探析非牛顿流体中的气泡行为及周围流场的研究

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1、天津大学博士学位论文非牛顿流体中的气泡行为及周围流场的研究姓名：范文元申请学位级别：博士专业：化学工程指导教师：马友光20081201摘要非牛顿流体中的气泡行为在诸如废水处理、石油加工、发酵、聚合物脱挥、有机合成、沸腾以及环保等许多工业过程中发挥着重要作用。充分了解单气泡及多气泡生成及上升行为对于提高实际气液接触设备效率以及深入理解非牛顿流体中气液两相流复杂机理都具有重要意义。本文研究了非牛顿流体中单气泡及平行气泡的生成和上升特性，具体包括以下几方面：采用激光影像技术对羧甲基纤维素(CMC)及甘油溶液中单气泡生成进行了实验研究，结果表明，气泡生成的第一阶段呈球形膨胀，而在第二

2、阶段气泡颈部被明显拉长，与甘油溶液相比，CMC溶液中气泡形状较‘‘瘦”。此外还分别讨论了溶液浓度、气室体积及喷嘴直径对气泡分离体积的影响。利用自建的气泡速度测试装置分别对聚丙烯酰胺(PAM)及CMC溶液中单气泡上升运动进行了研究，结果显示，稳定上升时气泡形状随着胎数和Eo数的增加逐渐变扁，CMC中的气泡几乎成直线上升，而在PAM中则出现“Z’’形摇摆上升。考察了终极速度影响因素；基于Buckingham7c定理对气泡上升中流体物理性质和气泡特征参数进行了无因次分析，得到了可用于非牛顿流体的CD关联式，与传统预测方程相比，该方程能与实验值更好的吻合。采用激光多普勒测速仪(LDV

3、)对CMC溶液中单气泡连续上升过程的周围速度场进了测定，结果显示，液相轴向和径向时均速度分别随测量高度及测量水平位置呈规律性变化。统计分析发现，气泡生成区域的液相扰动比上升区域更加剧烈。采用傅立叶变换、混沌方法及分形理论对液相瞬时速度时间序列研究表明，功率谱图中特征峰均反映出低粘度时较低位置的气泡通道中心液相呈周期性运动规律，相图、最大Lyapunov指数及关联维数计算结果表明，气泡周围液相运动呈混沌运动，R／S分析表明，气泡周围液相运动具有明显的双分形特征，随着延迟时间增加，正持久性动力学制约因素逐渐减弱。利用平行气泡生成装置测定了常流率下CMC及甘油溶液中平行气泡的生成过

4、程，结果表明，在扩张阶段，甘油溶液中气泡因其表面张力较小(容易铺展)，因而与喷嘴接触面积相对较大，初始形状呈扁平状；在拉伸阶段，在气泡间相互作用及浮力的共同作用下平行气泡上部分呈半球状并向各自方偏移，而颈部被相连的喷嘴有所拉长；在分离阶段，两气泡相背移动并恢复自由表面状态。此外，还考察了平行气泡分离体积的影响因素。利用粒子影像测速仪(PIV)对牛顿流体及不同类型非牛顿流体中平行气泡稳定上升时周围速度场及变化进行了测定，结果显示，随气体流率增加，牛顿流体中平行气泡相互靠近并碰撞，最终导致周围流速显著增加，而非牛顿流体中气泡间距离只有小幅减小，其周围液体流速增加较小；由于剪切应力

5、的生成及松弛动力学竞争结果差异，喷嘴直径对气泡周围流场影响则因非牛顿流体的类型而异；气泡间相互作用随着喷嘴距离增加从相互排斥逐渐减弱直到消失；由于非牛顿流体剪切稀化效应，气泡间作用随两气泡中心连线与垂线间夹角的减小逐渐从相互排斥转为相互吸引。结合流体体积(VOF)方法和连续表面张力(CSF)方法，着重考虑非牛顿流体的流变特性，对两平行气泡在非牛顿流体中上升过程进行数值模拟，结果表明，该法可捕捉非常锐利的高分辨气泡表面形状，无论对于时间还是气泡形状和位置，模拟结果与实验结果均吻合良好。分别考察了气泡初始间距、初始位置、初始直径及溶液浓度对平行气泡上升过程影响，同时将牛顿及非牛顿

6、流体中的平行气泡和在线气泡上升过程进行了对比研究。关键词：平行气泡；非牛顿流体；LDV；PIV；混沌；分形；VOFABSTRACTThebubblebehaviorinnon-Newtonianfluidplaysakeyroleinsuchdiversefieldsaswastewatertreatment,petroleumprocessing，fermentation,polymerdevolatilization,compositesprocessing,boiling，plasticfoamprocessingandenvironmentremediation．An

7、adequateunderstandingofthebehaviorsoftheformationandrisingofsingleaswellasmultiplebubblesbecomesanessentialbaseforimprovingtheefficiencyofgas—liquidcontactequipmentsaswellasprovidingimportantinsightintothecomplexmechanismofflowbetweengas．1iquidtwophasesi