氣-液兩相流廣泛存在于石油化工、食品加工、節(jié)能環(huán)保、生物制藥等領(lǐng)域,氣泡的聚并和破裂行為通常決定了分散相在流場內(nèi)的尺寸分布和分散狀況,因而對整個(gè)體系的傳熱、傳質(zhì)及反應(yīng)性能有著重要影響。由于聚并過程通常具有強(qiáng)隨機(jī)性、多尺度和非線性特征,因而非常復(fù)雜,如何深入研究氣泡的聚并機(jī)理并建立合理的理論模型一直是國際多相流領(lǐng)域中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。本文通過分析前人工作,認(rèn)為聚并實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(聚并效率、聚并發(fā)生的臨界碰撞速度等)的缺乏使得已有的聚并模型不能得到有效驗(yàn)證,是限制模型實(shí)際應(yīng)用和造成聚并機(jī)理研究相對滯緩的主要原因之一。為此,本文設(shè)計(jì)了一套可用于測量兩氣泡的相對碰撞速度和聚并效率的實(shí)驗(yàn)裝置。通過記錄自由上升氣泡與靜止氣泡的碰撞過程,重點(diǎn)研究了相對碰撞速度對碰撞結(jié)局(反彈或聚并)的影響,并統(tǒng)計(jì)得到了純水體系中多種尺寸氣泡的聚并效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。模型研究方面,本文認(rèn)為氣泡間的靠近接觸過程和液膜排液減薄過程是不可分割的整體,在這個(gè)過程中,氣泡的相對靠近速度、液膜厚度和相間作用力等均隨時(shí)間發(fā)生改變。因此,本文基于平面膜假設(shè)構(gòu)建了一個(gè)新的聚并效率模型。該模型由于是將兩氣泡的靠近接觸、液膜排液減薄耦合為一個(gè)整體過程,因而不再需要像前人模型那樣采用分解綜合的方法(前人模型通常將聚并過程分解為兩個(gè)互不干擾的排液減薄過程和靠近過程分別進(jìn)行研究,得到不依賴于彼此的排液時(shí)間和接觸時(shí)間)。此外,本文模型也不需要假定接觸時(shí)間和排液時(shí)間之比服從指數(shù)分布(該假定雖已得到眾多學(xué)者的采用,但實(shí)際上缺乏足夠理論依據(jù))。本文建立的聚并效率模型預(yù)測出了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致的演變趨勢,但由于采用了平面膜假設(shè),導(dǎo)致模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定偏差�；趯�(shí)驗(yàn)觀察,本文進(jìn)一步分析認(rèn)為兩氣泡在靠近過程中所形成的液膜形狀更接近于曲面,因此有必要考慮曲面膜的排液減薄過程。本文基于液膜內(nèi)流體質(zhì)量和動(dòng)量守恒原理,建立了軸對稱曲面膜模型并對其穩(wěn)定性求解方法進(jìn)行了探索。本文使用直線法求解模型中的偏微分方程組,并且利用多重網(wǎng)格算法解決數(shù)值振蕩的問題。曲面膜模型預(yù)測的聚并時(shí)間與實(shí)驗(yàn)測量值較為接近,且模型所預(yù)測的聚并效率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合性要好于平面膜模型。這些研究對未來構(gòu)建更加完善合理的聚并機(jī)理模型具有指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TQ021.1
【部分圖文】：

放另一個(gè)氣泡，實(shí)現(xiàn)了不同尺寸氣泡以不同運(yùn)動(dòng)速度與半球自由表面發(fā)生碰撞，他們同時(shí)還測量了不同 KCl 濃度時(shí)氣泡的聚并時(shí)間。(a) 攪拌釜中的氣泡聚并[3](b) 氣泡與氣液自由表面的聚并[18](c) 氣泡生長過程實(shí)現(xiàn)聚并[29]

在第 1 章中，本文介紹了前人關(guān)于氣泡聚并實(shí)驗(yàn)的研究大都聚焦于聚并時(shí)間，沒有直接測量聚并效率且缺乏碰撞速度、兩氣泡初始距離等模型驗(yàn)證所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此很難使用他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對聚并效率模型進(jìn)行驗(yàn)證。本章將設(shè)計(jì)一套氣泡聚并實(shí)驗(yàn)的裝置，用來研究氣泡之間相對碰撞速度對碰撞結(jié)局（聚并或反彈）的影響并獲得了具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的氣泡聚并效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟2.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)需要對氣泡直接進(jìn)行觀測，因此實(shí)驗(yàn)水槽采用光學(xué)級石英玻璃制成，尺寸為 100mm×60mm×200mm。實(shí)驗(yàn)使用超純水為連續(xù)相，超純水由超純水機(jī)制得，其電阻率控制在18.2M Ω cm以上。實(shí)驗(yàn)使用潔凈空氣生成氣泡。溫度控制在20 ° C ± 0.5 ° C。實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2-1 所示。

對于如此巨量的圖像不可能全部展示，這里我們僅給出了幾個(gè)具有代表性的圖像，如圖 2-4、圖2-5、圖 2-6 所示。圖 2-4 中的氣泡尺寸為 1.50mm，在發(fā)生碰撞時(shí)其碰撞速度為 0.202m/s，兩氣泡在碰撞后發(fā)生了聚并；圖 2-5 中的氣泡尺寸為 2.25mm，在發(fā)生碰撞時(shí)其碰撞速度為0.201m/s，兩氣泡在碰撞后發(fā)生了聚并；圖2-6中的氣泡尺寸為1.76mm，在發(fā)生碰撞時(shí)其碰撞速度為 0.309m/s，兩氣泡在碰撞后未發(fā)生聚并，而是反彈。我們對聚并發(fā)生的次數(shù)以及碰撞發(fā)生的總次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)

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本文編號(hào)：2808510