各向异性湍流分散体系中气泡或液滴的破裂机理研究

In anisotropic turbulent dispersions such as gas-liquid stirred flows and inhomogeneous bubbly flows, the breakup process of fluid particles (bubbles or droplets) usually determines the dispersion of fluid particles in the flow field, the size distribution and the interfacial area. Thus, it plays a crucial role in the processes of mass transfer, heat transfer and chemical reaction. However, the investigations of the breakup mechanism of fluid particles in anisotropic turbulent dispersions are still very lacking. This project proposes a new idea, that is, the method of wide-spectrum-eddy interaction. This project will study the characteristics of anisotropic and multi-scale distribution of the structure of two-phase turbulent flows. The relationship between the structures of eddies including the predominant region of anisotropic turbulent fluctuations and the process of deformation and breakup of fluid particles will also be studied. The mechanisms of the effect of fluid particles on the turbulence of surrounding liquid and the contribution of turbulent eddies to the breakup and the overall constraint of breakup will be studied. With the consideration of multiple interaction forces, the models of breakup frequency and daughter size distribution will be developed for the anisotropic turbulent dispersions. The successful execution of the project can provide a theoretical basis of the study on the process of breakup, and can provide a theoretical support of the prediction of the size distribution of bubbles or droplets and the distribution of volumetric fraction of dispersed phase for the design and optimization of multiphase reactors.

各向异性湍流分散体系中（如气液搅拌湍流、非均匀鼓泡流等）流体颗粒（气泡或液滴）的破裂过程通常决定了流体颗粒在流场中的分散状态、尺寸分布，对整个体系的传热、传质和反应性能有着重要影响。但由于过程的复杂性，迄今关于各向异性湍流分散体系中流体颗粒破裂机理的研究仍很缺乏。本项目提出宽谱涡旋作用的研究思路，从涡旋与流粒的接触与输运过程出发，通过探索多作用力存在下的流粒-液相湍流结构的各向异性、多尺度宽谱分布规律以及各向异性湍流脉动的主控涡区分布特性，深入研究不同尺度湍流涡对破裂的贡献机理以及流体颗粒破裂的总约束条件，以构建各向异性湍流分散体系中流体颗粒的破裂频率和子流体颗粒尺寸分布模型。本项目可为破裂过程的研究奠定理论基础，并可为多相反应器的设计、放大以及生产装置的优化提供气泡或液滴的尺寸分布、分相含率分布方面的理论依据。

流体颗粒（气泡或液滴）的破裂过程广泛存在于搅拌釜、鼓泡床、萃取塔、精馏塔、撞击流反应器、气升式环流反应器、喷射流混合反应器等单元设备内的流体流动中。如何深入认识湍流条件下特别是各向异性湍流影响下的流体颗粒的破裂机理并构建出相应的理论模型，一直是化学过程工业中的共性关键难题之一。.本项目运用湍流结构和统计学理论，结合实验测量、数值模拟和现象学建模方法，对各向异性湍流分散体系（气-液或液-液搅拌湍流）中流体颗粒破裂过程的机理开展了深入研究。首先运用实验方法观测了搅拌湍流作用下气泡或液滴的变形及破裂过程，获得了流体颗粒变形特性、破裂时间与破裂概率等与流体颗粒尺寸、湍流条件的相互影响规律，并分析了流体颗粒发生破裂的可能机制。然后根据质量、动量守恒定律和流体力学原理，引入各向异性曳力系数，考虑曳力、虚拟质量力、浮力、表面张力等作用力，构建了考虑相界面处相对速度以及相界面运动的两相湍动输运模型，探究了湍流涡速度和碰撞角等对流体颗粒破裂过程的影响规律。进而研究了各向同性湍流理论框架下不同二阶结构函数的数学模型及其对破裂过程的影响，给出了各向异性影响下的湍流能谱密度分布函数修正形式。接着，本项目基于宽谱涡旋作用，考虑涡流作用对流体颗粒表面变形的影响，分析湍流条件下（涵盖各向异性特性的大尺度含能涡区、各向同性特征的惯性子区和粘性耗散子区的全能谱区域）流体颗粒发生破裂的总约束条件（临界条件），发展了具有一般化形式的多元破裂模型（即与通用湍流能谱密度分布函数的相关形式）。最后，本项目提出了流体颗粒间的碰撞作用机制模型，获得了碰撞速度、流体颗粒尺寸等对表面变形和反弹等过程的影响机制。.本项目提出的流体颗粒破裂理论模型可为湍流条件下多相（如气-液、液-液、气-液-液等）反应器的设计、模拟优化与工业放大提供分散、混合性能方面（尺寸分布、分散相含率分布、相界面积分布）的关键理论依据。