表面张力变化对含气泡液体射流破裂的影响

使用高速相机研究了表面张力变化对含气泡液体射流破裂过程的影响。通过改变表面活性剂浓度获得了不同表面张力的液体射流。实验发现当液体射流速度保持不变时,减小液体表面张力会增加射流破裂长度。表面活性剂一方面降低了液体动态表面张力,减小了射流表面不稳定波的增长率,增大了射流破裂长度;另一方面表面活性剂在射流表面的非均匀分布会产生Marangoni应力,促使液体向射流变形区运动,从而推迟了射流破裂的发生,增大了射流破裂长度。通过理论分析得到了液体射流破裂长度表达式。发现射流内部气泡会显著缩短含表面活性剂射流的破裂长度。通过气泡扰动射流速度和吸附表面活性剂的分析,揭示了内部气泡对含表面活性剂射流破裂的影响规律。     

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.     

固含率对沸腾床反应器气泡行为的影响

采用动态气体逸出法,在高7.0 m、直径0.3 m的有机玻璃塔中研究了固含率对沸腾床反应器内气泡行为特性的影响。在表观气速2.16~21.62 cm/s和固含率9.8%~39.0%（体积分数）范围内测定了反应器内的总气含率、大小气泡含率、大小气泡上升速度及其尺寸等参数。结果表明：总气含率随着表观气速的增大而增大,随着固含率的增大而减小。随着表观气速的增大,大气泡含率、大气泡直径及其上升速度均呈增大趋势;小气泡含率明显增大,但小气泡上升速度和直径趋于减小。随着固含率的增大,大气泡含率略有降低,但大气泡直径及其上升速度都明显增大;当固含率超过19.5%（体积分数）后,小气泡上升速度几乎下降为0;当固含率达到29.3%（体积分数）时,小气泡基本消失。     

黏弹性表面活性剂溶液中颗粒沉降特性研究

黏弹性表面活性剂溶液悬浮颗粒流广泛存在于自然界和工业生产中,黏弹性表面活性剂溶液的非线性流变性质及应力松弛效应对其中颗粒沉降有着显著影响。采用FENE-P和Giesekus黏弹性本构模型对表面活性剂溶液中颗粒沉降特性进行研究,发现两种本构模型不仅表现出剪切稀化,而且出现拉伸硬化。颗粒在沉降初期的不稳定性主要是由溶液自身的弹性效应引起,弹性效应越强,颗粒沉降速度不稳定性越强,而剪切稀化效应会减弱颗粒沉降速度的不稳定。颗粒沉降过程中在其尾部形成一个“负尾迹”,随着剪切稀化和拉伸硬化效应增强,负尾迹区增大,弹性效应增加,负尾迹增强,负尾迹区流体内部反向速度分布导致的表面活性剂溶液中微观胶束的拉伸断裂和重构可能是引起颗粒沉降速度持续波动的原因。     

黏弹性表面活性剂及其在油田中的应用

介绍了黏弹性表面活性剂溶液的性质，确定黏弹性表面活性剂性质的测试方法和实验手段，以及其内部微观结构和流变特性等方面的研究成果。当黏弹性表面活性剂溶液浓度增加到某一临界浓度时，球形胶束开始向蠕虫状胶束转变，溶液黏度突然增大，随着浓度的进一步增大，蠕虫状胶束快速生长、增长并形成线型柔性棒状胶束，柔性棒状胶束相互缠绕、粘附甚至融合，形成某种超分子三维网状结构，溶液黏度急剧增加，并表现出较强的黏弹性。概述了黏弹性表面活性剂在油田中的应用，特别是在压裂液、酸液、钻井液及提高采收率等方面的应用，指出了黏弹性表面活性剂广泛运用的前景和尚未解决的问题。     

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。     

气泡上升过程中尾流演变的VOF数值模拟

利用VOF（volume of fluid）方法对静止水中气泡的自由上升过程进行了数值模拟,研究了初始直径不同的气泡自由上升时尾流的演变过程。研究发现气泡自由上升过程中其尾流有对称脱落、过渡态和周期性脱落三种运动状态,其中过渡态是介于对称脱落和周期性脱落之间的非稳定性脱落。气泡上升过程中其形状由球形转变为椭球形。尾流的对称脱落发生在气泡处于椭球形状且沿直线上升的过程;随着气泡的继续上升,当气泡的长轴与水平方向产生夹角时,尾流就会由对称脱落转变为过渡态（非稳定性脱落）;最终,尾流会转变为周期性脱落。2.4 ~3.7 mm气泡尾流运动状态发生转变的临界Reynolds数不同,且随气泡初始直径的增大而增加。直径为2.4 ~3.7 mm气泡的尾流周期性脱落的频率为31 ~39 Hz,且频率随气泡直径的增大而减小。     

剪切稠化流体内气泡上浮运动特性

剪切稠化流体是一种典型的非牛顿流体,研究气泡在其中的运动特性对优化设备结构、提高反应效率具有重要意义。文中采用流体体积(VOF)法,通过改变Gallilei数(Ga)、E?tv?s数(Eo)与流变指数(n),对牛顿流体(n=1)及剪切稠化流体(n>1)内气泡的形状、尾涡、终端速度和气泡周围液相黏度分布的变化进行了深入的数值研究。结果表明:气泡变形程度和尾涡尺寸随着Ga数或Eo数的增大而增加;剪切稠化效应会阻碍尾涡的形成,减小气泡的尾涡尺寸;气泡周围剪切速率的差异会导致气泡上方及尾部产生高黏度区域,该高黏度区域会随剪切稠化效应的增加而增大;气泡终端速度随Ga数的增大或流变指数n,Eo数的减小而增大。     

剪切变稀流体中的单气泡生成行为

为了探究剪切变稀流体的流变性对气泡生成的影响,采用高速摄像仪对单气泡在剪切变稀流体[羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液]及牛顿流体(甘油水溶液)中的气泡生成过程进行研究,考察了剪切变稀流体的流变性对气泡在生成过程中的体积及形状的影响。结果表明:气泡生成体积及生成时间随流体黏度的增大而增大,在气泡颈形成之前的阶段,气泡体积增长速度随流体黏度的增大而减小,在气泡颈形成之后,气泡体积增长速度则随流体黏度的增大而增大,不同流体中气泡的长径比随着生成过程的进行均呈增大趋势,但在生成初期,长径比的增长速度随剪切变稀性的增大而减小,在生成后期,气泡长径比的增长速度则随剪切变稀性的增大而增大。     

单气泡对层流自然对流传热影响的数值研究

在工业传热过程中，温度边界层的增厚严重降低了传热效率。研究发现在液相中加入气泡能提高相间的传热效率。采用VOF(流体体积法)研究单气泡注入对垂直管道内层流自然对流传热的影响，利用Boussinesq假设考虑自然对流的浮力项，分别研究相同气泡形状不同气泡尺寸以及相同气泡尺寸不同气泡形状对近壁流体自然对流传热的影响。结果表明：气泡直径越大，变形稳定后的上升速度和横向尺寸越大，对周围流场造成的扰动越剧烈，传热强化效果和传热强化影响区域增大；气泡直径相同时，随着Eo数的增大，气泡横向尺寸显著变大，传热增强效果变得明显。气泡注入影响传热增强的主要因素与气泡的横向尺寸和上升速度有关，横向尺寸和上升速度越大传热强化效果越好。     

气泡长大法测定表面活性剂溶液的表面扩展黏度

在理论分析的基础上 ,采用计算机图像采集技术 ,实时记录气泡的长大过程 ,用图像分析技术确定气泡边缘形状 ,建立了根据气泡图像测定表面扩展黏度的实验装置 .直接测量动表面张力随时间的变化 ,并通过动表面张力与气泡表面积变化率的关系 ,确定溶液的表面扩展黏度 .测定了十二烷基硫酸钠溶液的表面扩展黏度 ,并与不同表面变形速率下的文献值进行比较 ,说明了表面活性剂溶液的表面流变现象 .     

牛顿及非牛顿流体中的气泡生成与对比

采用激光成像结合CCD摄像技术分别对牛顿及非牛顿流体(甘油和羧甲基纤维素钠水溶液)中的气泡生成行为进行了研究,对2种流体气泡生成过程中气泡形状和体积变化进行了比较。分析了非牛顿流体的弹性效应对气泡生成过程气泡形状的影响。实验结果表明,在实验条件范围内,甘油中,气泡生长初期,气泡体积增加较快,到了后期,增加幅度减缓,气速对气泡生长过程气泡体积影响很小;羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液中,气泡生长初期,气泡缓慢生长,气速对气泡体积影响很小,到了后期,气泡体积增加幅度变大,气泡体积随着气速的增大而增大。     

流经突然扩张的微通道的单气泡界面形态演变的数值模拟

采用界面追踪方法(FTM)研究了狭窄通道内受浮力上升的单气泡经过突然扩张通道时的运动形态,考察了狭窄通道和宽阔通道的通道宽度比及Eotvos数(Eo)和Morton数(Mo)对气泡形态和上升速度的影响. 结果表明,在狭窄通道、扩张部位和宽阔通道内气泡形态呈不同特性,气泡在离开扩张处时高宽比最大. 随通道宽度比增大,气泡最大高宽比减小. Eo数较小时,减小Mo数,气泡高宽比减小,气泡上升速度增大;增大Eo数,气泡上升时形变更严重. 改变初始时刻气泡相对于狭窄通道的位置对气泡形态有影响,初始位置靠近单侧壁面时,气泡横向变形较严重,在两侧壁面之间摆动上升.     

二甲苯鼓泡吸收及模型研究

针对工业中一些尾气中二甲苯的回收,用二甲苯液体对其进行吸收,利于环保。通过建立鼓泡模型,给出了在不同管径下,气泡形状因子,最大气泡直径,鼓泡频率,最大上升高度等的变化规律。研究表明：气泡的形状因子随喷嘴内径和雷诺数的增大而增大;最大气泡直径随喷嘴内径的增大几乎成线性增大;鼓泡频率随喷嘴内径的增大而明显减小;最大上升高度则随着喷嘴内径的增大而增大,但幅度较小。     

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。     

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.     

单气泡沿倾斜绝热表面运动特性的LBM方法研究

气泡沿斜面运动现象在工业生产中广泛存在,采用格子Boltzmann方法(LBM)研究单个气泡沿倾斜绝热表面的运动过程,考察气泡的初始直径、斜面倾角、Eotvos数(Eo)对气泡的变形和气泡形心与斜面垂直距离的影响,探讨相同初始直径的气泡沿斜面运动的稳定终态速度与倾角和Eo之间的关系。通过模拟得出气泡沿斜面的运动规律:斜面倾角越大,气泡前后端不对称性越大;气泡在上升过程中,形心轨迹与斜面保持平行;当倾角大于45°时,形心与斜面的垂直距离和Eo变化一致,当小于45°时,变化相反;相同初始直径气泡的稳定终态速度随倾角和Eo的增加而增加。     

非对称Y型分岔微通道内气泡破裂与分配规律

利用高速摄像仪对气泡在非对称Y型微通道分岔口的破裂行为和分配规律进行了实验研究。采用氮气（N₂）作为分散相,含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）的蒸馏水-甘油（质量分数分别为20%、40%、50%）溶液为连续相。在分岔口处观察到了3种不同的气泡行为：无间隙的不对称破裂、有间隙的不对称破裂以及不破裂。考察了气泡破裂和不破裂行为之间的转变,并与文献进行了比较。考察了两相流率及物性对破裂气泡分配规律的影响。结果表明：破裂后两个子气泡的长度均随气相流量与气泡长度的增大而增大,随液相流量和黏度的增大而减小。随液相速度和黏度的增大,气泡破裂的不对称程度减弱。     

高气液密度比的传热相变复合模型

为研究两相流动中热量传递机制,基于格子Boltzmann热模型及大密度比模型,将相变源项引入到控制两相密度分布函数中,来描述温度场对气液相变的影响,提出了一个可以描述气液密度比达到2778的传热相变复合模型。通过对压力速度分布函数的回归修正克服了气液密度比过大造成的数值不稳定问题。模拟了溴化锂水溶液中双气泡的上升运动过程及周围的温度场分布,研究发现：双气泡上升时,碰撞前上方气泡温度高于下方气泡,碰撞时,两气泡间液桥打开,发生热量传递,气泡内部温度变得均匀;双气泡体积先减小再增大,碰撞时体积达到最大值,在融合成一个气泡后体积逐渐缩小,最终趋于稳定;初始气泡的体积越大,气泡上升过程中的速度越大。     

气泡的ζ电位

对气泡ζ电位的测量方法以及纯水中、表面活性剂体系中、电解质体系中气泡ζ电位的测量结果进行综述。研究表明,气泡在纯水中的等电点处于pH 1.5~3.5之间。阴、阳离子型表面活性剂会改变气泡表面的ζ电位,非离子型表面活性剂对ζ电位的影响与其结构和基团有关,当浓度达到临界胶束浓度时,ζ电位不再发生变化。无机电解质对ζ电位的影响与离子在溶液中的存在形式及吸附状态有关,pH对ζ电位的影响主要是通过影响H+和OH-的吸附量以及溶液中表面活性剂和无机电解质的存在形式来实现。