气泡聚并机理的实验及模型研究

发布时间：2020-08-29 11:51

　　气-液两相流广泛存在于石油化工、食品加工、节能环保、生物制药等领域,气泡的聚并和破裂行为通常决定了分散相在流场内的尺寸分布和分散状况,因而对整个体系的传热、传质及反应性能有着重要影响。由于聚并过程通常具有强随机性、多尺度和非线性特征,因而非常复杂,如何深入研究气泡的聚并机理并建立合理的理论模型一直是国际多相流领域中的重点和难点问题。本文通过分析前人工作,认为聚并实验数据(聚并效率、聚并发生的临界碰撞速度等)的缺乏使得已有的聚并模型不能得到有效验证,是限制模型实际应用和造成聚并机理研究相对滞缓的主要原因之一。为此,本文设计了一套可用于测量两气泡的相对碰撞速度和聚并效率的实验装置。通过记录自由上升气泡与静止气泡的碰撞过程,重点研究了相对碰撞速度对碰撞结局(反弹或聚并)的影响,并统计得到了纯水体系中多种尺寸气泡的聚并效率实验数据。模型研究方面,本文认为气泡间的靠近接触过程和液膜排液减薄过程是不可分割的整体,在这个过程中,气泡的相对靠近速度、液膜厚度和相间作用力等均随时间发生改变。因此,本文基于平面膜假设构建了一个新的聚并效率模型。该模型由于是将两气泡的靠近接触、液膜排液减薄耦合为一个整体过程,因而不再需要像前人模型那样采用分解综合的方法(前人模型通常将聚并过程分解为两个互不干扰的排液减薄过程和靠近过程分别进行研究,得到不依赖于彼此的排液时间和接触时间)。此外,本文模型也不需要假定接触时间和排液时间之比服从指数分布(该假定虽已得到众多学者的采用,但实际上缺乏足够理论依据)。本文建立的聚并效率模型预测出了与实验数据相一致的演变趋势,但由于采用了平面膜假设,导致模型预测值与实验数据存在一定偏差。基于实验观察,本文进一步分析认为两气泡在靠近过程中所形成的液膜形状更接近于曲面,因此有必要考虑曲面膜的排液减薄过程。本文基于液膜内流体质量和动量守恒原理,建立了轴对称曲面膜模型并对其稳定性求解方法进行了探索。本文使用直线法求解模型中的偏微分方程组,并且利用多重网格算法解决数值振荡的问题。曲面膜模型预测的聚并时间与实验测量值较为接近,且模型所预测的聚并效率与实验数据的吻合性要好于平面膜模型。这些研究对未来构建更加完善合理的聚并机理模型具有指导意义。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ021.1
【部分图文】：

气泡聚并,气泡,聚并,自由表面

放另一个气泡，实现了不同尺寸气泡以不同运动速度与半球自由表面发生碰撞，他们同时还测量了不同 KCl 浓度时气泡的聚并时间。(a) 搅拌釜中的气泡聚并[3](b) 气泡与气液自由表面的聚并[18](c) 气泡生长过程实现聚并[29]

实验装置图,气泡聚并

在第 1 章中，本文介绍了前人关于气泡聚并实验的研究大都聚焦于聚并时间，没有直接测量聚并效率且缺乏碰撞速度、两气泡初始距离等模型验证所需的关键数据，因此很难使用他们的实验数据对聚并效率模型进行验证。本章将设计一套气泡聚并实验的装置，用来研究气泡之间相对碰撞速度对碰撞结局（聚并或反弹）的影响并获得了具有统计学意义的气泡聚并效率实验数据。2.1 实验装置及步骤2.1.1 实验装置本实验需要对气泡直接进行观测，因此实验水槽采用光学级石英玻璃制成，尺寸为 100mm×60mm×200mm。实验使用超纯水为连续相，超纯水由超纯水机制得，其电阻率控制在18.2M Ω cm以上。实验使用洁净空气生成气泡。温度控制在20 ° C ± 0.5 ° C。实验装置如图 2-1 所示。

聚并,气泡,气泡尺寸,碰撞速度

对于如此巨量的图像不可能全部展示，这里我们仅给出了几个具有代表性的图像，如图 2-4、图2-5、图 2-6 所示。图 2-4 中的气泡尺寸为 1.50mm，在发生碰撞时其碰撞速度为 0.202m/s，两气泡在碰撞后发生了聚并；图 2-5 中的气泡尺寸为 2.25mm，在发生碰撞时其碰撞速度为0.201m/s，两气泡在碰撞后发生了聚并；图2-6中的气泡尺寸为1.76mm，在发生碰撞时其碰撞速度为 0.309m/s，两气泡在碰撞后未发生聚并，而是反弹。我们对聚并发生的次数以及碰撞发生的总次数进行了统计

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