本文關(guān)鍵詞：氣液兩相體系氣泡的流體力學(xué)行為研究

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【摘要】：氣液兩相體系中氣泡的諸多流體力學(xué)行為不僅能影響兩相流的速度分布,還能通過(guò)改變氣液相界面等途徑改變整個(gè)體系的傳質(zhì)和傳熱效果,對(duì)氣液接觸設(shè)備的性能具有重要影響。本文對(duì)氣泡的聚并、連接與破碎等顯著影響氣液相界面的典型流體力學(xué)行為進(jìn)行了研究,主要包括低雷諾數(shù)條件共軸線氣泡之間的直接聚并與連接聚并研究,高黏體系中連接型氣泡的動(dòng)力學(xué)行為研究,以及單個(gè)氣泡在射流湍流場(chǎng)中的破碎行為研究。氣泡的聚并行為研究方面,本文在不同液相體系中對(duì)共軸線上升的兩個(gè)自由氣泡之間的聚并全過(guò)程進(jìn)行了研究,其中上氣泡和下氣泡的直徑范圍分別為6.5～9.5 mm和7.0～10 mm,氣泡的雷諾數(shù)均小于2。利用高速攝像法和數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了氣泡的形態(tài)與速度變化；在最大網(wǎng)格尺寸為50μm的條件下利用VOF (Volume of Fluid)模型對(duì)氣泡的聚并行為進(jìn)行了瞬態(tài)模擬,得到了各個(gè)時(shí)刻連續(xù)相流場(chǎng)與氣泡的詳細(xì)信息。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),低雷諾數(shù)下共軸線氣泡之間的聚并可根據(jù)其經(jīng)歷階段特征分為直接聚并和連接聚并兩種,其中前者可分為接近階段和排液階段兩個(gè)階段,而后者還存在一個(gè)連接階段。對(duì)于氣泡的直接聚并過(guò)程,下氣泡的運(yùn)動(dòng)速度與氣泡間排液速度在接觸時(shí)刻均達(dá)到最大,此后兩者速度均不斷減�。慌乓哼^(guò)程中液膜形狀由拱形逐漸變平,然后中間區(qū)域發(fā)生褶皺,并最終在液膜中心附近褶皺劇烈處發(fā)生破碎。對(duì)于氣泡的連接聚并過(guò)程,隨著液相黏度的減小或者表面活性劑的加入,氣泡發(fā)生聚并的概率均降低,而接觸時(shí)刻兩個(gè)氣泡的雷諾數(shù)之比能夠用來(lái)預(yù)測(cè)氣泡聚并與否。氣泡的連接聚并時(shí)間可分為排液時(shí)間和連接時(shí)間兩部分,其中連接時(shí)間主要與體系黏度成正比,而排液時(shí)間呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性,隨著體系黏度的增加或表面活性劑的加入,排液時(shí)間均明顯增加；基于流體力學(xué)穩(wěn)定性理論的液膜破碎模型可以有效預(yù)測(cè)連接時(shí)間。氣泡的連接是高黏流體中氣泡的一種特殊行為,本文對(duì)共軸線氣泡碰撞后直接形成的連接型氣泡進(jìn)行了研究(下氣泡與上氣泡直徑比的范圍為1.0-1.2),分析了連接型氣泡的形成、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況。連接型氣泡中兩個(gè)氣泡維持亞穩(wěn)定的形態(tài)和相同的速度共同上升,其形態(tài)受連續(xù)相黏度影響較大。對(duì)于本課題實(shí)驗(yàn)體系下的連接型氣泡和單氣泡,分別得到了描述其投影直徑和曳力系數(shù)的模型,進(jìn)而可得到連接型氣泡的上升速度。本文提出了一個(gè)計(jì)算連接型氣泡中兩個(gè)氣泡分別所受曳力的模型,并進(jìn)一步可求算氣泡之間的相互作用力。連接型氣泡所受的曳力主要由上氣泡承擔(dān),并與連接型氣泡整體的當(dāng)量直徑成正比；兩個(gè)氣泡之間的相互作用力的主要作用是抵消下氣泡所受的浮力,與下氣泡的直徑成正比。氣泡的破碎行為研究方面,本文在兩種氣泡直徑、三種液相流量以及三種發(fā)生距離條件下,對(duì)單個(gè)氣泡在射流湍流場(chǎng)中的破碎過(guò)程進(jìn)行了研究。通過(guò)高解析度的PIV技術(shù)得到了射流場(chǎng)的速度和湍流動(dòng)能等分布規(guī)律,通過(guò)高速攝像法得到了氣泡的行為規(guī)律,并結(jié)合二維與三維數(shù)值模擬的方法對(duì)氣泡破碎過(guò)程進(jìn)行了研究。本文定義氣泡在水平方向獲得最大加速度的位置為剪切位置,氣泡在該位置受到較強(qiáng)的流體剪切作用,對(duì)破碎過(guò)程具有決定性的影響。隨著射流流量的增大、氣泡剪切位置與噴嘴距離的縮短、或者氣泡直徑的增加,氣泡均更易發(fā)生破碎,破碎產(chǎn)生的子氣泡個(gè)數(shù)也有增大趨勢(shì)。本文定義了氣泡破碎的期望氣泡個(gè)數(shù)Ne,可以綜合反映氣泡發(fā)生破碎的概率和最終的子氣泡個(gè)數(shù)等結(jié)果；對(duì)于不同直徑的氣泡,期望氣泡個(gè)數(shù)均與Ca數(shù)近似成正比關(guān)系。數(shù)值模擬結(jié)果表明三維模擬比二維模擬得到的射流場(chǎng)更接近實(shí)際流場(chǎng),而二維模擬在氣泡形變與破碎行為的模擬方面存在明顯的網(wǎng)格精度優(yōu)勢(shì)。
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O359.1

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本文編號(hào)：1264354