气液两相体系气泡的流体力学行为研究

发布时间：2017-12-08 00:21

  本文关键词：气液两相体系气泡的流体力学行为研究

  更多相关文章： 气泡 聚并 破碎 连接型气泡 CFD

【摘要】：气液两相体系中气泡的诸多流体力学行为不仅能影响两相流的速度分布,还能通过改变气液相界面等途径改变整个体系的传质和传热效果,对气液接触设备的性能具有重要影响。本文对气泡的聚并、连接与破碎等显著影响气液相界面的典型流体力学行为进行了研究,主要包括低雷诺数条件共轴线气泡之间的直接聚并与连接聚并研究,高黏体系中连接型气泡的动力学行为研究,以及单个气泡在射流湍流场中的破碎行为研究。气泡的聚并行为研究方面,本文在不同液相体系中对共轴线上升的两个自由气泡之间的聚并全过程进行了研究,其中上气泡和下气泡的直径范围分别为6.5～9.5 mm和7.0～10 mm,气泡的雷诺数均小于2。利用高速摄像法和数字图像处理技术得到了气泡的形态与速度变化；在最大网格尺寸为50μm的条件下利用VOF (Volume of Fluid)模型对气泡的聚并行为进行了瞬态模拟,得到了各个时刻连续相流场与气泡的详细信息。实验发现,低雷诺数下共轴线气泡之间的聚并可根据其经历阶段特征分为直接聚并和连接聚并两种,其中前者可分为接近阶段和排液阶段两个阶段,而后者还存在一个连接阶段。对于气泡的直接聚并过程,下气泡的运动速度与气泡间排液速度在接触时刻均达到最大,此后两者速度均不断减小；排液过程中液膜形状由拱形逐渐变平,然后中间区域发生褶皱,并最终在液膜中心附近褶皱剧烈处发生破碎。对于气泡的连接聚并过程,随着液相黏度的减小或者表面活性剂的加入,气泡发生聚并的概率均降低,而接触时刻两个气泡的雷诺数之比能够用来预测气泡聚并与否。气泡的连接聚并时间可分为排液时间和连接时间两部分,其中连接时间主要与体系黏度成正比,而排液时间呈现出一定的随机性,随着体系黏度的增加或表面活性剂的加入,排液时间均明显增加；基于流体力学稳定性理论的液膜破碎模型可以有效预测连接时间。气泡的连接是高黏流体中气泡的一种特殊行为,本文对共轴线气泡碰撞后直接形成的连接型气泡进行了研究(下气泡与上气泡直径比的范围为1.0-1.2),分析了连接型气泡的形成、运动状态和受力情况。连接型气泡中两个气泡维持亚稳定的形态和相同的速度共同上升,其形态受连续相黏度影响较大。对于本课题实验体系下的连接型气泡和单气泡,分别得到了描述其投影直径和曳力系数的模型,进而可得到连接型气泡的上升速度。本文提出了一个计算连接型气泡中两个气泡分别所受曳力的模型,并进一步可求算气泡之间的相互作用力。连接型气泡所受的曳力主要由上气泡承担,并与连接型气泡整体的当量直径成正比；两个气泡之间的相互作用力的主要作用是抵消下气泡所受的浮力,与下气泡的直径成正比。气泡的破碎行为研究方面,本文在两种气泡直径、三种液相流量以及三种发生距离条件下,对单个气泡在射流湍流场中的破碎过程进行了研究。通过高解析度的PIV技术得到了射流场的速度和湍流动能等分布规律,通过高速摄像法得到了气泡的行为规律,并结合二维与三维数值模拟的方法对气泡破碎过程进行了研究。本文定义气泡在水平方向获得最大加速度的位置为剪切位置,气泡在该位置受到较强的流体剪切作用,对破碎过程具有决定性的影响。随着射流流量的增大、气泡剪切位置与喷嘴距离的缩短、或者气泡直径的增加,气泡均更易发生破碎,破碎产生的子气泡个数也有增大趋势。本文定义了气泡破碎的期望气泡个数Ne,可以综合反映气泡发生破碎的概率和最终的子气泡个数等结果；对于不同直径的气泡,期望气泡个数均与Ca数近似成正比关系。数值模拟结果表明三维模拟比二维模拟得到的射流场更接近实际流场,而二维模拟在气泡形变与破碎行为的模拟方面存在明显的网格精度优势。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O359.1

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本文编号：1264354