湍流分散体系中流体颗粒的破裂和聚并动力学研究

湍流分散体系广泛存在于原子能、石油、机械、航空航海、食品、化学、环境和材料等领域中，其中伴随发生的流体颗粒（气泡或液滴）的破裂与聚并现象，决定了流体颗粒在流场中的尺寸分布和相界面积，并对分散体系的混合和传递性能有重要的影响。破裂研究方面，本项目提出对流体颗粒的变形体颈部进行受力分析，以深入探索颈部动压力对破裂的影响。聚并研究方面，本项目提出一个聚并动力学的建模思路，即从两流粒间的靠近过程和夹持液膜的排液减薄过程出发，结合流粒靠近速度与系统初始内部动能的关系，构建聚并发生的临界动能、临界初始靠近速度模型。然后，分别由湍流涡动能分布与临界动能的关系、湍流平均动能与平均初始系统动能的关系，构建两流粒的聚并概率和碰撞频率模型，以形成聚并速率理论模型。本项目可为湍流分散体系中流体颗粒的破裂和聚并动力学研究奠定理论基础，并可为湍流反应器的模拟与优化提供理论依据。

多相流反应器，如气液搅拌釜、鼓泡塔、撞击流反应器、萃取塔等，在化工、食品加工、制药、环境等领域中有着广泛应用。多相反应器中流体流动时伴随发生的流体颗粒 (气泡或液滴)的破裂与聚并现象通常决定了流体颗粒的尺寸分布、相界面积分布，对于多相体系的分散、混合性能有着重要影响。因此本项目围绕如何构建多相反应器中流体颗粒的破裂和聚并动力学理论模型，开展了深入研究。本项目首先探讨了湍流分散体系中流体颗粒发生破裂的机制，构建了流体颗粒破裂概率、破裂速率及子尺寸分布模型，并研究了湍流谱对于流体颗粒破裂速率和子尺寸分布的影响机制。然后对流体颗粒聚并过程进行了研究：运用数值计算方法对传统经典的液膜排液机理模型所用假设的合理性进行了分析，探讨了不同液膜排液机制及物性参数对液膜排液及流体颗粒聚并过程的影响；对计算发现的膜内回流现象产生的原因进行了分析；建立了液膜排液模型同流体颗粒靠近模型的耦合模型，运用该耦合模型预测了流体颗粒聚并所需的临界初始相对靠近速度；利用所确定的临界初始靠近速度，建立了两流体颗粒发生聚并的效率模型，然后结合湍流谱函数构建了两流体颗粒聚并速率模型。结合实验数据对构建的破裂和聚并机理模型进行了验证，模型的预测结果与破裂速率、尺寸分布等的实验数据吻合良好。