flow field around the bubble. It has also been concluded that the oscillations of free surface, caused by rolling, influence the bubble trajectory. Furthermore, it has been discovered that smaller vessel width reduces the impact of rolling motions on the rising bubble. The effect of liquid viscosity on bubble rising under rolling was also investigated and it was found that effects of rolling became more pronounced with the increase of liquid viscosity.
Bubble rising phenomenon is widely founded in many industrial applications such as a stream generator in power plant. Many experimental and numerical researches have been already performed to predict dynamic behavior of the bubble rising process. Recently numerical approaches are getting popular since it can offer much detailed information which is almost impossible to obtain from the experiments. Rising bubble could penetrate through the top free surface which makes the problem much more complicate in addition to the phase changing effect even with latest numerical techniques. In this paper, the top free surface effect on rising bubble has been investigated. The gas-liquid interface was explicitly tracked using high-order Level Contour Reconstruction Method(LCRM) which is a hybridization of Front-Tracking and Level-Set method. Break-up behavior of rising bubble at free surface showed different characteristics with initial diameter of bubble.
A finite-element method was employed to analyze axisymmetric unsteady motion of a deformable bubble near the wall. In the present study a deformable bubble in a Newtonian medium near the wall was considered. In solving the governing equations a structured mesh generator was used to describe the collapse of highly deformed bubbles with the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) method being employed in order to capture the transient bubble boundary effectively. In order to check the accuracy of the present FE analysis we compared the results of our FE solutions with the result of the collapse of spherical bubbles in a large body of fluid in which solutions can be obtained using a 1D FE analysis. It has been found that 1D and 2D bubble deformations are in good agreement for spherically symmetric problems confirming the validity of the numerical code. Non-spherically symmetric problems were also solved for the collapse of bubble located near a plane solid wall. We have shown that a microjet develops at the bubble boundary away from the wall as already observed experimentally. We have discussed the effect of Reynolds number and distance of the bubble center from the wall on the transient collapse pattern of bubble.
Dynamic behavior of immiscible gas bubble attached to the wall in channel flow plays very important role in many engineering applications. Special attention has been paid to micro direct methanol fuel cell(${\mu}$DMFC) where surface tension becomes dominant factor with minor gravitational effect due to its reduced size. Therefore, displacement of $CO_2$ bubble generating on a cathode side in ${\mu}$DMFC can be very difficult and efficient removal of $CO_2$ bubbles will affect the overall machine performance considerably. We have focused our efforts on studying the dynamic behavior of immiscible bubble attached to the one side of the wall on 2D rectangular channel subject to external shear flow. We used Level Contour Reconstruction Method(LCRM) which is the simplified version of front tracking method to track the bubble interface motion. Effects of Reynolds number, Weber number, advancing/receding contact angle and property ratio on bubble detachment characteristic has been numerically identified.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.11
s.254
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pp.1107-1116
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2006
The droplet ejection process driven by an evaporating bubble in a thermal inkjet printhead is investigated by numerically solving the conservation equations for mass, momentum and energy. The phase interfaces are tracked by a level set method which is modified to include the effect of phase change at the interface and extended for multiphase flows with irregular solid boundaries. The compressibility effect of a bubble is also included in the analysis to appropriately describe the bubble expansion behaviour associated with the high pressure caused by bubble nucleation. The whole process of bubble growth and collapse as well as droplet ejection during thermal inkjet printing is simulated without employing a simplified semi-empirical bubble growth model. Based on the numerical results, the jet breaking and droplet formation behaviour is observed to depend strongly on the bubble growth and collapse pattern. Also, the effects of liquid viscosity, surface tension and nozzle geometry are quantified from the calculated bubble growth rate and ink droplet ejection distance.
Free energy based lattice Boltzmann method (LBM) has been used to simulate the rising bubble flows with large density ratio. LBM with compact discretization is able to reduce the spurious current of the static bubble test and be satisfied with the Laplace law. The terminal rise velocity and shape of the bubbles are dependent on Eotvos number, Morton number and Reynolds number. For single bubble flows, simulations are executed for various Eotvos number, Morton number and Reynolds number, and the results are agreed well with the experiments. For multiple bubbles, the bubble flow characteristics are related by the vortex pattern of the leading bubble. The coalescence of the bubbles are simulated successfully and the subsequent results are presented. The present method is validated for static, dynamic bubble test cases and compared to the numerical, experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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