雙氣泡聚并的流體力學(xué)行為研究.pdf

1、氣泡之間的聚并行為能夠顯著改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣-液兩相界面，進(jìn)而深刻影響整個(gè)體系的特性，本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬方法，對(duì)高黏體系中共軸線(xiàn)上升的低雷諾數(shù)雙氣泡接近及聚并的全過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并重點(diǎn)對(duì)聚并過(guò)程中所形成的連接型氣泡的動(dòng)力學(xué)行為及其對(duì)聚并的影響進(jìn)行了深入分析。
　　本文采用高速攝影技術(shù)對(duì)六種實(shí)驗(yàn)體系（三種不同溫度的純甘油溶液、一種95％的甘油-水溶液及兩種加入了表面活性劑CDEA的甘油溶液）中當(dāng)量直徑De為6～10.5

2、mm的氣泡所形成的共軸線(xiàn)自由上升的雙氣泡體系的流體力學(xué)行為進(jìn)行了研究，液相莫頓數(shù)Mo為1.69～661.83，氣泡雷諾數(shù)Re范圍是0.190～2.998，涵蓋了氣泡生成、上升、碰撞、連接、液膜破碎實(shí)現(xiàn)聚并的全過(guò)程。研究中將連接聚并過(guò)程劃分為接觸階段、連接階段、排液階段三個(gè)階段，觀測(cè)雙氣泡在多種黏度和表面張力系數(shù)的粘性流體體系中的聚并行為以及聚并后的運(yùn)動(dòng)狀況，進(jìn)一步分析雙氣泡上升接觸過(guò)程中的速度和形變規(guī)律以及氣泡之間的相互作用規(guī)律，并對(duì)聚

3、并條件和聚并時(shí)間進(jìn)行討論。此外，對(duì)連接型氣泡的形成、形態(tài)、動(dòng)力學(xué)行為也進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明:連接型氣泡在排液階段以恒定外形做勻速上升運(yùn)動(dòng)直到發(fā)生聚并或滑移，不僅與單氣泡具有類(lèi)似的運(yùn)動(dòng)特征且能夠用以描述聚并瞬間的氣泡狀態(tài)。同時(shí)，分析得到了單氣泡和連接型氣泡各自最適合的曳力系數(shù)模型和上升速度模型，并用以計(jì)算連接型氣泡所受曳力和氣泡間的相互作用力。連接時(shí)間主要依賴(lài)于實(shí)驗(yàn)體系的黏度，而排液時(shí)間則呈現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性。隨著體系黏度的降低或表面

4、活性劑的逐漸加入氣泡聚并愈發(fā)困難而是傾向于滑移。
　　本文使用最小網(wǎng)格尺寸為50μm的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用VOF模型對(duì)等徑雙氣泡的直接聚并過(guò)程進(jìn)行了二維瞬態(tài)模擬，獲得雙氣泡的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和液膜厚度隨時(shí)間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，本文的模擬結(jié)果無(wú)論是雙氣泡的形態(tài)還是聚并各階段的氣泡動(dòng)力學(xué)行為均與實(shí)驗(yàn)拍攝記錄相符。對(duì)兩氣泡相互靠近過(guò)程中氣泡四周的特別是兩氣泡間的流場(chǎng)進(jìn)行了深入分析，此過(guò)程中，氣泡兩側(cè)由四個(gè)小漩渦造成的低速區(qū)域的范圍逐漸縮小，并與外