本文關(guān)鍵詞：鼓泡塔中氣泡群浮升運動實驗與模擬研究

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【摘要】：氣泡是鼓泡塔反應(yīng)器中的氣體存在的基本形式,其浮升運動驅(qū)動了反應(yīng)器中的兩相流動,對其運動規(guī)律的研究對鼓泡塔的流體動力學行為的認識和裝置設(shè)計具有重要意義。本文從實驗與模擬兩個方面對二維鼓泡塔內(nèi)的氣泡群的浮升運動進行理論研究,獲得了氣泡的運動參數(shù),討論了影響浮升運動的因素,考察了氣泡團聚現(xiàn)象,建立的相關(guān)數(shù)學模型為氣液鼓泡塔流體力學研究提供了新內(nèi)容。論文首先采用高速攝像法對低表觀氣速下鼓泡塔內(nèi)的氣泡群在流體中的浮升過程進行了測量。以純水、甘油/水二元體系、水/甘油/黃原膠三元體系為實驗體系,考察了不同牛頓流體、假塑性流體條件下氣泡浮升運動行為。實驗表明,氣泡群在牛頓流體和假塑性流體中的運動行為存在較大差異：在假塑性流體中出現(xiàn)了多個氣泡團聚浮升的現(xiàn)象,而在牛頓流體中氣體以分散的單氣泡浮升為主,沒有明顯的氣泡團聚的現(xiàn)象。在不同物系體系中,研究了氣含率、雷諾數(shù)、分布器孔徑和液體的黏度、冪律指數(shù)對氣泡大小、形狀、浮升速度、曳力系數(shù)及氣泡團聚的影響。結(jié)果表明：氣含率提高,氣泡曳力系數(shù)增大,浮升速度減少,氣泡變形增大；雷諾數(shù)提高,曳力系數(shù)減小,浮升速度變快；較小分布器孔徑,導致氣泡尺寸減少,浮升速度變慢；高液體黏度和低冪律指數(shù)使氣泡更容易團聚。采用單元胞模型和多氣泡繞流模型對牛頓和假塑性流體中的氣泡群浮升進行了模擬研究。提出了立方體構(gòu)型的單元模型,計算得到的氣泡群的浮升速度和曳力系數(shù)與實驗值吻合較好,表明該模型是模擬牛頓流體均勻鼓泡流氣泡群運動的有效手段。構(gòu)建了多氣泡繞流模型,對不同數(shù)目氣泡的團聚體進行了模擬。研究發(fā)現(xiàn)：氣泡團聚體中不同位置氣泡所受曳力不同,受氣泡遮擋作用,中心氣泡所受曳力較小,沿來流方向頂層氣泡所曳力高于底層氣泡；隨著氣泡間距增大,氣泡曳力系數(shù)增加,氣泡團聚使氣泡浮升阻力大幅降低；與牛頓流體比較,在假塑性流體中氣泡受到的曳力較小,氣泡間的橫向吸引力和排斥力較低,形成的氣泡團聚體更穩(wěn)定,模型探討了假塑性流體中引起氣泡團聚的原因,為氣泡團聚的機理研究提供了可行的模擬方法。
【關(guān)鍵詞】：鼓泡塔 氣泡群 高速攝像 單元胞模型 多氣泡繞流模型
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ053.5;TQ021.1
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 主要符號表9-12
• 1 引言12-14
• 2 文獻綜述14-30
• 2.1 鼓泡塔宏觀參數(shù)的測量14-18
• 2.1.1 流型劃分14-15
• 2.1.2 氣液鼓泡流測試技術(shù)15-16
• 2.1.3 氣含率16-17
• 2.1.4 液相速度17-18
• 2.2 氣泡動力學的研究18-24
• 2.2.1 氣泡的大小18-19
• 2.2.2 氣泡的形狀19-20
• 2.2.5 氣泡的浮升速度20-22
• 2.2.6 多氣泡動力學22-24
• 2.3 鼓泡塔流體力學模擬24-29
• 2.3.1 CFD簡介24-25
• 2.3.2 鼓泡塔氣液兩相流模型25-27
• 2.3.3 顆粒間相互影響的數(shù)值模擬27-29
• 2.4 本文工作思路與內(nèi)容安排29-30
• 3 氣泡群浮升的實驗研究30-48
• 3.1 實驗裝置30-32
• 3.2 實驗體系32-33
• 3.3 實驗步驟33-34
• 3.4 圖像處理34-35
• 3.5 牛頓流體實驗結(jié)果35-39
• 3.5.1 平均氣含率35-36
• 3.5.2 氣泡尺寸和形狀36-38
• 3.5.3 氣泡的曳力系數(shù)38-39
• 3.6 假塑性流體實驗結(jié)果39-46
• 3.6.1 氣泡團聚體的形成39-42
• 3.6.2 氣泡團聚體尺寸42-44
• 3.6.3 氣泡團聚體浮升速度44-46
• 3.7 本章小結(jié)46-48
• 4 氣泡群中氣泡運動的模擬48-58
• 4.1 單元胞模型的建立48-49
• 4.2 流體力學方程49-50
• 4.3 求解方法50-51
• 4.4 模擬結(jié)果51-53
• 4.4.1 典型模擬結(jié)果圖51-52
• 4.4.2 氣泡浮升速度52-53
• 4.5 氣泡的曳力系數(shù)53-57
• 4.6 本章小結(jié)57-58
• 5 氣泡群中氣泡團聚的模擬58-72
• 5.1 多氣泡繞流模型58-59
• 5.2 流體力學方程59-60
• 5.3 求解方法60-61
• 5.4 模擬結(jié)果61-70
• 5.4.1 典型模擬結(jié)果圖61-62
• 5.4.2 氣泡間距對氣泡的曳力系數(shù)影響62-65
• 5.4.3 氣泡團聚體的浮升速度和曳力系數(shù)分析65-67
• 5.4.4 氣泡受力分析67-70
• 5.5 本章小結(jié)70-72
• 6 結(jié)論與展望72-74
• 6.1 結(jié)論72-73
• 6.2 展望73-74
• 參考文獻74-80
• 作者簡介及在學期間所取得的科研成果80

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本文編號：1004330