双喷嘴连续气泡生成与聚并行为的数值模拟

摘要

气泡间的碰撞和聚并等相互作用行为普遍存在于鼓泡塔等气液接触设备中，这些现象会显著改变气泡尺寸、气液接触面积以及气泡在液相中的停留时间等从而影响设备的热质传递效率。本文采用数值模拟方法研究了牛顿流体和非牛顿流体中由双喷嘴连续生成气泡的过程，由于相邻连续气泡间的相互作用机制是建立泡群传热及传质数学模型的基础和先决条件，因此，研究结果可为鼓泡塔等设备的设计与优化提供理论指导。
　　采用二维流体体积（2-D VOF）法对牛顿流体和幂律型非牛顿流体中双喷嘴连续生成气泡的聚并和后继演变行为进行了数值模拟。分别将能够描述幂律流体流变性质的幂律模型和表面张力的连续表面张力模型加入到VOF方法中，利用网格独立性验证的方法得到适宜的网格尺寸并通过实验方法验证了模拟方法的有效性和准确性。
　　通过模拟得到了三种不同的气泡流型以及流型之间的转变线。在牛顿流体和非牛顿流体中，都存在两个临界喷嘴间距，即气泡在脱离喷嘴前发生聚并的临界喷嘴间距Lc1和交替生成的气泡发生在线聚并的临界喷嘴间距Lc2。当L＜Lc1时，气泡流型为水平聚并（第I流型）；当Lc1＜L＜Lc2时，气泡流型为交替生成并发生在线纵向聚并（第II流型）；当L＞Lc2时，气泡流型为并排上升，无聚并现象的发生（第III流型）。
　　采用无因次准数Ca数和BoL数分析了牛顿流体中连续气泡的聚并时间，以此作为气泡流型的判定准则。采用无量纲准数Re数和Bo数对非牛顿流体中连续气泡的动力学行为进行了分析，并通过数据回归建立了预测气泡流型间无量纲喷嘴间距的经验关联式。考察了喷嘴间距、喷嘴直径、气体流速、牛顿流体的黏度以及非牛顿流体的流变性质等对连续气泡动力学行为的影响。气泡流型主要取决于气泡尺寸和气体流速，喷嘴直径会影响生成气泡的尺寸，气体流速与气泡的生成频率和液相扰动有很大关系，牛顿流体的黏度则会影响气液界面附近液膜内流体的运动速度，从而改变气泡的生成时间和分离体积，非牛顿流体的剪切变稀性质会影响气泡在线相互作用。因此，在相同条件下，分别增大喷嘴直径、气体流速、牛顿流体的黏度和非牛顿流体的流动指数，将促进气泡流型由（第II流型）向（第I流型）或者由（第III流型）向（第II流型）转变。对于第II气泡流型，分别增大喷嘴直径、气体流速和减小牛顿流体的黏度、非牛顿流体的流动指数，气泡在线聚并高度会减小。

目录

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第一章 文献综述

1.1 气泡间相互作用的研究

1.2 气泡生成与分离的研究

1.3 数值模拟方法

1.4 本章小结

1.5 本文结构安排

第二章 数值模拟方法和实验验证

2.1 数学模型和求解方法

2.2 网格独立性验证

2.3 实验装置与流程

2.4 模拟结果与实验对比

第三章 牛顿流体中连续气泡行为模拟

3.1 气泡流型

3.2 喷嘴间距对气泡聚并行为的影响

3.3 液体黏度对气泡聚并行为的影响

3.4 气体流速对气泡聚并行为的影响

3.5 喷嘴直径对气泡聚并行为的影响

3.6 本章小结

第四章 非牛顿流体中连续气泡行为模拟

4.1 气泡流型及临界喷嘴间距

4.2 喷嘴直径对气泡流型的影响

4.3 流变性质对气泡流型的影响

4.4 气体流速对气泡流型的影响

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

符号说明

致谢