低温气液两相流中Taylor气泡的合并

在自建的低温气液两相流实验平台的基础上,通过高速相机获得16 mm内径管路中30o~90o倾角下Taylor气泡之间的合并过程. 结果表明,已有的常温气液两相流中Taylor气泡的合并公式普遍高估了跟随气泡和领先气泡的速度比,与实验结果的最大误差为14.6%,对低温气液两相流不再适用. 新建的Taylor气泡合并过程速度拟合公式可将最大误差减小至4.7%. 此外,气泡间最小稳定距离在60o倾角附近最小,此时气泡间合并趋势最弱.     

倾斜管路内低温Taylor气泡尾迹区流场的实验研究

为了研究低温流体中Taylor气泡周围复杂流场的平均及瞬变特征,搭建了用于低温流体粒子图像测速实验平台,使用快照本征正交分解(POD)方法详细分析了Taylor气泡尾迹区内流场结构. 结果表明,在表面张力作用可忽略的情况下,使用流体逆粘度数Nf判断竖直管路中尾迹区流型的方法对液氮流体仍然适用,当管路水平倾角q≤60o时,该法不再适用. Taylor气泡尾迹区在90o≤q≤60o内由开放尾迹转变为封闭尾迹,30o倾角下尾迹区涡的轴向尺寸(Lwake)和Taylor气泡长度(LTB)呈指数函数关系,Lwake=51.3-123.5exp(-LTB/2.9). POD分析表明,尾迹区存在明显的湍流大尺度结构,前4阶模态分别占据总能量的15.6%, 6.4%, 5.6%和3.8%. 距离Taylor气泡尾部0.5~1.0D(D为管路内径)的位置存在大尺度结构中涡的交界面,此处的速度脉动也最强. 本研究拓展了常温流体中Taylor气泡尾迹区理论在低温流体中的适用范围.     

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。     

垂直上升弹状流中液弹长度分布

提出了计算垂直上升弹状流中尾随Taylor气泡上升速度的关系式;并基于气泡追赶合并机理,建立了预测沿管路任意位置液弹长度分布模型,提供了弹状流发展过程中弹长分布的变化情况。     

微通道内气-液弹状流动及传质特性研究进展

气-液弹状流,又称Taylor流,是一种以长气泡和液弹交替形式流动的流动形态。微通道内气-液弹状流因其气泡与液弹尺寸分布均一、停留时间分布窄、径向混合强等优点,是一种适于强化气-液反应的理想流型。本文首先介绍了微通道内气泡的生成机理、气泡和液弹长度,以及气泡生成阶段的传质特征。其次系统综述了主通道中弹状流动及传质过程的研究进展,包括气泡形状与液膜厚度、液弹内循环和泄漏流特征、气-液传质系数的测量与预测,以及物理与化学吸收过程中的传质特性等方面内容。最后阐述了当前研究的不足并展望了气-液弹状流的研究方向。     

用统计方法研究未充分发展弹状流动

在一内径19 mm、长2 m的垂直有机玻璃管内,采用自制的电导探针对未充分发展的气-液二相弹状流中的弹状气泡上升速度、液塞上升速度、弹状气泡长度和液塞长度进行了测量。得到了各自随表观气速或表观液速的变化规律。结果表明:在未充分发展的弹状流状态下,弹状气泡的上升速度略高于液塞的上升速度:弹状气泡长度随表观气速的增大而增大,随表观液速的增大而减小。文章对弹状气泡长度进行了统计分析。未充分发展弹状流中弹状气泡长度符合正态分布律。     

倾斜上升弹状流中Taylor气泡运动速度研究

用高速动态分析仪对倾斜上升管中气液两相弹状流中Ｔａｙｌｏｒ气泡的运动速度进行了研究。获得了无干扰流场下Ｔａｙｌｏｒ气泡运动参数的测量结果，并分析了混合物流速及管倾角对气泡头部位置的影响，以及由此而引起的气泡漂移速度及液体速度影响系数的变化情况，在理论分析的基础上，推荐了计算气泡运动速度的实验关联式。并且与可利用的结果进行了比较，两者符合较好。     

0.5 mm毛细管内气-液Taylor流动换热数值研究

采用移动计算域方法研究0.5 mm毛细管内充分发展的气液Taylor流动换热特性,分析了Taylor气泡的形状、压降与换热特性。结果表明,随着入口Reynolds数Re的增大,气泡尾部的不稳定区域增大,液膜厚度逐渐增大,气泡长度变长;随着气泡体积分数ξ_g的增大,气泡形状基本不变而长度逐渐增大。阻力因子f随Re、ξ_g增大而降低,两相阻力系数高于单相的情况。平均Nusselt数Nu_tp随Re增大而增大,增大趋势逐渐降低;随ξ_g增大而线性降低。Taylor流的Nu_tp为单相的1.2～3倍,强化换热效果。     

水平与微倾斜管内间歇流中长气泡的形态特征

利用双平行探针技术和摄像方法对水平和近水平微倾斜管内长气泡的形态特征进行了实验研究.实验结果表明气泡头部以及气泡体的形态特征取决于气液混合Froude数和管道倾角,而尾部特征还与气泡长度有关;小气泡通过单纯水跃面的长气泡尾部向液塞区弥散,而具有阶梯状尾部结构的长气泡并不向液塞区弥散小气泡,所以气泡尾部结构特征的变化决定了弹状流向段塞流的转变;管道倾角对长气泡形态特征有显著的影响,下倾管内的长气泡在低Froude数时出现头尾倒置现象,同时下倾管内的长气泡比上倾管更易保持阶梯状的尾部结构,所以下倾管的弹状流区比上倾管宽.     

鼓泡塔中气泡尺寸分布和局部气含率研究

在内径为0.38 m的鼓泡塔中采用双电导探针法对不同通气速率下的气泡尺寸分布和局部气含率进行了实验研究,分析了气泡尺寸的概率密度分布。结果表明:气泡尺寸随轴向高度的增加而增大,随径向距离增加而减小;鼓泡塔中气液流动可分为过渡流域和充分发展流域,在过渡流域气含率随轴向高度增加而增大,在充分发展流域气含率趋于均值,径向局部气含率分布呈抛物线型下降。高气速下气泡尺寸概率密度分布比低气速下宽,且随轴向高度的增加分布变宽。     

并行微通道内气液相分配规律

微反应器的集成放大对于微化工技术的工业应用具有重要意义。利用高速摄像仪对4个并行微通道内气液两相流动状况及相分配规律进行了研究,考察了气液两相流量及液相黏度对两相分布均匀性的影响。实验所用液相为含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）的蒸馏水-甘油溶液,气相为氮气（N₂）。实验观察到了6种典型的两相流型。对各支通道均为弹状流情况下气泡长度和气泡速度的分布规律进行了研究。在一定气相流率下,各支通道气泡长度的相对标准偏差随液相流率的增大而增大,气泡速度的相对标准偏差值随液相流率的增大先升高到一定值然后逐渐减小。气相分配不均匀性随液相流率和黏度的增大而增大,液相分配不均匀性随液相黏度的增大而减小,气相流率的变化对于两相分布影响不明显。研究结果有助于并行微通道的结构设计与优化,以实现更为均匀的气液两相流动分配。     

矩形微通道内液相黏度对气泡界面的作用机制

利用高速摄像机对矩形微通道中不同黏度体系下气泡的形状及界面演变进行实验研究。实验观察到子弹状、棒槌状、平尾状和尖尾状四种气泡形状，其中液弹的挤压力控制气泡尾部由凸形变平形或凹形，而受限空间效应和液相黏性剪切导致气泡形状为贴近壁面的尖尾状。基于两相Ca数和气液流率比绘制了气泡形状分布图并建立形状转变模型。平尾状和尖尾状气泡均是由棒槌状气泡演变而来，转变距离分别随气泡上游液弹压力和液相黏性剪切力的增加而减小，并且均与气/液流率比呈幂律关系，幂律指数小于零。尖尾状气泡破裂发生在尖端且存在临界条件，根据Ca数和气液流率比提出了破裂条件的良好预测模型。本工作对于矩形微通道内气泡的流动与破裂调控具有重要的指导意义。     

壁面润湿性对微通道内二氧化碳-水两相流流动及传质性能的影响

在1 mm×1 mm矩形截面下微通道内,以二氧化碳-水为工作流体,研究壁面润湿性和气液表观流速对气-液两相流型和气液传质的影响,并研究了气、液表观流速对弹状流流体力学性质的影响。在亲水微通道中观测到了泡状流、泡状-弹状流、弹状流;在疏水微通道中观测到了非对称弹状流、拉长的非对称弹状流、分层流。实验表明亲水微通道中弹状流区域下气泡长度大体上随气相表观流速的增大而增大,随液相表观流速的增大而减小;液弹长度大体上随气相表观流速的增大而减小,随液相表观流速的增大先增大后减小;液侧体积传质系数k_La均随气、液相表观流速的增大而增大,随通道壁面润湿性的增强而增大。     

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。     

微纳米气泡的特性表征研究

为进一步探究微纳米气泡发生系统的性能。基于喷射法原理,研究文丘里管内径、气泡发生器孔径和级数等因素对微纳米气泡粒径分布的影响。经实验测试,结果表明：当文丘里管内径由2.7 mm增至2.9 mm,气泡粒径随内径增加呈先减小后增大趋势,即气泡的平均粒径由10.88μm先减小至3.069μm,后增大至7.997μm;当气泡发生器孔径从0.7 mm增加至0.9 mm,气泡粒径随孔径增加呈递减趋势,即气泡的平均粒径由4.106μm减至2.954μm;当级数由1增至3级时,气泡粒径随级数增加基本保持一致。     

0.5mm毛细管内气-液Taylor流动换热数值研究

采用移动计算域方法研究0.5mm毛细管内充分发展的气液Taylor流动换热特性,分析了Taylor气泡的形状、压降与换热特性。结果表明,随着入口Reynolds数Re的增大,气泡尾部的不稳定区域增大,液膜厚度逐渐增大,气泡长度变长;随着气泡体积分数ξ_g的增大,气泡形状基本不变而长度逐渐增大。阻力因子f随Re、ξg增大而降低,两相阻力系数高于单相的情况。平均Nusselt数Nu_(tp)随Re增大而增大,增大趋势逐渐降低;随ξg增大而线性降低。Taylor流的Nu_(tp)为单相的1.2~3倍,强化换热效果。     

垂直管内弹状气泡上升中壁面传递的实验研究

垂直管内弹状流壁面传递是诸多工业应用中需研究的重要问题之一。今用极限扩散电流技术,对弹状气泡上升时瞬时壁面剪应力和传质系数进行了测定,结果显示:当基于表观气速的Froude数FrG < 0.74时,壁面剪应力随弹状气泡和液塞的到来呈现方向相反的交替变化,壁面传质系数亦相应变化;而当FrG > 0.74时,剪应力方向一直向下,说明液膜向下流动,且弹状气泡和液塞的到来对壁面传质系数的影响很小。这说明下落液膜射流穿透了液塞段,控制了整个壁面传递过程。研究还对下落液膜区、尾迹区及液塞段的不同传递特征及机理进行了分析, 并结合气泡塔熔融结晶器中弹状气泡上升时的传热,对结晶操作条件的合理选择进行了讨论。     

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。     

注气孔位置对文丘里管式微气泡发生器成泡特性的影响分析

尽管文丘里管式微气泡发生器的注气口位置会对气泡在文丘里流道内的碎化特征产生直接影响,但迄今缺乏针对性的深入研究。通过可视化实验方法,对比分析了注气口分别位于喉管处（结构1型）和进水管处（结构2型）时的气液流型、气泡破碎特征以及成泡特性。实验表明,气、液相流量对结构1型微气泡发生器内的气液流型影响显著,初始成泡区域随液相流量增加,环状流或泡状流向弹状流转变,而随气相流量增加则由泡状流或弹状流向环状流转变;结构2型微气泡发生器则在此过程中始终为泡状流,其对操作工况的适应范围大于结构1型。在相同工况下,结构1型微气泡发生器的成泡Sauter平均粒径小于结构2型,但随着液相Reynolds数的增大,二者间的成泡平均粒径差值随之减小。分析原因是由于弹状流流型下,延伸至扩张段区域的弹型泡的表面积更大,能量转化率更高,气泡界面失稳碎化的程度更显著。随着液相Reynolds数的增大,初始成泡体积减小,湍流破碎机理作用占据主导,掩盖了由于界面失稳引起的气泡破碎。结构1型微气泡发生器的成泡能耗高于结构2型,并且随液相Reynolds数的增大,两者之间的差值随之增大。综合来看,结构2型微气泡发生器能够在低能耗下实现高效成泡,面向工程应用将更具优势。     

矩形截面螺旋通道内弹状流的流动特性

对水平放置矩形截面螺旋通道内弹状流的流动特性进行了实验研究.通过实验获得了不同周角下的气弹演变过程和局部流动特征,结果表明,其流动特性会随着螺旋周角位置的变化而变化.根据实验数据分析发现,同一工况下,不同转角气弹的运动速度、频率和长度分布不尽相同.重力和离心力的相对大小决定着内外壁面液膜的厚度,给出了同一条件下,不同时刻的液膜厚度的演变过程.最后对下降液膜的运动速度展开了分析研究,在螺旋上升过程中,液膜下降速度逐渐减小,在螺旋下降段,液膜速度明显增大.