气液两相流中气泡聚并和破裂行为的机理和模型

Bubble coalescence and breakup are basis of gas-liquid phase interaction, but the mechanisms are still unclear, which leads to the insufficient description of gas-liquid transportation formula, and hindering the development of gas-liquid fluid dynamics especially the computational fluid dynamics. This research comprehensively utilizes high speed photography, high speed volumetric PIV and numerical simulation to study the bubble collision, conjunction, coalescence and breakup behaviors in various fluids and flow conditions, exploring the mechanisms for relevant typical processes and building the corresponding mathematical models, aiming to the precise phase interaction model for gas-liquid transportation formula, promoting the development of multiphase fluid dynamics, finally providing the theoretical basis and technical support for the reasonable scale-up of gas-liquid reactors.

气泡的聚并和破裂行为是气液两相流相间作用的基础和主要表现形式，目前气泡的聚并和破裂等现象的机理尚未完全明确，无法正确描述气液两相体系输运方程，严重阻碍了气液两相流体力学特别是气液两相计算流体力学的发展。为此，本研究将结合高速摄像技术、高速体三维PIV技术和数值模拟方法，系统深入研究不同流体和流场内单个和多个气泡的碰撞、连接、聚并和破裂等行为，探索相关典型过程的机理并建立相应的数学模型，旨在为气液两相体系输运方程提供准确的相间作用模型，促进多相流流体力学的发展，为气液反应器的科学放大提供理论基础和技术支撑。

气液两相流是自然界和化工、食品、制药等过程工业中常见的现象和体系。本课题利用实验和数值模拟的方法对气液两相流中气泡的连接、聚并、破裂等典型行为进行了系统的研究。在黏性流体中，两个气泡可能会发生一种“亚稳”的连接状态，通过对发生头尾连接的两个气泡进行受力分析，建立可用于计算处于连接状态的两个气泡之间相互作用力的模型，并提出了连接型气泡在上升过程中所受各种力的来源。处于共轴线上升状态的两个气泡在黏性流体中运动时，会由于尺寸差异发生追赶现象，当尾气泡接触到头气泡之后，可能会发生直接聚并或连接聚并两种现象。利用计算流体力学的方法对液膜的形状、厚度等进行了数值模拟，得到了液膜厚度随时间变化的规律，并捕捉到液膜破裂而完成聚并的瞬间。对于连接聚并的现象，液相黏度的增大会提高聚并的概率，而若在液相中加入表面活性物质，则会降低聚并概率。通过对聚并中排液过程的分析，得到了排液时间的影响因素，以及可预测（稳定）连接时间的液膜破碎模型。对气泡在管射流中的破裂现象进行了实验研究和数值模拟。采用高速相机捕捉不同流场条件下的气泡破裂过程，并得气泡破裂的临界操作条件；采用PIV技术对射流场进行测量，结合气泡在射流场的运动特性，得到气泡在射流场中破裂的流场条件。采用VOF界面追踪和LES大涡湍流耦合的方法可对单个气泡在射流场中上升、偏移、形变和破裂的全过程进行准确的描述，结果表明气泡表面流体产生的湍流应力是气泡发生破裂的主要因素，当其值大于气泡的表面应力时，气泡会发生破裂，而采用自定义的无因次化Weber准数描述的气泡破碎临界条件为0.5。项目研究成果较为丰富，在课题的资助下共发表学术论文10篇，培养博士研究生1人，硕士研究生4人。