Mini通道内非牛顿流体中Taylor气泡的实验研究与理论模拟

发布时间：2020-05-31 20:04

【摘要】：随着微化工技术的不断创新和发展,微通道内气液两相流的研究备受学者关注,但对于广泛应用于能源化工、复合材料及医疗科学等领域的毫米级Mini通道内气液两相流及Taylor气泡特征行为的相关研究较少。本文采用实验观测与理论模拟相结合的方法研究了Mini通道内非牛顿流体中的气液两相流及Taylor气泡特征行为,为气液接触装置的设计和优化以及Taylor气泡行为的调控机理提供参考。本文采用高速摄像机对Mini通道内气液两相流动行为进行观测,探究了流体种类、羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液浓度和表面活性剂─十二烷基硫酸钠(SDS)浓度对流型的影响,同时考察了气液相流率、CMC溶液浓度和SDS浓度对Taylor气泡长度、液柱长度、上升速度与生成频率的影响。实验结果发现:各类溶液中均存在五种流型:泡状流、泰勒流、泰勒-环状流、环状流及搅拌流。与牛顿流体(H_2O)相比,在粘弹性非牛顿流体(1.0%PAM)溶液中,泡状流与搅拌流区域显著扩大,泰勒-环状流与环状流区域稍有缩小,泰勒流区域变化不明显;在纯粘性非牛顿流体(1.0%CMC)溶液中,泰勒流区域明显缩小,泡状流与搅拌流区域有所扩大;而随着CMC溶液浓度和SDS浓度的增加,泰勒流区域不断缩小,泡状流与搅拌流区域逐渐扩大。Taylor气泡长度随气相流率的增加而增长,但随着液相流率、CMC溶液浓度和SDS浓度的增加而减小;液柱长度随液相流率的增大而增长,但随着气相流率、CMC溶液浓度和SDS浓度的增大而减小;Taylor气泡上升速度与生成频率均随气相流率、液相流率、CMC溶液浓度和SDS浓度的增加而增大。考虑到非牛顿流体的流变特性,采用水平集法(LS)与流体体积法(VOF)相耦合的方法(CLSVOF)对Mini通道内非牛顿流体中气液两相流及Taylor气泡特征行为进行数值模拟。通过有效性验证以及与实验结果对比,证实了该方法的可靠性与准确性。然后应用该方法分别研究了流体种类、CMC溶液浓度和SDS浓度对流型的影响,同时考察了气液相流率、CMC溶液浓度和SDS浓度对Taylor气泡液膜厚度与曲率的影响。模拟结果表明,在不同计算条件下均存在上述五种流型,而相比于H_2O,在1.0%PAM溶液中,泰勒流区域与搅拌流区域稍微扩大,泰勒-环状流与环状流区域明显缩小,泡状流区域变化不明显;在1.0%CMC溶液中,泰勒流、泡状流与搅拌流区域有所扩大,泰勒-环状流与环状流区域显著缩小;随着CMC溶液浓度和SDS浓度的增加,泰勒流区域逐渐缩小,泡状流与搅拌流区域持续扩大。液膜厚度随气相流率的增大而变小,但随着液相流率、CMC溶液浓度与SDS浓度的增大而变大;曲率随气相流率、液相流率、CMC溶液浓度与SDS浓度的增大而变大,气泡流型也由泰勒流转变为泡状流。
【图文】：

广的特殊流型，具有独特的流动特性和尺寸效应，这些特应用前景[18-20]。所以，研究 Mini 通道内非牛顿流体中征流动规律具有重要意义和科研价值。体及其特性体牛顿粘性定律的流体统称为牛顿流体[21]，即任一点上的剪性函数关系，如下式：应力， 为粘度，du/ dy为剪切速率。而不符合牛顿粘性牛顿型流体普遍存在于自然界、生活生产及工业生产中血液、高分子溶液、油漆等。非牛顿流体与人类生活生广泛应用于能源化工、医药合成以及食品生产等领域[22下几类[22,26]：

第二章 实验装置及物性测量第二章 实验装置及物性测量2.1 通道的结构和尺寸本章实验过程中使用的 Mini通道主要是由两部分构成，如图 2-1 所示。第一部分为T 字垂直共流型通道，材质为石英玻璃，垂直主通道尺寸为：150 mm（长）×3.0 mm（外径）×2.5 mm（内径），支通道尺寸为：18 mm（长）×3.0 mm（外径）×2.5 mm（内径）；第二部分为注射针头，材质为不锈钢，尺寸为：38 mm（长）×0.91 mm（外径）×0.61 mm（内径）。液相作为连续相从垂直于主通道一侧的支通道注入，气相作为分散相从插入主通道下方端面的注射针头注入，，并使注射针头上端与支通道交汇处保持一段距离，以保证气液两相交汇后可形成稳定共流形态。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ022.4

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 张雄U

本文编号：2690393