探索气泡在非牛顿流体中的运动行为及流场特性

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1、天津大学硕士学位论文气泡在非牛顿流体中的运动行为及流场特性姓名：杨珂申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：马友光20080501摘要非牛顿流体中的气泡行为广泛存在于诸如废水处理、塑料发泡、原油加工、发酵和聚合物脱挥等化工过程中。羧甲基纤维素钠(CMC)溶液和聚丙烯酰胺(PAAm)溶液是两种广泛应用的非牛顿流体，本文对这两种流体中的气泡上升运动进行了研究。在低气速条件下，采用激光测速技术测量了气泡在非牛顿流体中的上升速度。实验结果表明，气泡在CMC溶液中呈椭球形状并保持直线上升，在PMm溶液中呈倒泪滴状并摇摆上升，而流体的粘性

2、则可以有效地抑制流体弹性引起的轨迹振荡。在气泡上升过程中，CMC溶液中的气泡平均体积随喷嘴直径增大而增大，而在P从m溶液中却刚好相反。此外，在这两种非牛顿流体中，气泡上升速度随溶液浓度的增大而减小，气泡平均体积和上升速度随进气流量的增大而增大。在低气速条件下，利用激光多普勒测速仪测量了气泡上升过程中周围液相的速度场。结果表明，．液相时均速度在轴向和径向上的分布体现出特定的规律。统计分析发现，动量在轴向和径向之间的传递情况随流体流变性质的变化而改变。傅立叶分析表明气泡在CMC溶液中上升时，气液两相都表现出明显的周期性特征，PAAm

3、溶液中的气泡上升是混沌运动。小波分析表明，气泡剪切作用和流体流变性对液相的能量传递和湍流结构产生很大影响，湍流中存在相干结构。重标极差分析法(刚S分析)表明，在本实验条件下在PAAm溶液中气泡上升过程具有双分形性质，表现为两种不同程度的正持久性动力学特征。关键词：气泡；非牛顿流体；激光多普勒测速仪；傅立叶分析；重标极差分析；小波分析；湍流ABSTRACTBubblebehaviorinnon．Ne、Vtonianfluidsisengmeenngprocessesaswastewatertreatment’widelyexist

4、edinsuchchemicalplasticfbaming，oilprocessing，fermentationandpolymerdeVo】atilisation．Sodiumcarboxymethylcellulose(CMC)andpolyac呵lamjde(PAAm)solutions，t、v0kindsofnon-Ne叭onianfluids，arewidelyappliedinmanyfields．Inthisthesis，bubblerisinginthesetwofluidshasbeeninVestigate

5、d．Atlowgasflowrate，bubbIerisingvelocityinnon』Ne、ⅣtoniannuidswasmeasuredbylaserVelocimetrytechnique．ExperimentalresuItsrevealthatbubblesrisein-lineinCMCsolutionasellipticsphereshapeandoscilla“onallyinPIAAmsolutionasinVerseteardropshape，butfluidViscositycouldea’ectivel

6、yrestrainthetrackoscillationcausedbyelasticit)，．Intheprocessofbubblerising，averagebubbleVolumeincreaseswithori6cediameterinCMCsolution；however，itdirectlyreversesinH‰solution．Inaddition，bubbJerisingvelocit)rdecreaseswiththeincreaseofconcentration，aVeragebubbleVolumean

7、dbubblerisingVeloci哆increasewithgasflowrateinthetwokindsofnon．Ne、nonianfluids．Atlowgasflowrate，theVeloci妙neldinliquidphasearoundtherisingbubblewasmeasuredbyLaserDoppler1Velocimeter(LDV)．Themeanvelocit)，exhibitedcharacteristicdistributiontrendsinaxialandradialdirectio

8、ns，respectively．StatisticalanalysisshowedthatthemomentumtransferbetweenaxialandradialdirectionsVariedwithfluidrheoIogicaIcharacteri