微气泡（群）生成的介尺度机理及工业微气泡发生器科学基础

Microbubbles can indensify gas-liquid mass transfer processes in petrochemical, chemical, metallurgical, environmental and biochemical fields. All of the existing microbubble generation methods is unable to solve the problem of high energy consumption and low production of microbubble generation, and the meso-scale structure andcomplex fluids interactionin the process of micro-bubble (group) generation is not focused. In this project, the microphotography and PTV (particle tracking velocimetry) experimental measurement methods, supplemented by numerical simulation (LES （Large eddy simulation）coupled with Level set method) and the fluid mechanics analysis method, are used to explore the generation mechanisms of micro-bubbles shear turbulence field. Energy consumption of various generation methods was evaluated based on the minimum thermodynamic power produced by single microbubble generation. Then the optimal microbubble generating condictions were also determined. By the design or combination of various shear field, a new microbubble generating method and apparatus with lower power consumption and large generating microbubble flow were obtained. After the study on amplification of this new generation method, the scientific basis for industrial engineering microbubble generators would be established.

微气泡能够有效强化化工、石化、环境和生化等领域中的气-液传质过程。现有的研究无力解决微气泡技术能耗高、产量低的问题，对微气泡（群）生成过程中复杂流体介尺度结构和不同尺度气泡间作用关注不够。本项目针对流体剪切型微气泡生成方式，采用显微照相和PTV(particle tracking velocimetry)实验测量方法，辅以单元胞方法、LES（Large eddy simulation）耦合Level set method数值模拟和流体力学理论分析方法，探索微气泡（群）在流体剪切场中产生介尺度机理与微气泡群输运及向目标反应器分散模型，并以单个微气泡产生的最小热力学功为基准评价各种产生方法的能耗比，确定最优的生成方法和流体力学条件，通过流场设计或组合的方式设计新的低能耗、大流量微气泡生成方法和装置，并开展新生成方法的工程放大研究，最终形成工业微气泡发生器设计基础。

在过程工业中，当有气相参与反应时气-液传质往往是过程控制步骤，一次通过转化率低导致大量过量气体压缩再循环需要消耗大量能量。从介观尺度分析，反应器内气泡尺寸过大，导致气-液传质界面积小、气相停留时间短、气相一次通过转化率低。.主要研究微气泡产生机理；微气泡产生与操作条件的定量关系；微气泡发生装置放大方法；微气泡强化气液传质过程的规律。侵入式照相在线多相测量仪；颗粒图像自动识别处理软件；多相流颗粒粒度、浓度和速度等非均相特性测量方法；气、固两个分散相信号独立识别，气液固三相反应器准确测量。.本项目获得了微气泡产生机理、实验测量和数值模拟研制了文丘里管微气泡发生装置，获得了微气泡产生与液速和气速等操作条件的定量关系，并掌握了文丘里管微气泡发生装置放大方法，总结了微气泡强化气液反应器中气液传质过程的规律。所设计微气泡发生装置功耗低，气体通量更大且可控等显著优点，已具备工业化应用的基础。另外，已正在将本项目研制的微气泡发生器应用在气液固三相微生物细菌浸矿过程中气液过程的强化，发现细菌的培养效率得到了显著的提高。在线多相测量仪采用最直观的照相方法，在线获得颗粒或颗粒群运动的照片或视频，通过专业的图象处理软件对目标颗粒进行抓取，结合相应的颗粒性质统计方法即可获得各种颗粒时空非均相特性及其分布。与非侵入式照相相比，侵入式照相技术分辨率可提高1~2个量级；测量时直接将照相探头伸入反应器，因此不要求反应器透明或安装有视窗；同时，由于光路上不存在颗粒干扰，侵入式照相探头最大可测相含率范围要比非侵入式照相大得多。.微气泡反应器涉及微尺度的微气泡和耗散涡团、介尺度的微气泡群、大尺度的反应器。微气泡生成是大气泡在微尺度流体涡团剪切作用下，经过多次连续破碎过程生成数个微尺度的微气泡，而多个大气泡连续的破碎生成介观尺度的微气泡群，具有巨大界面积的介尺度微气泡群的积分效应表现为有效强化大尺度反应器内的气-液传质过程。