剪切流场中气泡特性及升力特性实验研究

论文摘要

气泡横向迁移运动是两相流中的基本现象,气泡横向迁移方向的改变会直接影响两相相分布及换热形式,因此理解气泡的横向迁移运动对两相流预测及如CCFL等关键两相现象具有重要意义。但目前对气泡横向迁移的研究仍不充分,气泡尺寸、流体物性及剪切流场强度对气泡横向迁移作用的影响尚不清晰。本文基于已有研究的不足,开展低粘水中气泡动力学特性及横向迁移特性实验,研究剪切流场中气泡特性和横向迁移特性。本文通过分析剪切流场中气泡特性变化规律及横向迁移特性变化规律,揭示气泡尺寸对横向迁移方向改变的机理及剪切流场强度的作用规律,从而建立预测气泡相间升力的关系式,本文的研究将有助于建立两相流精确模型及理解两相流基本过程,为两相现象的重要机理及关键设备的安全设计提供理论支撑。本文对剪切流场中气泡特性的研究主要包括:气泡形状、气泡曳力特性、气泡速度以及气泡振幅和频率。气泡形状是描述气泡形态特性的基本参数,气泡的形状对气泡速度、曳力特性及气泡振幅等都有影响。本文主要研究不同气泡尺寸在不同的剪切流场中纵横比变化特性。低粘水中气泡的纵横比在较小气泡尺寸下,迅速下降至较小值,最后随着气泡尺寸的增加缓慢降低。针对液滴及高粘流体中气泡纵横比的预测对水并不适用,且惯性力区间的气泡与表面张力区间的气泡有较大不同,本文根据实验结果分别提出了预测较大气泡和较小气泡的计算关系式。气泡曳力是由于气泡与液相相对运动所产生的界面力,剪切流场的增加并没有使气泡曳力显著增强,这是由于剪切流场的存在并没有显著改变两相的相对速度。Ishii和Chawla模型及Tomiyama模型对较小气泡的曳力系数都具有一定的预测性,而对较大气泡(d_e>10mm)预测都较差,Tomiyama对大气泡预测结果偏低,而Ishii和Chawla模型对大气泡预测值为常数,跟实验结果并不相符,本文根据Ishii和Chawla的模型,对其惯性力控制进行了修正,得到更为准确的曳力计算模型。气泡速度受较多因素的影响,本文依据实验结果,评估了现有的气泡终端速度模型,结果发现Tomiyama对水中气泡终端速度的预测最好,其模型考虑了气泡形状变化对气泡速度的影响。气泡振幅和频率主要来描述气泡振动,已有的研究中对气泡振幅和气泡频率的研究相对较少,本文根据惯性力和表面张力控制区气泡运动变化特性,提出了无量纲振幅和无量纲频率的预测关系式。气泡升力系数的影响因素较多,已有研究发现,当气泡尺寸较小时,气泡升力主要由雷诺数控制,而对雷诺数的具体作用规律,在目前的研究中并不统一。在水中,本文和Adoua(2009)研究结果类似,气泡升力系数随雷诺数的增加,先增加到最大值,随后开始减小。气泡的净迁移主要由剪切流场造成,而剪切流场强度对气泡的作用规律,目前也不清晰,本文发现当升力系数为负值时,升力系数随着剪切流场强度的增加而逐渐减小,且随着气泡尺寸的增加,剪切流场强度的作用逐渐减弱。而当升力系数为正时,已有的研究表明,升力系数是独立于剪切流场强度的常数。升力系数发生改变的原因,大部分学者认为主要是由于气泡尾流的作用,而本文发现,尾流对气泡的影响是先随着气泡尺寸的增加而逐渐增强,而当气泡尺寸较大时,尾流作用不再主导气泡运动。通过实验和对前人分析的结果,分别对表面张力控制区(1.5~7 mm)和惯性力控制区(7~20 mm)建立了升力系数关系式,得到了能较好预测本实验低粘水中气泡升力。通过实验和模型发现,在低粘水中,气泡升力系数方向发生改变的临界尺寸为3.3~3.6 mm,并随着剪切流场强度的增加,临界尺寸也会增加。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李松松

导师: 潘良明

关键词: 剪切流场,气泡升力,气泡动力学,横向迁移

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 重庆大学

分类号: O359

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.001210

总页数: 98

文件大小: 4082k

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