球形颗粒间黏性液桥行为的实验与数值模拟研究
发布时间：2021-07-31 23:52
气液固多相流在化工生产中广泛存在,例如在一定持液量的固液搅拌、气固流化床、颗粒造粒等过程中。颗粒之间液体行成的架桥现象是多相流中常见的一种形式,研究液桥的临界断裂条件,了解液桥的断裂规律对相关过程的设计和优化具有重要意义。本文以水和不同黏度的硅油作为液桥材料,通过实验和数值模拟的方法对等径颗粒间液桥拉伸至断裂的过程进行了研究,包括液桥的临界断裂距离与液桥体积、颗粒间初始距离、颗粒相对运动速度和液桥黏度之间的关系。实验研究发现,液桥材料为水时,当无量纲液桥体积小于0.22时,液桥临界断裂距离与随液桥体积的增大而增大,且二者之间成幂函数关系。可用修正的Bond数VBo对临界断裂距离进行描述,当V*Bo约为0.6时,无量纲临界断裂距离达到最大值0.94。当液桥材料为水时,对于较小的液桥（V=8mm3）,临界断裂距离与颗粒初始距离之间没有显著关系,随着液桥体积的增大（V=10 mm3-14 mm3）,二者之间出现线性增加的关系。若用液桥拉伸距离和颗粒间初始距离进行表征,发现液桥拉伸距离随颗粒间距离的增加近似线性减少。液桥材料为水时,液相的毛细力在液桥拉伸过程中占主导作用,此时临界断裂距离与颗粒...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－２相机标定像素示意图??Ｆｉｇ．?２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃａｍｅｒａ?ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ?ｐｉｘｅｌｓ??
?第二章实验装置和方法???其在每次拉伸前形态保持稳定和一致。形成稳定的液桥后，通过控制平台的操控，??运动小球在恒速传动装置的拖动下进行匀速运动，此时使用高速相机将在１００?ｆｐｓ??的条件下对拉伸过程进行记录。每次拉伸完成后用去离子水将小球表面擦拭清洁，??待球面干燥后继续下一次实验。为避免液桥受到周围气相环境的干扰，实验须保??证在密闭空间内进行。实验均处于室温（Ｔ?＝?２１±０．５°ｃ）环境下进行。??２．２液桥的图像分析方法??如图２－３所示为实验中由高速相机记录得到的拉伸过程不同时刻的液桥形态，??左侧小球为移动端。随着液桥拉伸，可以观察到液桥的中心有明显下移，且气液??固三相接触点沿球面向下移动，液桥上下液面的曲率半径的差异逐渐增大。在液??桥的断裂瞬间发生拉丝现象。??〇ｓ?０．２?ｓ??０．４?ｓ?０．６?ｓ??ｍ?Ｍ?■?Ｊ??０．７６?ｓ?１．０?ｓ??图２－３不同时刻液桥的形态（桂油／／?＝?０．０３Ｐａ．ｓ，Ｆ＝３ｍｍ３，ｗ＝１．５ｍｍ／ｓ）??Ｆｉｇ．?２－３?Ｌｉｑｕｉｄ?ｂｒｉｄｇｅ?ａｔ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｍｏｍｅｎｔｓ?ｄｕｒｉｎｇ?ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ??（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ?ｏｉｌ，?／／?＝?０．０３?Ｐａ?ｓ，?Ｖ＝?３?ｍｍ３，?ｗ?＝?１．５?ｍｍ／ｓ）??釆集得到的照片由ＭＡＴＬＡＢ进行识别、处理和分析，其中使用ｃａｎｎｙ算子判??１５??
?北京化工大学硕士研宄生学位论文???断和提取小球的边缘轮廓信息，之后确定球心坐标，并得到两个球心的距离，进??而得到液桥断裂时的临界距离。通常需要对１．２ｍｍ、２．４ｍｍ、３．６ｍｍ、４．８?ｍｍ等??多个不同距离进行调试从而减小由识别带来的系统误差。通过图像分析得到的小??球间距与通过直尺测量得到的小球间距之间的偏差不超过０．５％。??通过计算机识别两球间距为：３．６０１５ｍｍ??图２－４高速相机拍摄的图片（左）与程序识别处理后图像（右）对比??（实验图片中两球间距离为３．６?ｍｍ）??Ｆｉｇ．?２－４?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｐｉｃｔｕｒｅｓ?ｔａｋｅｎ?ｂｙ?ｔｈｅ?ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ?ｃａｍｅｒａ?（ｌｅｆｔ）?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｉｍａｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ??ｂｙ?ｔｈｅ?ｐｒｏｇｒａｍ?（ｒｉｇｈｔ）．??（Ｔｈｅ?ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｔｈｅ?ｔｗｏ?ｐａｒｔｉｃｌｅｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｐｉｃｔｕｒｅ?ｉｓ?３．６?ｍｍ．）??图片分析的步骤如图２－４所示：选择液桥断裂瞬间的图片进行读取，同时调??整图片尺寸。根据最大类间方差法得到图像二值化合适的阈值，再对图片进行二??值化，确定腐蚀阈值，对识别区域进行膨胀腐蚀，此时便可以过滤掉图像中的噪??点。使用ｃａｎｎｙ算子提取两个小球的边缘信息，然后确定小球的球心并计算球心??坐标［５２】。??通过计算机识别两球间距为：４．４５４２ｍｍ?通过计算机识别两球间距为：１．７０６８ｍｍ??〇?＜？〇?錢??（ａ）?（ｂ）??图２－５液桥断裂瞬间的断裂距离的识别（ａ中材料为水，ｂ中材料为硅油）??Ｆｉｇ．
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同含液量下颗粒间液桥力及形态的试验研究[J]. 蒲诚,刘奉银,张昭,程靖轩,赵伟. 水利学报. 2020(01)
[2]基于重叠网格技术和VOF模型的潜艇热尾流浮升扩散规律的数值与实验研究[J]. 王平,杜永成,杨立,金方圆. 红外与激光工程. 2019(04)
[3]考虑固-液接触角影响的粗颗粒间液桥毛细力计算方法[J]. 张昭,刘奉银,齐吉琳,柴军瑞. 水利学报. 2016(09)
[4]湿颗粒分离中的液桥力作用及临界分离初速度[J]. 王辉,焦杨,辛文宇,杨元勋,谢磾,张玉婷. 大学物理. 2015(07)
[5]原子力显微镜中等容液桥的毛细力分析[J]. 魏征,陈少勇,赵爽,孙岩. 应用数学和力学. 2014(04)
[6]天然气水合物颗粒间液桥力的理论研究[J]. 刘海红,李玉星,王武昌,陈鹏. 天然气工业. 2013(04)
[7]水合物颗粒间的静态液桥力[J]. 朱超,李玉星,王武昌. 油气田地面工程. 2012(10)
[8]重力影响下板间液桥断裂距离研究[J]. 王学卫,于洋. 实验力学. 2012(01)
[9]基于Surface Evolver模拟液桥断裂距离[J]. 于洋,王学卫,吴群. 医用生物力学. 2011(05)
[10]基于非结构重叠网格的二维N-S方程求解与应用研究[J]. 田书玲,伍贻兆,夏健. 空气动力学学报. 2008(03)
博士论文
[1]船桨舵相互作用的重叠网格技术数值方法研究[D]. 沈志荣.上海交通大学 2014
硕士论文
[1]液桥形成与破碎的动力学过程研究[D]. 陈少勇.北京化工大学 2015
[2]结构重叠网格方法及其应用研究[D]. 江海南.南京航空航天大学 2014
本文编号：3314423
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－２相机标定像素示意图??Ｆｉｇ．?２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃａｍｅｒａ?ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ?ｐｉｘｅｌｓ??
?第二章实验装置和方法???其在每次拉伸前形态保持稳定和一致。形成稳定的液桥后，通过控制平台的操控，??运动小球在恒速传动装置的拖动下进行匀速运动，此时使用高速相机将在１００?ｆｐｓ??的条件下对拉伸过程进行记录。每次拉伸完成后用去离子水将小球表面擦拭清洁，??待球面干燥后继续下一次实验。为避免液桥受到周围气相环境的干扰，实验须保??证在密闭空间内进行。实验均处于室温（Ｔ?＝?２１±０．５°ｃ）环境下进行。??２．２液桥的图像分析方法??如图２－３所示为实验中由高速相机记录得到的拉伸过程不同时刻的液桥形态，??左侧小球为移动端。随着液桥拉伸，可以观察到液桥的中心有明显下移，且气液??固三相接触点沿球面向下移动，液桥上下液面的曲率半径的差异逐渐增大。在液??桥的断裂瞬间发生拉丝现象。??〇ｓ?０．２?ｓ??０．４?ｓ?０．６?ｓ??ｍ?Ｍ?■?Ｊ??０．７６?ｓ?１．０?ｓ??图２－３不同时刻液桥的形态（桂油／／?＝?０．０３Ｐａ．ｓ，Ｆ＝３ｍｍ３，ｗ＝１．５ｍｍ／ｓ）??Ｆｉｇ．?２－３?Ｌｉｑｕｉｄ?ｂｒｉｄｇｅ?ａｔ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｍｏｍｅｎｔｓ?ｄｕｒｉｎｇ?ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ??（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ?ｏｉｌ，?／／?＝?０．０３?Ｐａ?ｓ，?Ｖ＝?３?ｍｍ３，?ｗ?＝?１．５?ｍｍ／ｓ）??釆集得到的照片由ＭＡＴＬＡＢ进行识别、处理和分析，其中使用ｃａｎｎｙ算子判??１５??
?北京化工大学硕士研宄生学位论文???断和提取小球的边缘轮廓信息，之后确定球心坐标，并得到两个球心的距离，进??而得到液桥断裂时的临界距离。通常需要对１．２ｍｍ、２．４ｍｍ、３．６ｍｍ、４．８?ｍｍ等??多个不同距离进行调试从而减小由识别带来的系统误差。通过图像分析得到的小??球间距与通过直尺测量得到的小球间距之间的偏差不超过０．５％。??通过计算机识别两球间距为：３．６０１５ｍｍ??图２－４高速相机拍摄的图片（左）与程序识别处理后图像（右）对比??（实验图片中两球间距离为３．６?ｍｍ）??Ｆｉｇ．?２－４?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｐｉｃｔｕｒｅｓ?ｔａｋｅｎ?ｂｙ?ｔｈｅ?ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ?ｃａｍｅｒａ?（ｌｅｆｔ）?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｉｍａｇｅ?ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ??ｂｙ?ｔｈｅ?ｐｒｏｇｒａｍ?（ｒｉｇｈｔ）．??（Ｔｈｅ?ｄｉｓｔａｎｃｅ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｔｈｅ?ｔｗｏ?ｐａｒｔｉｃｌｅｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｐｉｃｔｕｒｅ?ｉｓ?３．６?ｍｍ．）??图片分析的步骤如图２－４所示：选择液桥断裂瞬间的图片进行读取，同时调??整图片尺寸。根据最大类间方差法得到图像二值化合适的阈值，再对图片进行二??值化，确定腐蚀阈值，对识别区域进行膨胀腐蚀，此时便可以过滤掉图像中的噪??点。使用ｃａｎｎｙ算子提取两个小球的边缘信息，然后确定小球的球心并计算球心??坐标［５２】。??通过计算机识别两球间距为：４．４５４２ｍｍ?通过计算机识别两球间距为：１．７０６８ｍｍ??〇?＜？〇?錢??（ａ）?（ｂ）??图２－５液桥断裂瞬间的断裂距离的识别（ａ中材料为水，ｂ中材料为硅油）??Ｆｉｇ．
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同含液量下颗粒间液桥力及形态的试验研究[J]. 蒲诚,刘奉银,张昭,程靖轩,赵伟. 水利学报. 2020(01)
[2]基于重叠网格技术和VOF模型的潜艇热尾流浮升扩散规律的数值与实验研究[J]. 王平,杜永成,杨立,金方圆. 红外与激光工程. 2019(04)
[3]考虑固-液接触角影响的粗颗粒间液桥毛细力计算方法[J]. 张昭,刘奉银,齐吉琳,柴军瑞. 水利学报. 2016(09)
[4]湿颗粒分离中的液桥力作用及临界分离初速度[J]. 王辉,焦杨,辛文宇,杨元勋,谢磾,张玉婷. 大学物理. 2015(07)
[5]原子力显微镜中等容液桥的毛细力分析[J]. 魏征,陈少勇,赵爽,孙岩. 应用数学和力学. 2014(04)
[6]天然气水合物颗粒间液桥力的理论研究[J]. 刘海红,李玉星,王武昌,陈鹏. 天然气工业. 2013(04)
[7]水合物颗粒间的静态液桥力[J]. 朱超,李玉星,王武昌. 油气田地面工程. 2012(10)
[8]重力影响下板间液桥断裂距离研究[J]. 王学卫,于洋. 实验力学. 2012(01)
[9]基于Surface Evolver模拟液桥断裂距离[J]. 于洋,王学卫,吴群. 医用生物力学. 2011(05)
[10]基于非结构重叠网格的二维N-S方程求解与应用研究[J]. 田书玲,伍贻兆,夏健. 空气动力学学报. 2008(03)
博士论文
[1]船桨舵相互作用的重叠网格技术数值方法研究[D]. 沈志荣.上海交通大学 2014
硕士论文
[1]液桥形成与破碎的动力学过程研究[D]. 陈少勇.北京化工大学 2015
[2]结构重叠网格方法及其应用研究[D]. 江海南.南京航空航天大学 2014
本文编号：3314423
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