非牛頓流體中的氣泡行為及周圍流場的研究.pdf

1、非牛頓流體中的氣泡行為在諸如廢水處理、石油加工、發(fā)酵、聚合物脫揮、有機(jī)合成、沸騰以及環(huán)保等許多工業(yè)過程中發(fā)揮著重要作用。充分了解單氣泡及多氣泡生成及上升行為對于提高實際氣液接觸設(shè)備效率以及深入理解非牛頓流體中氣液兩相流復(fù)雜機(jī)理都具有重要意義。本文研究了非牛頓流體中單氣泡及平行氣泡的生成和上升特性，具體包括以下幾方面：
　　 采用激光影像技術(shù)對羧甲基纖維素(CMC)及甘油溶液中單氣泡生成進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明，氣泡生成的第一階段

2、呈球形膨脹，而在第二階段氣泡頸部被明顯拉長，與甘油溶液相比，CMC溶液中氣泡形狀較“瘦”。此外還分別討論了溶液濃度、氣室體積及噴嘴直徑對氣泡分離體積的影響。
　　 利用自建的氣泡速度測試裝置分別對聚丙烯酰胺(PAM)及CMC溶液中單氣泡上升運動進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，穩(wěn)定上升時氣泡形狀隨著Re數(shù)和Eo數(shù)的增加逐漸變扁，CMC中的氣泡幾乎成直線上升，而在PAM中則出現(xiàn)“Z”形搖擺上升?？疾炝私K極速度影響因素；基于Buckingham

3、π定理對氣泡上升中流體物理性質(zhì)和氣泡特征參數(shù)進(jìn)行了無因次分析，得到了可用于非牛頓流體的CD關(guān)聯(lián)式，與傳統(tǒng)預(yù)測方程相比，該方程能與實驗值更好的吻合。
　　 采用激光多普勒測速儀(LDV)對CMC溶液中單氣泡連續(xù)上升過程的周圍速度場進(jìn)了測定，結(jié)果顯示，液相軸向和徑向時均速度分別隨測量高度及測量水平位置呈規(guī)律性變化。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，氣泡生成區(qū)域的液相擾動比上升區(qū)域更加劇烈。采用傅立葉變換、混沌方法及分形理論對液相瞬時速度時間序列研究表明

4、，功率譜圖中特征峰均反映出低粘度時較低位置的氣泡通道中心液相呈周期性運動規(guī)律，相圖、最大Lyapunov指數(shù)及關(guān)聯(lián)維數(shù)計算結(jié)果表明，氣泡周圍液相運動呈混沌運動，R/S分析表明，氣泡周圍液相運動具有明顯的雙分形特征，隨著延遲時間增加，正持久性動力學(xué)制約因素逐漸減弱。
　　 利用平行氣泡生成裝置測定了常流率下CMC及甘油溶液中平行氣泡的生成過程，結(jié)果表明，在擴(kuò)張階段，甘油溶液中氣泡因其表面張力較小(容易鋪展)，因而與噴嘴接觸面積相對

5、較大，初始形狀呈扁平狀；在拉伸階段，在氣泡間相互作用及浮力的共同作用下平行氣泡上部分呈半球狀并向各自方偏移，而頸部被相連的噴嘴有所拉長；在分離階段，兩氣泡相背移動并恢復(fù)自由表面狀態(tài)。此外，還考察了平行氣泡分離體積的影響因素。
　　 利用粒子影像測速儀(PIV)對牛頓流體及不同類型非牛頓流體中平行氣泡穩(wěn)定上升時周圍速度場及變化進(jìn)行了測定，結(jié)果顯示，隨氣體流率增加，牛頓流體中平行氣泡相互靠近并碰撞，最終導(dǎo)致周圍流速顯著增加，而非牛頓

6、流體中氣泡間距離只有小幅減小，其周圍液體流速增加較??；由于剪切應(yīng)力的生成及松弛動力學(xué)競爭結(jié)果差異，噴嘴直徑對氣泡周圍流場影響則因非牛頓流體的類型而異；氣泡間相互作用隨著噴嘴距離增加從相互排斥逐漸減弱直到消失；由于非牛頓流體剪切稀化效應(yīng)，氣泡間作用隨兩氣泡中心連線與垂線間夾角的減小逐漸從相互排斥轉(zhuǎn)為相互吸引。
　　 結(jié)合流體體積(VOF)方法和連續(xù)表面張力(CSF)方法，著重考慮非牛頓流體的流變特性，對兩平行氣泡在非牛頓流體中上升