气泡群介尺度曳力的实验研究及基于介尺度理论的气-液两流体模型研究

Two-fluid model is commonly employed in gas-liquid bubbly flow in engineering practice, and one of the key issues that should be treated urgently is to set up a universal, fast and accurate two-fluid model. However, it is in dispute because the mesoscale behavior of bubble swarm has not been considered in the traditional two-fluid model. In this project, the photographic technique and the advanced digital image technology are combined; the slip velocities of bubble swarm are measured and its drag coefficients are determined. In addition, an anisotropic explicit algebraic stress model (EASM) for gas-liquid bubbly flow is established and verified, and the bubble induced turbulence is investigated through comparative numerical studies. After the drag force of bubble swarm, the EASM model and the bubble induced turbulence are confirmed, a new two-fluid model, which is based on the point of mesoscale is set up, solved and verified. The developed models will be used to reveal the effect and the mechanism of mesoscale, and this is very helpful to resolve the problem of two-fluid model in the CFD fields.

气-液两流体模型是工程应用最广泛的数学模型，建立通用性强、“快而准”的两流体模型是现阶段亟待解决的关键问题之一。由于传统两流体模型没有考虑气泡群的介尺度行为，其数学模型具有一定的争议。本项目通过将拍照法与先进图形数字解析技术相结合，实验研究气泡群的介尺度曳力系数；将CFD模拟与实验相结合，在固定气泡直径的情况下，建立适于气-液体系的、各向异性的显式代数应力模型（EASM），系统性地考察介尺度相间作用力模型、EASM模型和气泡导致的介尺度湍动等各个因素的影响，从而建立、求解和验证以介尺度理论为基础的两流体模型，揭示介尺度作用机理，有利于从根本上解决气-液两相流的建模问题。

本项目围绕以介尺度理论为基础建立两流体模型，将CFD模拟与先进实验技术相结合，建立气泡群的介尺度曳力系数模型和适合气液的各向异性、显式代数应力模型（EASM）。项目进展比较顺利，均取得了较大的进展，主要成果如下：.1）、提出了重叠气泡群数字识别新方法。在图像预处理方面，发展了传染算法，可防止常规方法二值化时气泡边缘不闭合问题。在重叠气泡群的识别方面，提出了关键点、连接点无参数检测的新方法；提出了对同一气泡不同线段的合并采用全局残差最小的新方法；开发出了通用性较好的椭圆形气泡群识别处理软件。.2）、建立了气液显示代数应力模型。发展了适用于气液两相流的EASM模型；研究发现大部分区域气泡的湍动要大于液体的湍动，该结论与实验一致但是常规模型无法得到的结果。.3）、实验确定了气泡群与单气泡曳力系数的关系。实验证明了在极低气含率下成串气泡上升速度比单气泡上升速度要快；发现气含率（<20%）增加，气泡群的滑移速度比单气泡先快后慢，即与单气泡曳力系数相比，气泡群曳力系数随气含率增加先减小后增大，且高气含率下非单调增加。.4）、建立了工业气体分布器的初始气泡直径预测模型。研究了孔径、表面张力、流体粘度、出孔气速（即介尺度影响）对气体分布器气泡初值直径的影响并建立了预测模型。.5）、将介尺度效应应用于反应器设计。研究了内环流反应器的顶部间隙对气泡群流动、气含率和传质的影响，澄清了一个长达二十多年的争论；利用介尺度效应解释了水力旋流器颗粒粒级效应的“鱼钩效应”；利用介尺度理论，进行了浆态床反应器反应与分离的过程强化研究。.发表重要期刊论文9篇；国际会议论文1篇、国内会议论文1篇；授权国内发明专利和实用新型专利各1项；授权软件著作权5项；申请国际PCT发明专利1项，还申请有7项国内发明专利；还有4篇SCI论文在审稿，部分成果在整理；培养研究生3名。本项目是多相流领域重要理论和应用的创新，可为气液反应器的设计和应用提供重要理论和应用指导。