牛顿流体中气泡动力学行为的实验研究

【摘要】气液接触是过程工业中常见且重要的操作。通常情况下,气液两相之间的接触是将气相以气泡的形式分散到液相之中来实现的,气泡是该过程最基础的单元,也是气液分散与传质的基本要素。连续相液体与分散相气体之间相间作用力是气液两相流动数值模拟的关键参数,而该作用力则主要是由气泡在液相中的动力学行为所决定。为此,本文主要采用PIV等技术对单个及两个气泡的动力学行为进行了的实验研究和理论分析,以加深对气液两相传递机理的认识。在单个气泡上升动力学行为的研究中,以莫顿数Mo为3.21×10-11与163之间的甘油-水溶液作为液相,气泡雷诺数范围0.02与1200之间的气泡为研究对象,得到了单个气泡在静止液相中上升速度的计算方程,气泡曳力系数的关联式。发现在低雷诺数区域(Re<350),气泡曳力系数随着雷诺数的增大而减小(正比于Re-0.94),在高雷诺数区域(350<Re<1200),曳力系数随着雷诺数的增大而增大(正比于Re2)；Jamialahmadi(1994)的气泡上升速度关联式仅适用于较低粘度的液相中(2.2×10-4Pa-s<μ<3.1×10-2Pa·s),经过修正和拓展,将其气泡上升速度的关联式适用液相粘度扩展至了1.5Pa-s；单个气泡在水中的上升轨迹在气泡直径大于1.8mm时开始出现明显的振荡,并由此得到了水中气泡开始发生振荡的临界雷诺数约为475；气泡在液相中的形变比E与雷诺数Re、厄缶数Eo以及莫顿数Mo关联良好,正比于Eo-1Re0.625Mo0.291。在共直线上升的两个气泡的相互作用研究中,上方气泡与跟随气泡尺寸范围分别为4mm～12mm及10mm～20mm,且总有DL<DT。研究结果表明,在实验中两个不同尺寸气泡之间的相互作用可分为聚并和连接两种情况,且发生这两种情况的气泡临界尺寸为DL≈8.7mm及DI≈12.7mm;对于固定尺寸的上方气泡,其上升速度的增大程度随着跟随气泡尺寸的增大而增大；同时,对于固定尺寸的跟随气泡,其上升速度增大的程度也随着其前方的上方气泡尺寸增大而增大,上升过程中上方气泡的速度变化△UL正比于(DL/DT)-1.637Mo0.159,而跟随气泡的速度变化△UT正比于(DL/DT)1.563Mo-0.071;使用了三角锥模型以及一定的假设对跟随气泡的曳力系数进行了研究,发现跟随气泡的曳力系数随着气泡之间相互距离的减小而减小,且小于自由上升的同尺寸的单个气泡,并通过实验数据关联得到了两个用于计算跟随气泡曳力系数的方程,发现甘油中跟随气泡的曳力系数与Re-2Eo1.452成正比,或者与单个自由上升气泡的曳力系数之比为1-0.84(DL/DT)1.72exp(-0.82x/DL)。对于一种存在于较高粘度流体中连接型气泡,本文也对其形成与上升特点进行了研究,结果表明,连接型气泡的上升速度可以通过其曳力系数以及上方气泡在竖直方向上的投影面积确定,以上参数也是气泡当量直径De、两个气泡当量直径比K以及雷诺数Re的函数,并可以通过一个简单的指数关联式对以上参数进行关联；在相同当量直径条件下,连接型气泡的上升速度与单个气泡的上升速度基本相同,提出了三种用以计算连接型气泡上升速度的模型与公式,经过与实验数据的对比,发现气泡在竖直投影方向上的直径DA相比于当量直径De而言更适合做连接性气泡上升速度的特征尺寸,此外,还需要将气泡表面的是否可滑移特性考虑到模型当中所提出的第三种模型能够在实验所研究范围内很好的与实验数据相吻合。在气泡的破裂研究中,由于受到现有测试方法的限制,采用了液相流场与气泡破裂图像分别拍摄的方法,对气泡发生破裂的位置进行统计分析,得到气泡破裂时流场的相关统计信息,从而可以间接预测气泡的破裂规律。结果表明,气泡在圆管射流的作用下发生二元破裂的过程分为拉伸、中部凹陷、中部断裂的阶段,整个过程持续时间总共持续约30ms；三种条件下流场中的流体平均速度以及涡量对气泡的破裂并无显著的规律性影响,对于本实验中气泡尺寸最大及最小值范围内的情况而言(9.2mm～14.7mm),气泡最经常发生破裂的位置处流场的平均速度、湍流动能及剪切速率分别为0.045m/s,0.0025m2/s2及77.5s-1；将实验中所用635个气泡样本按照其尺寸以0.5mm作为步长进行分段统计,发现流场的湍流动能以及剪切速率较能与气泡尺寸相关联,且分别与e-103Dc以及e-41.0Dc成正比；使用了毛细管数Ca表征气泡的破裂形态特征,发现当气泡发生破裂时的毛细管数与e49.3De成正比,形变比L/a与(1-e-3.72Ca)-1成正比,而气泡发生破裂时的倾角θ在本实验的研究条件下则随着气泡毛细管数Ca的增大而增大,但并无明显的定量关系。
【作者】蔡子琦；
【导师】高正明；
【作者基本信息】北京化工大学，化学工程与技术，2011，博士
【关键词】气泡；气泡动力学行为；气泡凝并；气泡破裂；气液接触；PIV；

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