鼓泡塔中气泡群浮升运动实验与模拟研究

摘要

气泡是鼓泡塔反应器中的气体存在的基本形式，其浮升运动驱动了反应器中的两相流动，对其运动规律的研究对鼓泡塔的流体动力学行为的认识和装置设计具有重要意义。本文从实验与模拟两个方面对二维鼓泡塔内的气泡群的浮升运动进行理论研究，获得了气泡的运动参数，讨论了影响浮升运动的因素，考察了气泡团聚现象，建立的相关数学模型为气液鼓泡塔流体力学研究提供了新内容。
　　论文首先采用高速摄像法对低表观气速下鼓泡塔内的气泡群在流体中的浮升过程进行了测量。以纯水、甘油/水二元体系、水/甘油/黄原胶三元体系为实验体系，考察了不同牛顿流体、假塑性流体条件下气泡浮升运动行为。实验表明，气泡群在牛顿流体和假塑性流体中的运动行为存在较大差异:在假塑性流体中出现了多个气泡团聚浮升的现象，而在牛顿流体中气体以分散的单气泡浮升为主，没有明显的气泡团聚的现象。在不同物系体系中，研究了气含率、雷诺数、分布器孔径和液体的黏度、幂律指数对气泡大小、形状、浮升速度、曳力系数及气泡团聚的影响。结果表明:气含率提高，气泡曳力系数增大，浮升速度减少，气泡变形增大;雷诺数提高，曳力系数减小，浮升速度变快;较小分布器孔径，导致气泡尺寸减少，浮升速度变慢;高液体黏度和低幂律指数使气泡更容易团聚。
　　采用单元胞模型和多气泡绕流模型对牛顿和假塑性流体中的气泡群浮升进行了模拟研究。提出了立方体构型的单元模型，计算得到的气泡群的浮升速度和曳力系数与实验值吻合较好，表明该模型是模拟牛顿流体均匀鼓泡流气泡群运动的有效手段。构建了多气泡绕流模型，对不同数目气泡的团聚体进行了模拟。研究发现:气泡团聚体中不同位置气泡所受曳力不同，受气泡遮挡作用，中心气泡所受曳力较小，沿来流方向顶层气泡所曳力高于底层气泡;随着气泡间距增大，气泡曳力系数增加，气泡团聚使气泡浮升阻力大幅降低;与牛顿流体比较，在假塑性流体中气泡受到的曳力较小，气泡间的横向吸引力和排斥力较低，形成的气泡团聚体更稳定，模型探讨了假塑性流体中引起气泡团聚的原因，为气泡团聚的机理研究提供了可行的模拟方法。

目录

声明

致谢

摘要

主要符号表

1 引言

2 文献综述

2．1 鼓泡塔宏观参数的测量

2．1．1 流型划分

2．1．2 气液鼓泡流测试技术

2．1．3 气含率

2．1．4 液相速度

2．2 气泡动力学的研究

2．2．1 气泡的大小

2．2．2 气泡的形状

2．2．5 气泡的浮升速度

2．2．6 多气泡动力学

2．3 鼓泡塔流体力学模拟

2．3．1 CFD简介

2．3．2 鼓泡塔气液两相流模型

2．3．3 颗粒间相互影响的数值模拟

2．4 本文工作思路与内容安排

3 气泡群浮升的实验研究

3．1 实验装置

3．2 实验体系

3．3 实验步骤

3．4 图像处理

3．5 牛顿流体实验结果

3．5．1 平均气含率

3．5．2 气泡尺寸和形状

3．5．3 气泡的曳力系数

3．6 假塑性流体实验结果

3．6．1 气泡团聚体的形成

3．6．2 气泡团聚体尺寸

3．6．3 气泡团聚体浮升速度

3．7 本章小结

4 气泡群中气泡运动的模拟

4．1 单元胞模型的建立

4．2 流体力学方程

4．3 求解方法

4．4 模拟结果

4．4．1 典型模拟结果图

4．4．2 气泡浮升速度

4．5 气泡的曳力系数

4．5 本章小结

5 气泡群中气泡团聚的模拟

5．1 多气泡绕流模型

5．2 流体力学方程

5．3 求解方法

5．4 模拟结果

5．4．1 典型模拟结果图

5．4．2 气泡间距对气泡的曳力系数影响

5．4．3 气泡团聚体的浮升速度和曳力系数分析

5．4．4 气泡受力分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简介及在学期间所取得的科研成果