喷嘴释放单气泡的声发射特性

利用声发射技术在单气泡发生实验装置中研究了气液两相流中单气泡的动力学特性,使用自行开发的采集处理程序进行气泡声信号的参数提取,采用统计分析、小波变换和快速傅里叶变换对声信号进行时域和频域范围的分析。分析结果表明,声发射技术可以检测到管内气泡的声信号,具有较高的信噪比,且声信号随着喷嘴尺寸的增大而增大,随着液相表面张力的减小而减小。比较不同喷嘴直径下气泡的频率谱,发现喷嘴释放气泡发出的声信号频率为150~200 k Hz,且随着喷嘴直径的增大,峰值频率相应增大,提出了声信号峰值频率与气泡尺寸之间的关联式。同时得到了气泡上升过程中的连续形态变化,分析了气泡产生声音的机理。研究表明,声发射技术是一种灵敏度高、测量手段方便的方法,可用于气液两相流气泡运动特性的检测。     

气泡雾化喷嘴泡状流出口喷雾脉动特征

采用实验和仿真方法,对一特定气泡雾化喷嘴泡状流时混合室内的气液两相混合形态以及喷孔出口喷雾脉动特征进行了研究。研究结果表明,泡状流时气泡尺寸呈近似正态分布,气泡尺寸随液相质量流量和气液质量比增大而减小;喷雾形态和喷孔出口气液流动参数存在较大脉动,喷雾锥角脉动超过20°;气泡数量密度小且气泡直径较大时,喷雾平均锥角相对较小,且喷雾脉动现象比较严重;随着气泡数量密度增加,喷雾平均锥角呈现先快速增大后缓慢增大趋势,而喷雾锥角变异系数先快速增大随后逐渐减小并趋于稳定;复杂的流场结构是喷孔内气泡表观形态发生较大变化以及喷孔出口气液流动参数产生较大脉动的主要原因。     

气泡雾化喷嘴泡状流出口喷雾脉动特征

采用实验和仿真方法,对一特定气泡雾化喷嘴泡状流时混合室内的气液两相混合形态以及喷孔出口喷雾脉动特征进行了研究。研究结果表明,泡状流时气泡尺寸呈近似正态分布,气泡尺寸随液相质量流量和气液质量比增大而减小;喷雾形态和喷孔出口气液流动参数存在较大脉动,喷雾锥角脉动超过20°;气泡数量密度小且气泡直径较大时,喷雾平均锥角相对较小,且喷雾脉动现象比较严重;随着气泡数量密度增加,喷雾平均锥角呈现先快速增大后缓慢增大趋势,而喷雾锥角变异系数先快速增大随后逐渐减小并趋于稳定;复杂的流场结构是喷孔内气泡表观形态发生较大变化以及喷孔出口气液流动参数产生较大脉动的主要原因。     

微通道内浆料体系中的气泡生成特性及尺寸预测

利用高速摄像仪对T型微通道内浆料体系中的气泡生成频率和气泡尺寸进行了研究。以氮气作为分散相,含0.35%(质量分数)表面活性剂(SDS)不同浓度玻璃珠的甘油-水溶液为连续相。实验考察了弹状流下气液两相流量、颗粒浓度以及浆料表观黏度对气泡生成频率及气泡尺寸的影响。结果表明:在弹状流下,当分散相流量一定时,随着连续相流量的增大,气泡的生成频率增大而气泡尺寸减小。当连续相流量一定时,随着分散相流量的增大,气泡生成频率和气泡尺寸均增大。随着颗粒浓度的增大,浆料的表面张力减小,表观黏度增大,气泡生成频率增大而气泡尺寸减小。提出了T型微通道内浆料体系中生成气泡尺寸的预测模型,模型具有良好的预测精度。     

激光成像技术在气泡生成行为研究中的应用

针对液相中单喷嘴的气泡生成过程,采用激光成像技术结合电荷耦合器件(Charge Coupling Device, CCD)摄像机照相方法研究了甘油水溶液中的气泡生成行为,结果表明该法能够获得清晰的二维气泡放大图像. 考察了溶液浓度、气室体积、喷嘴直径和气体流量对气泡分离体积的影响,发现气泡分离体积分别随着溶液浓度和气室体积的增大而增大;在所研究的喷嘴直径(1, 1.5和2 mm)范围内,气泡分离体积随着喷嘴直径的增大而减小;气体流量对气泡分离体积的影响与喷嘴直径有关,当喷嘴直径为1和1.5 mm时,气泡分离体积随着气体流量的升高而增大,但当喷嘴直径为2 mm时,气泡分离体积随着气体流量的升高先减小后增大.     

气液固三相移动床中流型的声发射检测

本文采用声发射检测分析了气液固三相移动床中的各相运动信息，实现了三相移动床中涓流-脉冲流的识别，并进一步分析了不同条件下脉冲流的演变规律。结果表明，滴流床中气液流型为脉冲流时，声信号在时域上会形成能量包，可据此实现涓流-脉冲流的准确识别，且该识别准则对于三相移动床同样适用。固相移动导致的床层空隙率增大会使三相移动床中脉冲流形成的条件变得更加苛刻。气液达到稳定脉冲后，固相颗粒对于气液的带出作用会在一定程度上增大三相移动床中的气液脉冲频率。     

气液逆流洗涤器内两相流场的实验研究与数值模拟

采用RNG k-ε湍流模型和欧拉双流体多相流模型模拟了气液逆流接触洗涤器内的两相流场,将计算结果用实验验证.通过考察两相流速、湍流强度、压降、气含率等参数验证了模型的可靠性,对不同喷嘴结构和操作条件下的泡沫区流场特性进行了模拟分析.结果表明,气液撞击形成的泡沫区湍流强度高,气液两相径向与切向速度较大,轴向速度较小,可用湍流强度大小表征泡沫区的大小.泡沫区占整个洗涤器的体积分数β随气液质量流量比增大先增大后减小,气液质量流量比为0.0096时达峰值;随进液轴/切流量比增大β先增大后减小,流量比为0.66时达峰值.喷口直径为8 mm、切向进液倾斜角为60°时气液传质效果最好.     

气液两相流通过节流器的携液研究

针对不同气液比的两相流经过不同直径的水平节流器携液特性不明,利用数值计算对气液两相流携液特性进行仿真。研究表明:同一节流器直径,随着气液比的增大,节流入口与出口速度增大,携带液体的体积比增大;同一气液比,随着节流器直径的增大,节流入口速度减小,节流出口速度反而增大,携带液体的体积比增大。因此选用大直径节流器和大气液比,能更好的携带液体。     

Q235均匀腐蚀过程声发射监测实验研究

应用声发射技术分别对Q235均匀腐蚀过程中的气泡产生与金属溶解两个过程进行了监测,获取了Q235均匀腐蚀过程中的气泡产生与金属溶解声发射信号。并应用特征参量分析法,分析了气泡产生与金属溶解过程的声发射信号特性。研究发现应用能量、质心频率和峰值频率3种特征参量能准确区分两种不同的腐蚀信号。研究结果为Q235均匀腐蚀过程的声发射研究和噪声信号的分离提供了参考。     

基于声发射技术的垂直管气液两相流动检测方法

声发射（AE）作为一种无损检测手段,用于气液两相流的测量具有非侵入式、测量不破坏被测管道及流场分布,信号强、灵敏度高等优点。利用声发射技术在河北大学垂直管气液两相流管道上进行了大量实验,运用现代信息数据处理方法对气液两相流垂直管道流型特征参数进行了提取。分析结果表明利用声发射手段提取出的流型特征参数可以反映出典型流型下的动力学特征。垂直管道中,泡状流、弹状流、环状流以及过渡状态下的乳沫状流在时域和频域信号中有着明显区别,小波能量和小波包分解后的信息熵的值也存在较大的差异性,从另一角度验证了在不同流型下两相流体在管道内部不同的运动状态,利用模式识别的思想,对垂直管4种典型流型进行了流型识别,取得了较好的效果,研究结果表明声发射技术可以作为一种技术手段用于气液两相流流动的检测。     

基于聚类方法的运动气泡声发射信号分析

利用自行开发的采集处理程序采集3 mm喷嘴释放的连续气泡上升阶段的声发射信号,提取声信号波包并计算声信号参数。基于k-均值聚类分析方法对孔口气速1.42 m/s时的声信号波包进行分类处理,分析各分类声信号参数统计规律。通过快速傅里叶变换和小波分析方法分析各分类声信号的时频特征,结合气泡运动图像对声信号进行有效识别,研究了多个气速下的分类规律。结果表明,基于k-均值聚类分析的时频分析方法得到的各分类声信号具有一定的相似度,结合高速摄像技术,可以有效分析气泡上升运动声信号,识别气泡振荡、破碎、聚并等运动形态。     

自由液面处双悬停气泡破裂声特性研究

通过流场-声场同步测试实验,观测自由液面处双悬停气泡几近同时破裂,引起液面波动的瞬态流动行为与声学特性。利用短时傅里叶变换提取了声音信号的时-频谱图,同步分析了气泡破裂过程图像和声压图谱。结果表明,双悬停气泡相继破裂,气泡Ⅰ射流形成和气泡Ⅱ体积急剧收缩的时刻重叠,存在高于单气泡破裂0.5 Pa的声压激增现象,该声压峰值均大于单气泡破裂、体积急剧收缩、射流引起的声压幅值。双悬停气泡破裂引起的液面波动相向传播重叠时刻,也存在明显的声压峰值。其中,气泡Ⅰ射流形成和气泡Ⅱ体积急剧收缩重叠时刻的声信号中心频率约为1078 Hz;双悬停气泡破裂引起的液面振动波叠加时刻具有两个频域峰值,中心频率分别为1242 Hz和2063 Hz。     

不同管口浸没方式下气泡生成行为特性

对三种管口浸没方式下气泡生成行为过程进行可视化实验和三维数值模拟。对比分析了管口浸没方式、管口直径、气体流量等因素对气泡生成形态、气泡脱离直径、气泡膨胀脱离时间以及气液流场速度的影响。实验与数值模拟取得较为一致的结果。研究发现,气泡生成过程可分为单气泡生成和双气泡生成聚并两种模式,两者之间存在明显的气泡脱离形态转折点;三种管口浸没方式下,气泡脱离直径均随着管径和气体流量的增大而增大;气泡膨胀脱离时间随管径的增大而增加,而随气体流量的增加先急剧下降然后趋于平缓;在底吹和侧吹方式下,气泡长短轴比C值分别在0.75和1.1附近波动,其最终脱离形式均接近于球形;而顶吹方式下,C值在1.5附近波动,气泡脱离形态为椭球形。     

Experimental comparison between acoustic and pressure signals from a bubbling flow

Experiments were performed on both the acoustic and pressure signals produced by bubbles formed from an underwater nozzle. The data were analyzed by a comprehensive set of spectral and nonlinear-dynamical techniques. As air flow rates increase, it is well known that such flows became chaotic. However, the present study of both acoustic and pressure signals showed that chaos could appear in different regimes and was manifested in different ways in the acoustic and pressure signals. The use of different time delays for the chaotic analysis of acoustic and pressure signals were found necessary. The acoustic signals offer data primarily on the bubble size while the pressure signals offer data primarily on the bubble production rate. The present results suggest that chaos can appear in the bubble size and bubble production rate independently.     

气液两相流的多尺度混沌特性分析

Using the high-speed camera the time sequences of the classical flow patterns of horizontal gas-liquid pipe flow are recorded, from which the average gray-scale values of single-frame images are extracted. Thus obtained gray-scale time series is decomposed by the Empirical Mode Decomposition (EMD) method, the various scales of the signals are processed by Hurst exponent method, and then the dual-fractal characteristics are obtained. The scattered bubble and the bubble cluster theories are applied to the evolution analysis of two-phase flow patterns. At the same time the various signals are checked in the chaotic recursion chart by which the two typical characteristics (diagonal average length and Shannon entropy) are obtained. Resulting term of these properties, the dynamic characteristics of gas-liquid two-phase flow patterns are quantitatively analyzed. The results show that the evolution paths of gas-liquid two-phase flow patterns can be well characterized by the integrated analysis on the basis of the gray-scale time series of flowing images from EMD, Hurst exponents and Recurrence Plot (RP). In the middle frequency section (2nd, 3rd, 4th scales), three flow patterns decomposed by the EMD exhibit dual fractal characteristics which represent the dynamic features of bubble cluster, single bubble, slug bubble and scattered bubble. According to the change of diagonal average lengths and recursive Shannon entropy characteristic value, the structure deterministic of the slug flow is better than the other two patterns. After the decomposition by EMD the slug flow and the mist flow in the high frequency section have obvious peaks. Anyway, it is an effective way to understand and characterize the dynamic characteristics of two-phase flow patterns using the multi-scale non-linear analysis method based on image gray-scale fluctuation signals.     

微反应器内入口结构对Taylor气泡形成过程的影响

采用计算流体力学方法,考察了微通道入口结构、气液比及两相混合速度对Taylor气泡形成过程的影响,模拟结果与可视化实验符合良好。与单纯流体体积法相比,水平集法（level set）和流体体积法（volume of fluid）相耦合的方法（coupled level set and volume of fluid method,CLSVOF）可获得更精确的气液界面,且CLSVOF法结果与实验结果更符合。数值模拟结果发现,通道入口结构及气液比对气泡长度、气泡生成频率及气泡体积有很大影响。气液比恒定,不同通道入口结构,两相混合速度对气泡长度有不同影响。     

下喷自吸环流反应器内局部气泡平均直径及其径向分布

引　言喷射环流反应器因具有规整的流型、良好的分散效果、相对低的功耗及较好的相间传递特性等优点 ,而广泛应用于化学工业、生物及环境化工领域 ,如发酵、废水和废气处理等 ,以及化学工业中众多的多相反应[1,2 ].鉴于下喷环流反应器和自吸各自的特点 ,文献 [3]开发出了新型高效反应器———下喷自吸环流反应器 ,并对该反应器性能进行了系统的研究 .开展下喷自吸环流反应器内局部气泡大小及其分布的研究 ,不仅对了解该反应器内混合、相间作用和相间耦合的微观流动与传质机理及其传递特性具有极其重要的意义 ,而且也为此类反应器的工业放大…     

Behavior of a single coherent gas bubble chain and surrounding liquid jet flow structure

The motion of a single nitrogen gas bubble chain and the structure of water flow field surrounding the chain were experimentally studied. We developed a bubble generator that can control both the bubble diameter and the generation frequency independently. Experimental conditions of bubble Reynolds number and bubble distance divided by bubble diameter were from 300 to 650 and from 6.5 to 300, respectively. We discuss the interaction effects on the motion of each bubble rising in a chain, as compared to the effects of a single rising bubble. The bubble trajectories and the surrounding water flow fields in the state of bubbles rising in a chain were investigated using a high-speed digital video camera and an analog single-lens-reflex camera. We observed two important physical phenomena. First, bubbles passed through a nearly identical path in the case of low frequency of bubble production. On the contrary, at a height of approximately 50 mm from the nozzle, the bubbles in the case of high frequency deviated and scattered from this path due to bubble-bubble interaction. Second, with higher bubble production frequency, coherent bubble chain and the characteristic structure of the surrounding water flow called “liquid jet” were observed near the nozzle. The direction of liquid jet flow differed from the bubble trajectory. We theoretically investigated the relation of coherent bubble chain and liquid jet by applying the conservation of liquid momentum.