气泡在液池中上升行为及其形态特性实验研究

论文摘要

气-液、气-固、液-固和气-液-固等多相流动现象广泛存在于工业过程及工业设备中,其中,气泡的流体动力学行为在这些多相流动过程中显得尤为突出,如气泡的生成、聚并融合和上升等行为特性均会对液相乃至固相产生剧烈扰动作用,极大地促进了相与相之间的相互作用,从而提高了传热传质效率。显然气泡的流体动力学行为是影响许多工艺和过程整体效率的关键因素之一。因此,对气泡行为特性开展研究显得具有重要的意义,而气泡在上升过程中的行为特性又是其中的重点和难点之一。为此,本文利用可视化实验方法,将气泡在液池中上升过程作为研究对象,并对比分析三种管口浸没方式下的气泡上升行为特性,并在此基础上实验观测和分析气泡在颗粒堆积层表面形成乃至上升的行为特性。首先,本文利用自行搭建的可视化实验平台,对气泡在纯水中的上升行为特性进行了可视化实验观测和分析。研究了常温常压条件下气泡刚脱离管口后和达到稳定状态时,管口浸没方式、管口直径（0.6mm、2.5mm和7.0mm）、气体流量和气泡上升高度对气泡上升形态、气泡上升速度、气泡运动轨迹和气泡脱离直径的影响。获得了气泡上升形态演变过程和气泡上升速度、气泡高宽比、气泡水平位移、水平速度和垂直速度随气泡上升高度的变化规律,不同运动轨迹下气泡上升速度随气体流量的变化规律、不同管径下气泡脱离直径随气体流量的变化规律以及在顶部浸没、底部浸没和侧部浸没三种管口浸没方式下气泡上升形态演变过程比较、气泡上升过程有序性对比分析和气泡上升行为特性比较。研究发现,顶部浸没方式下气泡形状演变过程较为平缓,用时108ms,而侧部和底部两种浸没方式下则其变化较为剧烈,分别用时63ms和90ms;顶部、侧部和底部三种浸没方式下气泡从有序上升到无序上升的转折点分别为0.2L/min、0.3L/min、0.1L/min,且在0.3L/min时,侧部浸没方式下,气泡上升混乱程度较大,另外两种方式下相邻两个气泡相互扰动影响呈周期性变化规律,且顶部浸没方式下周期变化最明显;气泡上升速度随时间的增大先急剧增大,然后减小并趋于平缓,且在底部浸没方式最大,侧部浸没方式次之,顶部浸没方式最小;气泡在稳定状态下呈直线形上升时,水平位移和水平速度同样呈现直线变化规律,顶部和侧部浸没方式下气泡垂直速度稍大于底部浸没方式;呈折线形和S形上升时,水平位移和水平速度呈现周期性变化规律,且水平位移最大值与最小值相差最大时（顶部浸没方式）,气泡垂直速度变化越平稳。其次,在以上实验的基础上,在纯水中加入固体颗粒,形成了固液两相。对气泡穿越固液两相液池在颗粒层表面的生成特性及上升形态演变过程进行可视化实验研究。研究了小流量、大流量、气体尾流、管口直径、气体流量、颗粒堆积高度、不同粒径范围的颗粒对气泡形态演变、气泡脱离直径和相邻气泡时间间隔的影响。获得了气泡在颗粒层表面的生成及上升形态演变过程及气泡脱离直径和相邻气泡时间间隔随气体流量、管口直径、颗粒堆积高度和不同粒径范围颗粒的变化规律以及纯水与固液两相液池中气泡特性的比较。研究发现,小流量下,气泡穿越150300μm颗粒上升在其表面生成时间最长,其次为1545μm颗粒,最短为15003000μm颗粒。大流量下,在150300μm颗粒中,当气体流量小于Q=0.6L/min（0.8m/s）时,单个气泡在做上升运动,当气体流量大于0.6L/min时,气泡脱离颗粒表面快速发生聚并融合的现象。颗粒堆积高度较低时,气泡尾流对气泡形状的影响较弱,而颗粒堆积高度较高时,气泡尾流对气泡形状和尺寸影响较大。相同流量下,气泡脱离直径随着堆积高度的增加随之增大,随粒径的增大呈现先增大后减小的变化规律。150300μm固液混合液池中气泡脱离直径比纯水中气泡脱离直径大。相同流量下,相邻气泡时间间隔随着管径的增大而增大,随堆积高度的增加而增大。在纯水中,气泡生成时间较快,相邻气泡时间间隔越短;在固液两相液池中,气泡生成时间会较慢,相邻气泡时间间隔较长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 气泡行为特性研究现状
•     1.2.1 气液两相流下气泡行为特性研究现状
•     1.2.2 气液固三相流下气泡行为特性研究现状
•   1.3 主要研究工作
•     1.3.1 研究目的及意义
•     1.3.2 研究内容及结构安排
•     1.3.3 研究技术路线
•     1.3.4 研究创新点
• 2 气泡在液池中上升行为特性实验平台搭建
•   2.1 实验系统组成
•   2.2 实验物理模型
•   2.3 实验材料
•   2.4 实验测量方法与数据提取
•   2.5 实验步骤
•   2.6 本章小结
• 3 不同管口浸没方式下气泡上升行为及其形态特性研究
•   3.1 顶部浸没方式下气泡上升行为特性
•     3.1.1 气泡脱离管口后上升行为特性
•     3.1.2 稳定状态下气泡上升行为特性
•   3.2 侧部浸没方式下气泡上升行为特性
•     3.2.1 气泡脱离管口后上升行为特性
•     3.2.2 稳定状态下气泡上升行为特性
•   3.3 底部浸没方式下气泡上升行为特性
•     3.3.1 气泡脱离管口后上升行为特性
•     3.3.2 稳定状态下气泡上升行为特性
•   3.4 三种管口浸没方式下气泡上升行为特性及其形态演变比较
•     3.4.1 不同管口浸没方式下气泡形态演变过程比较
•     3.4.2 气泡上升过程有序性对比分析
•     3.4.3 不同管口浸没方式下气泡上升行为特性比较
•   3.5 本章小结
• 4 气泡在颗粒堆积层表面生成特性及上升演变过程
•   4.1 气泡在颗粒堆积层表面上升形态演变过程
•     4.1.1 小流量下气泡在颗粒堆积层表面上升形态演变过程
•     4.1.2 大流量下气泡在颗粒堆积层表面上升形态演变过程
•     4.1.3 气泡尾流对气泡上升过程的影响
•   4.2 不同工况下气泡脱离直径的变化规律
•     4.2.1 不同管口直径下气泡脱离直径的变化规律
•     4.2.2 不同堆积高度下气泡脱离直径的变化规律
•     4.2.3 不同粒径范围下气泡脱离直径的变化规律比较
•     4.2.4 纯水和固液两相液池下气泡脱离直径变化规律比较
•   4.3 不同工况下相邻气泡时间间隔的变化规律
•     4.3.1 不同管口直径下相邻气泡时间间隔的变化规律
•     4.3.2 不同堆积高度下相邻气泡时间间隔的变化规律
•     4.3.3 不同粒径范围下相邻气泡时间间隔的变化规律比较
•     4.3.4 纯水和固液两相液池下相邻气泡时间间隔变化规律比较
•   4.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 马骏

导师: 吴晅

关键词: 固液两相,气泡,可视化实验,气泡尺寸,气泡速度

来源: 内蒙古科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 内蒙古科技大学

基金: 国家自然科学基金资助项目(No.51666015):气体穿越固液两相液池过程气泡动力学行为及其对颗粒运动分离影响机制

分类号: O359

DOI: 10.27724/d.cnki.gnmgk.2019.000326

总页数: 86

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