氣液兩相流中氣泡聚並和破裂行為的機理和模型

《氣液兩相流中氣泡聚並和破裂行為的機理和模型》是依託北京化工大學，由蔡子琦擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：氣液兩相流中氣泡聚並和破裂行為的機理和模型
• 依託單位：北京化工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：蔡子琦

項目摘要

氣泡的聚並和破裂行為是氣液兩相流相間作用的基礎和主要表現形式，目前氣泡的聚並和破裂等現象的機理尚未完全明確，無法正確描述氣液兩相體系輸運方程，嚴重阻礙了氣液兩相流體力學特別是氣液兩相計算流體力學的發展。為此，本研究將結合高速攝像技術、高速體三維PIV技術和數值模擬方法，系統深入研究不同流體和流場內單個和多個氣泡的碰撞、連線、聚並和破裂等行為，探索相關典型過程的機理並建立相應的數學模型，旨在為氣液兩相體系輸運方程提供準確的相間作用模型，促進多相流流體力學的發展，為氣液反應器的科學放大提供理論基礎和技術支撐。

結題摘要

氣液兩相流是自然界和化工、食品、製藥等過程工業中常見的現象和體系。本課題利用實驗和數值模擬的方法對氣液兩相流中氣泡的連線、聚並、破裂等典型行為進行了系統的研究。在黏性流體中，兩個氣泡可能會發生一種“亞穩”的連線狀態，通過對發生頭尾連線的兩個氣泡進行受力分析，建立可用於計算處於連線狀態的兩個氣泡之間相互作用力的模型，並提出了連線型氣泡在上升過程中所受各種力的來源。處於共軸線上升狀態的兩個氣泡在黏性流體中運動時，會由於尺寸差異發生追趕現象，當尾氣泡接觸到頭氣泡之後，可能會發生直接聚並或連線聚並兩種現象。利用計算流體力學的方法對液膜的形狀、厚度等進行了數值模擬，得到了液膜厚度隨時間變化的規律，並捕捉到液膜破裂而完成聚並的瞬間。對於連線聚並的現象，液相黏度的增大會提高聚並的機率，而若在液相中加入表面活性物質，則會降低聚並機率。通過對聚並中排液過程的分析，得到了排液時間的影響因素，以及可預測（穩定）連線時間的液膜破碎模型。對氣泡在管射流中的破裂現象進行了實驗研究和數值模擬。採用高速相機捕捉不同流場條件下的氣泡破裂過程，並得氣泡破裂的臨界操作條件；採用PIV技術對射流場進行測量，結合氣泡在射流場的運動特性，得到氣泡在射流場中破裂的流場條件。採用VOF界面追蹤和LES大渦湍流耦合的方法可對單個氣泡在射流場中上升、偏移、形變和破裂的全過程進行準確的描述，結果表明氣泡表面流體產生的湍流應力是氣泡發生破裂的主要因素，當其值大於氣泡的表面應力時，氣泡會發生破裂，而採用自定義的無因次化Weber準數描述的氣泡破碎臨界條件為0.5。項目研究成果較為豐富，在課題的資助下共發表學術論文10篇，培養博士研究生1人，碩士研究生4人。