顶部浸没竖直向下平口管口气泡膨胀脱离特性

利用高速摄像机拍摄顶部浸没竖直向下管口气泡膨胀及脱离演变过程,对比分析管径、平均气速对气泡尺寸、形成时间的影响规律。引入泡龄k表征管口气泡位置特性,用椭球形气泡长短轴比L表征气泡形状特征。研究发现,气泡生成机理有间歇生成气泡、含抽吸间歇生成气泡和连续生成气泡3种;气泡脱离直径随平均气速变化过程明显存在气泡脱离形态转变点;气泡膨胀脱离模式随平均气速变化分为单个气泡形成、气泡聚并形成两种。平均气速为3.1 m·s-1时管口处存在抽吸现象,此时最大泡龄kmax最小;脱离阶段气泡长短轴比L随脱离时间变化过程明显存在时间分界点。在分界点前,L值在2.0附近波动,气泡主要以椭球形存在。分界点后,L值明显增加,气泡形状向扁椭球体发展。     

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。     

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。     

流体振荡器气泡碎化特性数值模拟

为了探究流体振荡器中气泡碎化特性,采用重整化群(RNG) k-ε湍流模型和流体体积函数(VOF)多相流模型研究流体振荡器中的气液两相流。通过数值模拟分析了气泡在流场中的变形和破碎行为,考察不同流动参数对气泡破碎的影响。同时进行可视化实验,用实验结果验证了模拟的准确性。结果表明,流体振荡器可作为一种新型气泡发生装置。振荡频率越高,流体振荡器中的气泡碎化效果越好;随着液速增大,气泡变形程度加剧,破碎概率增加,生成子气泡也越多;剪切应力和涡流碰撞是导致气泡破碎的主要机制;射流振荡促使气泡向振荡腔壁面偏移,气泡初始直径越大,水平偏移量越大,越容易发生破碎。     

气泡羽流摆动特性及附壁效应研究

针对气泡发生器中气泡在上升阶段发生的摆动现象会影响气泡生成效率的问题,利用流体体积函数(VOF)模型模拟了水槽内气泡生成和上升过程,研究了通气速度、气泡孔口直径和水槽高宽比对气泡羽流的影响,探究气泡的摆动特性和偏移程度。结果表明,气泡羽流摆动的最大偏移量与弗劳德数和水槽宽高比呈指数衰变关系;而最大偏移量对应的偏移角度与弗劳德数和水槽宽高比呈多项式关系。根据所得数据拟合得到相关经验关系式,给出了不同弗劳德数和水槽宽高比对应的气泡摆动特性的规律。     

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。     

阶梯式T型微通道内有序气泡群的形成和流动特性研究

微流控技术制备微气泡因其过程可控、操作范围宽等特性而备受关注。选择阶梯式T型微通道作为微气泡生成的设备,利用高速摄像机研究了高气相含量下气泡群的自组装行为和流动特性,探索了液相体积流量、液相黏度、气相输入压力和通道宽度等因素对气泡群的影响规律。结果表明,只有当通道内的气相含量大于液相含量时才能形成有序的气泡群(气泡群晶体),且气泡群晶体在受限空间内能够沿着通道宽度或深度方向自组装成不同行数的结构。此外,系统研究了不同操作参数对气泡群晶体运动速度的影响规律。气泡群晶体运动速度随着液相体积流量变化的规律与气液两相的总体积流量变化规律一致。最后,提出了提升气液体系流动理想性的策略,并构建了预测气泡群晶体流动理想性的无量纲数学模型。     

基于FTM方法的双气泡融合特性模拟

采用界面追踪法(FTM)对气泡融合现象进行数值模拟,将模拟结果与文献结果进行对比,验证了计算模型的准确性。结果表明,同轴双气泡上升速度均高于单独气泡的上升速度,且融合后气泡与等直径单气泡上升速度相同。气泡间距较小时,跟随气泡的上升速度更高。引导气泡的厄特沃什数Eo=0.36~9,Eo较大时两气泡上升阶段时间较短,但接触阶段时间较长,接触阶段气泡间的液膜在压力作用下逐渐变薄,最终破裂,气泡融合。Eo?4.16时,气泡融合所需时间随Eo增加而增加;Eo?4.16时,气泡融合所需时间不再变化。莫顿数Mo=0.57,Eo=5.04~18.72时,存在特定的双气泡初始角度?c,当0?≤?≤?c时,双气泡相互排斥;当?c≤?≤90?时,双气泡融合,且?c随Eo增加而降低.     

毛细管内气液Taylor流动的气泡及阻力特性

采用相对坐标系方法,研究毛细管(d 2mm)内充分发展垂直上升气液Taylor流动,分析两种工作介质下Taylor气泡的形状、上升速度、液膜厚度以及压降特性。结果表明:随着两相表观速度(V_tp)增大,Taylor气泡长度增大,气泡尾部曲率半径增大。气泡长度及内部回流区随着气泡体积分数(ξ_g)增大而增大,量纲1液膜厚度与气泡上升速度与毛细数(Ca)正相关,模拟结果与经验公式吻合较好。摩擦阻力因子(f_c)随V_tp与ξ_g的增大而降低,N₂/乙二醇为工质的Taylor流动f_c低于单相情况,而N₂/水为工质的Taylor流动f_c高于单相情况。Kreutzer等的流型依赖公式以及Lockhart等的分离模型可较好预测本文的两相压降,模拟结果与预测值的误差在±10%以内,常规通道所推荐C 5仍然适用于本文毛细管情况。     

喷嘴结构对射流鼓泡反应器混合和传质性能的影响

喷嘴结构对射流鼓泡反应器的混合和传质性能具有重要的影响。以空气-水作为模拟介质,使用双探头电导探针、电解质示踪法和动态溶氧法,对比研究了缩径式圆形喷嘴和旋扭三角形喷嘴对射流鼓泡反应器中气泡尺寸分布、平均气含率、液相混合时间和气液传质系数的影响规律。实验发现,随着气速或液体射流Reynolds数的增大,两种喷嘴对应的平均气含率、液相混合时间和气液传质系数具有相同的变化规律;与缩径式圆形喷嘴相比,采用旋扭三角形喷嘴的射流鼓泡反应器中气泡尺寸更小,平均气含率更高,宏观混合时间更短;当气体输入功占总输入功比例超过20%时,喷嘴结构对气液传质系数的影响较小,当气体输入功占总输入功比例小于20%时,旋扭三角形喷嘴的气液传质性能优于缩径式圆形喷嘴。研究结果可为工业射流鼓泡反应器喷嘴结构的优化提供理论指导。     

Characteristics of a countercurrent reciprocating plate bubble column. I. Holdup,pressure drop and bubble diameter

The hydrodynamics of countercurrent air/water flow in a 5 cm diameter reciprocating plate bubble column have been studied; the plates contained 14 mm diameter perforations and had a fractional open area of 0.57. The ranges of superficial velocities of air and water were respectively 0-0.99 cm/s and 0-3.95 cm/s. The stroke was in most cases 4.5 cm and the reciprocation frequency was in the range 0–5 Hz. The pressure drops were measured in the absence of reciprocation for single phase and two phase flow conditions. Pressure fluctuations and time-averaged pressure drops were measured with plate reciprocation under single and two-phase conditions. The results were described in terms of the simple quasi-steady state model; the effective orifice coefficients of the perforations were within the range 0.4 to 0.97 depending on the reciprocation conditions. The Sauter mean diameters of the bubbles decreased with agitation; they were about twice the values predicted from an earlier correlation developed for liquid-liquid systems. The gas holdups were also substantially greater than predicted from correlations based on liquid-liquid systems. Both these effects were explained as due to the tendency for bubbles to cluster in the plate region.     

On the transition stage of bubble formation on the orifice of a submerged vertical nozzle

The transition stage (self‐accelerating necking process) generally takes place before a bubble collapses. However, the mechanism is still not well understood. In this article, seven existing experiments dealing with bubble formation on the orifice of a submerged vertical nozzle are examined by solving the Young–Laplace equation. Multiple solution modes are found. Bubble in solution mode 2 has a neck and thus taller than mode 1 at the same volume. The present numerical result along with an experiment from Longuet‐Higgins et al. [J. Fluid Mech. 230, 365–390 (1991)] evidences an isometric transition from solution modes 1 to 2. This might account for the self‐accelerating necking process before a bubble collapses. Surprisingly, all of the seven existing experiments agree excellently with the bubble shapes from the Young–Laplace equation without the dynamic effect even when the bubble growth rate in the experiment is 2.25 times as large as the critical value. The gas flow rate (the dynamic effect) seems to play a role only after the transition stage. © 2011 Canadian Society for Chemical Engineering     

Hydrodynamic characteristics of gas-liquid slug flow in a downward inclined pipe

Gas-liquid slug flow in a downward inclined pipe was studied experimentally by employing a wire-mesh sensor that enables quantitative measurements of the cross-sectional void fraction distribution. Processing of the wire-mesh sensor data was applied to carry out a statistical analysis of characteristic parameters of downward slug flow, such as bubble and liquid slug length distributions, as well as to determine the ensemble-averaged shapes of the bubble nose, liquid film and bubble tail. It was found that the pipe inclination affects mainly the bubble length, while variation in the gas flow rate affects both bubble and slug length. The bubble nose shape is more sensitive to the flow conditions than the bubble tail. The 3D structure of an elongated bubble in downward slug flow was reconstructed from the wire-mesh sensor data.     

鼓泡塔反应器气液两相流CFD数值模拟

对圆柱形鼓泡塔反应器内的气液两相流动进行了三维瞬态数值模拟,模拟的表观气速范围为0.02～0.30 m•s^-1; 模拟采用了双流体模型,并耦合了气泡界面密度单方程模型预测气泡尺寸,该模型考虑了气泡聚并与破碎对气泡尺寸的影响。液相湍流采用考虑气相影响的修正k-ε模型,两相间的动量传输仅考虑曳力作用。模拟获得了轴向气/液相速度分布、气含率分布、湍流动能分布以及气泡表面面积密度等,对部分模拟结果与实验值进行了定量比较,结果表明模拟结果与实验结果吻合较好。     

竖直加热壁面上汽泡脱离及浮升点汽泡直径预测模型

针对汽泡在脱离点和浮升点的力平衡特点,根据受力分析结果对汽泡的动量平衡方程进行了简化。提出了汽泡在竖直加热壁面上脱离和浮升的判据。采用Thorncroft的实验数据进行检验,结果发现,汽泡的脱离及浮升直径预测值与实验值误差在±20%以内。模型分析结果表明,向上流动的汽泡脱离直径随平均流速的增加而减小,随壁面过热度的增加而增加;向下流动情况大致相同;但由于流动曳力对汽泡脱离的作用和浮力的作用相反,从而导致了在02～03 m·s-1流速范围内出现汽泡不脱离的现象。在向上流动条件下,由于汽泡脱离核化点后的滑动方向和主流方向一致,从而使得汽泡与流体间的相对速度减小,使浮升直径大大增加;向下流动时,汽泡浮升直径随平均流速和壁面过热的关系与脱离直径的变化趋势基本一致,但与壁面过热的关系没有脱离直径的明显。     

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%。