非牛頓流體中多氣泡相互作用、聚并與破裂過程的數(shù)值模擬.pdf

1、在鼓泡塔和生化反應(yīng)器等典型的氣液接觸設(shè)備中，氣泡的相互作用、聚并及破裂行為能顯著改變氣泡的尺寸分布和氣-液兩相接觸面積，從而影響設(shè)備的熱質(zhì)傳遞性能和化學(xué)反應(yīng)速率。目前，對于非牛頓流體中多氣泡聚并和相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)不深入。本文對不同排列形式的多氣泡在非牛頓流體中的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，以期為相關(guān)氣液接觸設(shè)備的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。
　　采用2-D和3-D VOF（Volume of fluid）方法模擬了不同排列形式

2、的多氣泡聚并和自由上升過程，其中采用冪律模型和連續(xù)表面張力模型描述冪律流體的流變性質(zhì)和表面張力，通過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)得到最優(yōu)的網(wǎng)格大小，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和有效性。
　　采用2-D VOF方法研究了平行排列的二、三和四個(gè)水平氣泡的聚并過程和自由上升行為。考察了氣泡初始大小、初始間距和非牛頓流體的流變性質(zhì)對氣泡水平聚并和破裂過程的影響。采用無因次準(zhǔn)數(shù)Reynolds數(shù)和E?tv?s數(shù)系統(tǒng)研究了氣泡聚并和破裂行為的不同

3、流型。通過模擬得出了氣泡能夠發(fā)生聚并的最大初始間距即臨界聚并距離，臨界聚并距離隨氣泡直徑和流動(dòng)指數(shù)的增大而減小。當(dāng)氣泡間距大于臨界聚并距離時(shí)，考察了氣泡初始大小、初始間距和非牛頓流體的流變性質(zhì)對多氣泡自由上升過程的影響，研究發(fā)現(xiàn)氣泡上升軌跡和氣泡間距變化取決于不同形狀氣泡的流場結(jié)構(gòu)。
　　采用3-D VOF方法研究了正三角形、菱形和正四邊形排列的多氣泡聚并過程和自由上升行為。結(jié)合聚并過程的流場結(jié)構(gòu)分布，從液膜排干、相對接觸速度和能

4、量轉(zhuǎn)化等多角度分析了各因素對氣泡聚并過程的影響，探討了多氣泡聚并和破裂行為機(jī)理。考察了氣泡直徑、流變性質(zhì)和氣泡排列結(jié)構(gòu)對臨界聚并距離的影響。當(dāng)氣泡初始間距為臨界聚并距離時(shí)，得到了不同排列結(jié)構(gòu)多氣泡發(fā)生聚并時(shí)的水平接觸速度和豎直上升速度，接觸速度與氣泡大小和流變性質(zhì)密切相關(guān)，而氣泡聚并過程中豎直上升速度有驟降現(xiàn)象。系統(tǒng)考察了氣泡排列結(jié)構(gòu)、氣泡大小、初始間距和非牛頓流體流變性質(zhì)對多氣泡自由上升相互作用的影響。基于液膜排干理論，結(jié)合氣泡聚并過