过冷流动沸腾中气泡浮升直径的实验及理论研究

研究气泡浮升直径对揭示过冷流动沸腾的传热机理至关重要。为探究流动工况对气泡浮升直径的影响机制,针对发动机缸盖沸腾区域的冷却通道设计了一个水动力相似的矩形实验通道,搭建了过冷流动沸腾可视化实验循环系统。基于该可视化实验系统,研究了系统压力、壁面过热度、流速以及液体过冷度对气泡浮升直径的影响,发现气泡浮升直径随着系统压力、流速以及过冷度的增大而变小,随着壁面过热度的增大而增大。建立了气泡在浮升时刻的力平衡模型,该力平衡模型的预测值与实验值的平均相对误差为12.25%。为了便于工程应用,基于气泡浮升直径的力平衡模型,建立了气泡浮升直径的经验模型,该经验模型的预测值与实验值的平均相对误差为6.80%。     

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。     

水平分布双气泡运动特性的可视化实验

为了研究双孔喷气工况下,孔径及孔间距对气泡的影响规律,通过可视化实验方法研究双孔壁面逸出气泡的运动特性,对不同孔径及孔间距情况下的两列气泡的运动轨迹、气泡脱离尺寸、气泡速度进行分析,并与单孔气泡生成及运动特性进行对比,得到孔口间距及孔口直径对气泡的影响规律。实验结果表明,当两列气泡并排上升时,两气泡之间距离并不会保持恒定,而是会出现相互靠近—远离—再靠近的循环震荡过程,且孔间距越小,气泡上升时所伴随的左右震荡的振幅越大;在孔径及气体流量均相同时,孔间距越小,脱离尺寸越小,气泡最终的稳定速度越小;当孔间距及气体流量均相同时,孔径越大,气泡的脱离尺寸越大,脱离尺寸与单孔情况的差值越大,气泡最终的稳定速度越大。     

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。     

天然气液烃输送管道沸腾气泡起飞直径计算模型

提出了一种改进的气泡起飞直径计算方法,用以表征天然气液烃在管道输送过程中流动沸腾的气液相间传热传质速率。考虑作用在气泡上的不稳定阻力、剪切升力、浮升力以及管道倾角等因素,基于受力平衡原理和气泡脱离壁面的临界条件,建立了新的气泡起飞直径模型,在此基础上分析了管道倾角对气泡起飞直径的影响情况。结果表明:文中模型计算的水平、垂直管道中气泡起飞直径与实验值的平均相对偏差分别为10. 07%和5. 1%,精度优于目前常用的Fritz,Cole,Kocamustaf,Farajisarir,Golorin,Kirichenko和Borinshansky-Fokin(B-F)模型。该模型还弥补了现有方法不能计算倾斜管道气泡起飞直径的不足。     

两相流中气泡和液滴的直径及其分布的自动测量

<正>气泡、液滴大小及概率密度分布对研究气液及液液两相流设备中的能量传递、反应过程以及设备和工艺的最优化设计等,具有十分重要的意义.以往,测量液滴、气泡大小分布主要采用照相法、化学法、电阻探针法等,这些方法应用范围窄,或者费时长、精度低.     

液体介质对上升气泡几何形态和运动特征的影响

利用高速摄像技术观测了不同液体介质（去离子水、离子水、5#白油和水-白油溶液）中气泡的上升行为。采用了三种不同直径的注气喷嘴。对比分析了气泡在不同工况条件下的上升速度、当量直径、纵横比和曳力系数。结果表明,气泡在不同的单一介质中的上升轨迹及运动特征不同,介质的黏度和表面张力均对气泡的形状和尺寸有着重要影响。此外,观测并分析了气泡穿过水-白油界面的行为,发现当气泡离开界面较远时,其运动形态与在单一介质中相似;气泡穿过界面时被液膜包覆,然后液膜自气泡表面脱离。小尺寸气泡在单一油中和穿过水-白油界面后的几何形态和运动特征相似,而大尺寸气泡在穿过水-白油界面后呈现曲折的运动轨迹,其纵横比发生明显变化。     

SK型静态混合器内气-液两相流单气泡运动实验研究

采用单气泡实验对SK型静态混合器内气-液间混合过程进行试验研究,针对主流速度、气泡尺寸、混合元件数量等参数对气-液混合效果差异进行实验研究,并就整个混合过程中的压降波动进行了分析。实验结果表明,SK型静态混合器增大气-液两相相界面,提高气-液两相混合效果,延长气-液停留时间,混合元件数增加压力降增大。     

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 kHz,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。     

低温气液两相弹状流动中Taylor气泡的统计特征?I. Taylor气泡长度

为了研究倾角(q)和管径对低温气液两相流中Taylor气泡长度分布规律的影响,在6种管路倾角下,以液氮为工质,使用高速相机对4种内径透明抽真空Pyrex玻璃管内的弹状流动进行了可视化实验. 结果表明,低温弹状流动中Taylor气泡长度分布的统计特征可由对数正态分布函数描述,Taylor气泡长度分布的标准偏差受到液膜射流直接影响,并随q减小先增大后减小. Taylor气泡无量纲平均长度随管路轴向位置增大而线性增加,随管路内径增加呈指数下降趋势,随q减小而增大,最小值出现在70o≤q≤90o.     

Experimental study on the influence of the orifice size on hydrodynamic characteristics and bubble size distribution of an external loop airlift reactor

The orifice size has a significant influence on hydrodynamic characteristics and bubble size distribution (BSD) in gas-liquid flow. However, the mechanism of the influence of orifice size on BSD and hydrodynamic characteristics in an external loop airlift reactor (EL-ALR) has not been fully revealed. In this work, the effects of the orifice size on hydrodynamic characteristics and BSD in a laboratory scale EL-ALR were investigated using the particle image velocimetry (PIV) technique and digital image analysis (DIA). The results show that the transition superficial gas velocity becomes greater when the orifice size is reduced. The time-averaged bubble velocity profiles along the riser radius are parabolic, and the shape of the time-averaged bubble velocity curve is strongly dependent on the orifice diameter. The larger the orifice diameter, the steeper the parabolas. For sparger with lager orifice diameters, the BSD curve is bimodal even at low superficial gas velocity, and its peaks shift to a larger equivalent bubble diameter. The bubble aspect ratio appears to be related only to the equivalent diameter of the bubbles, regardless of the diameter of the orifice. It has a defined relationship between the bubble aspect ratio and the bubble equivalent diameter, and a new correlation is obtained based on the experimental data. This study will help to gain an understanding of the influence of sparger orifice size on the hydrodynamic characteristics and BSD and provide a basis for numerical simulation.     

矩形截面螺旋通道内气液两相流局部含气率分布实验研究

应用电导探针测量技术,对矩形截面螺旋通道内气液两相流局部含气率进行实验研究。在不同的气相折算速度下,应用电导探针测量了弹状流弹单元的长度,并与可视化方法进行对比,验证了电导探针的可靠性,并为信号处理选择合适的阈值。分别在泡状流、弹状流及环状流三种流型的条件下,分析了气相与液相折算速度对局部含气率分布的影响。实验结果发现,螺旋通道气液两相局部含气率呈非对称的抛物线形分布,这种非对称性受流型和液相折算速度的影响。     

应用电导探针测定鼓泡塔内气泡参数

介绍了一种性能稳定的双头电导探针的制作工艺、测量原理。并用此电导探针测量了一定静液层高的带单个泡罩的鼓泡塔内气液两相流参数,包括局部气含率、界面浓度、当量直径等,并首次回归了局部气含率随空间位置、气体流量变化的关联式。     

新型洗涤冷却室内气液两相的分布特性

采用双头电导探针法对新型洗涤冷却室环隙鼓泡床内气液两相的局部气含率、气泡直径等分布规律进行了实验研究,并用Fluent商业软件对床层内气含率分布进行了模拟计算,模拟结果与实验结果吻合较好。研究结果表明：新型洗涤冷却室内部构件对环隙鼓泡床内气液两相的分布特性影响显著,气相分布更加均匀,液面波动更趋平稳,有效地减少了气体带水问题,相比国外技术具有更好的操作弹性。     

壁面润湿性对微通道内Taylor流动特性的影响

壁面润湿性不仅影响着Taylor气泡的形状,同时对通道内流体流动、相变换热等有着关键的作用。采用VOF模型对T型微通道内气液两相Taylor流动进行三维数值模拟,重点研究了接触角改变对Taylor气泡流体动力学特性的影响。模拟结果与他人实验数据对比基本吻合,验证了模型的有效性。结果表明：随着接触角增大,气泡周围液含量逐渐降低,相界面也由外凸形变为内凹形。壁面越接近润湿（或疏水）状态,气液接触面的曲率就越大;当120°≤θ≤150°时Taylor气泡稳定性变差。当θ≥150°时“拖曳流态”出现,分析指出在大接触角下气体更易贴附壁面导致接触区内流场发生变化,形成的涡流减弱了水对气相的水平剪切作用,进而引起流型转变。接触角对通道内压力有着重要影响,通道中心轴向压力曲线以θ=90°为过渡,润湿状态下呈凸函数递减且p _G>p _L,疏水状态下气液进口处的压力分配改变,曲线趋势相反。     

鼓泡破泡一体化高效精馏塔盘流动特性与CFD模拟

就痕量精馏中塔板传质效率低、需强化气液传质的问题,研究者提出了新型鼓泡破泡一体化高效精馏塔盘,通过在筛板上泡沫层高度范围内设置一层破泡装置,打破大气泡,减小气泡体积,强制界面进行更新,从而提高传质效率。采用双欧拉模型分别对鼓泡破泡一体化塔盘和筛板进行了气液流场的数值模拟,并对模型进行了验证。对比两种塔板的计算结果可以看出：在相同操作条件下,破泡装置将大气泡破裂成无数小气泡,使高气含率区域面积较普通筛板进一步增大,且气含率梯度变化更均匀;增加破泡装置后,在相同气速条件下气泡上升速度下降,气体在液层中的滞留时间延长,使鼓泡层高度增加,可显著提高传质效率,且降低了气体雾沫夹带量;破泡装置还明显改善了气相的纵向分布,气含率由塔板底部向上逐渐增大且存在明显分界;破泡装置附近湍动较剧烈,气泡破碎喷出的气体会进一步撕裂液膜,气体破碎作用会抑制气泡聚并,促进界面的快速更新更有利于传质过程的进行。研究结果可对工业塔板设计和优化提供指导。     

气泡羽流气液两相流动特性的研究进展

气泡羽流是一种复杂的气液两相流,广泛应用于废水处理、石油加工、环保等工业领域。气泡羽流的流动特性对气液两相间质量、动量传递及工业应用至关重要。本工作总结了理论与实验研究等方面气泡羽流流动特性的研究进展。详细讨论了气泡羽流气液两相流体水力学特性、羽流运动行为的影响因素。根据气含率、气泡直径等水力学参数的预测模型和经验公式,归纳了不同液相物性和结构参数下羽流模型的适用范围,揭示了流动对传质的作用。总结了分层流体中气泡羽流流型变化规律、羽流去分层效果以及引起流型变化的影响因素。阐释了横向流动环境下羽流的偏移行为呈线性变化,该变化与横向流速及表观气速等因素有关。最后讨论了气泡羽流气液两相流动特性研究手段和理论方法的局限性,展望了气泡羽流运动规律多尺度研究的方向。     

空气-石蜡直接接触换热特性实验研究

在间壁式换热器中石蜡因为其热导率低影响了蓄热系统的换热速率,采用石蜡与空气直接接触换热可大幅提高蓄热系统的换热速率。把常温的空气通过气体分布器注入熔融状态的石蜡（100~150℃）中,具体考察了表观气速、静液位高度和传热温差等参数对石蜡-空气鼓泡换热中体积传热系数与气含率的影响。实验结果表明,随着表观气速的增大,体积传热系数与气含率随之增大,并且对于气含率,在较低的表观气速下的增长速率更快;在实验条件下,增加静液位高度都只会导致体积传热系数与气含率的降低,而改变气液温差对体积传热系数的影响不甚明显。根据实验结果获得了石蜡与空气直接接触换热的体积Nusselt数经验关联式。     

微通道内气液两相流行为研究进展

综述了微通道内的气液两相流行为及传质特性。在微通道内流型一般分为泡状流、弹状流、环状流和弹状-环状流,没有分层流。气液传质效率比常规尺度中的提高了2～3个数量级。讨论了气泡对气液两相流的影响及其生成、生长和聚并规律。介绍了微通道内气液两相流的计算机模拟结果。从实验、理论和数值模拟3个方面对微通道内气液两相流的研究和应用前景进行了展望。