非牛顿流体中气泡运动及传质的研究.pdf

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1、非牛顿流体中气泡运动及传质的研究Studyonthebubblemotionandmasstransferinnon-Newtonianfluids一级学科：化学工程与技术学科专业：化学工程研究生：李少白指导教师：马友光教授天津大学化工学院二零一一年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月

2、日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要非牛顿流体中的气泡运动广泛存在于化工、生化、环保、食品、冶金及高分子聚合等领域。对非牛顿流体中气泡运动及传质的深入了解将有助于相关设备的设计与优化。本文针对气泡在非牛顿流体中的运动及传质行为进行了实验及数值模拟研究。主要研究内容包

3、括：利用高速摄像仪，对单个气泡在非牛顿流体中的上升行为进行了实验研究，测定了气泡的纵横比及上升的终端速度。根据Reynolds数、Eotvos数和Morton数三个无量纲准数作出了气泡在非牛顿流体中的形状分布图。提出了一个气泡纵横比与自定义的无量纲准数Wn的关联式。研究了非牛顿流体的流变性质及气泡形状对曳力系数的影响。提出了一个新的曳力系数关联式，在0.05＜Re＜300范围内，该关联式的预测值与实验结果吻合良好。利用高速摄像仪对非牛顿流体中两个气泡的在线相互作用进行了研究。发现在气泡相互靠近的过程中，先行气泡保持稳态上升，其速度不受跟随气泡的影响。受先行气泡尾流及剪切变稀效应影响，跟随气

4、泡的速度在靠近先行气泡的过程中逐渐增大。提出了一个描述跟随气泡速度的理论模型，该模型的预测值与实验结果吻合良好。利用粒子影像测速仪（PIV）技术，研究了非牛顿流体中单个上升气泡周围的黏度分布和气泡链周围的湍动特性。考察了流体浓度对单气泡周围的黏度场的影响，同时讨论了速度场、黏度场和剪切应力场之间的耦合关系。探讨了气泡链周围的流场、湍动能及其耗散率的分布。对CO2在三种不同流变性质的液相（牛顿流体、剪切变稀流体、黏弹性流体）中的传质行为进行了实验研究。测定了不同操作条件下的液相体积传质系数。考察了气体流量及液相性质对液相体积传质系数的影响。基于Higbie渗透理论和Kolmogorov湍动理

5、论提出了一个半经验模型，并引入修正因子用于修正黏弹性对CO2传质的影响。在三种不同流变性质的液相中，模型预测值与实验结果均吻合良好。利用LevelSet方法对气泡在剪切变稀型非牛顿流体中的自由上升运动进行了模拟。主要模拟了球形气泡、椭球形气泡以及球帽形气泡。模拟所得气泡形状及曳力系数与实验结果均能较好的吻合。论文还对两个在线上升气泡相互靠近和聚并过程进行了模拟。关键词：气泡，非牛顿流体，曳力系数，相互作用，黏度分布，湍动特性，传质，数值模拟AbstractThebubblemotioninnon-Newtonianfluidsisextensivelyencounteredinchemic

6、alengineering,biochemicalapplication,food,metallurgy,polymerizationandotherindustrialapplications.Theknowledgeofbubbles’motionandmasstransferinnon-Newtonianfluidsisaninevitablefoundationfortheequipmentdesignandprocessoptimization.Inthisthesis,themotionandmasstransferofbubblesinnon-Newtonianfluidsw

7、erestudiedexperimentallyandcomputationally.Thespecificstudieswereincludedasfollows:Themotionofasinglebubblerisinginnon-Newtonianfluidswasinvestigatedexperimentallywiththeuseofahigh-speedcamera.Thebubble’aspectrat