非牛顿流体中多泡聚并规律与传质研究及三维数值模拟

The interaction between multi-bubble generated from the nozzles in different arrangements is visualized and in-time recorded simultaneously through two high-speed cameras in two perpendicular angles respectively. The three-dimensional (3D) information of the coalescences between bubbles is obtained through digital processing of the images, and critical interval model of bubble coalescence is proposed. The 3D velocity field around bubbles in the bubble coalescence process is in-time measured by Particle Image Velocimetry (PIV), the regulations of flow field evolution and bubble coalescence in the bubbles rising process are investigated experimentally. On the basis of convection-diffusion equation and non-Newtonian fluid's rheological model, the 3D bubble coalescence and mass transfer of complex multi-bubble system are simulated numerically by use of Volume of Fluid (VOF) method and a super computer, and the coupling mechanism of bubble coalescence and mass transfer is developed. The concentration field and evolution near the interface on the liquid side around bubbles in the bubble coalescence process are measured by micro in-time laser holographic interferometer and dynamic four-picture laser holographic interferometer respectively in order to validate the reliability of the simulation results of mass transfer.

针对不同排列方式喷嘴产生的多个气泡，同时采用两台高速摄像仪，分别从两个相互垂直的角度对气泡相互作用进行实时观测和记录，并对图像进行数字处理，得到气泡聚并的三维信息，建立气泡临界聚并距离模型。利用粒子图像测速仪（PIV）对气泡聚并过程其周围三维流场进行实时测定，探索泡群上升过程中气泡聚并的流场演化规律和气泡聚并机理。利用超级计算机，采用VOF方法，基于对流扩散方程和非牛顿流体的流变模型，对非牛顿流体中复杂多泡系统的气泡聚并及传质行为进行三维数值模拟，提出气泡聚并及传质的耦合机理。利用显微实时激光全息干涉仪和动态四分幅激光全息干涉仪测量气泡聚并过程中周围液相侧近界面的浓度场及其变化，对传质的数值模拟结果进行实验验证。

在典型的气液接触设备如鼓泡塔和生化反应器中，气泡聚并、破裂和相互作用等行为影响设备的传热、传质和化学反应速率。深入开展不同排列方式喷嘴产生的多个气泡聚并规律及传质的研究十分必要。.利用高速摄像仪研究了非牛顿流体中在线气泡上升、聚并过程的速度演化规律以及最小聚并高度。基于牛顿第二定律和Schlichting的尾涡理论，提出了描述在线气泡聚并过程跟随气泡上升速度的理论模型。通过改变喷嘴直径、气体流量以及CMC水溶液浓度，考察了气泡尺寸、气泡生成频率和液相性质等因素对在线气泡最小聚并高度的影响。在对气泡受力分析的基础上，提出了在线气泡最小聚并高度的预测模型。.采用数值模拟方法对牛顿和非牛顿流体中多个气泡的生成、上升、聚并、破裂等动力学行为以及气液传质行为进行了研究。两个平行喷嘴生成气泡的行为可分为三种流型：生成过程中气泡发生聚并，气泡交错生成和气泡平行生成，并得到了三种流型间的转化线。研究了正三角形、菱形和正四边形排列的多气泡聚并和自由上升行为。结合聚并过程的流场结构分布，从液膜排干、相对接触速度和能量转化等多角度分析了气泡大小、间距、排列结构等因素对气泡聚并过程的影响，并提出了临界聚并距离预测式。通过模拟得到了平行气泡上升及聚并过程其周围的浓度场分布，并对浓度场结构及气液间的传质系数进行了分析。.采用鼓泡塔对Mg(OH)2/水浆料吸收SO2的传质过程进行了实验研究。考虑了湍流和气泡界面对传质的影响，基于表面更新理论，对气体吸收过程建立了数学模型，并进行了解析求解。考察了气相溶质分压、气相流率、气液界面浓度、扩散系数和表面更新率等因素对气液传质增强因子的影响。