湍流条件下气泡或液滴的聚合机理研究

In turbulent multiphase flows (gas-liquid or liquid-liquid systems),the process of the coalescence of fluid particles(bubbles or drops) usually determines the dispersion characteristic of fluid particles, 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 coalescence mechanism of fluid particles in turbulent flows are still very lacking due to the complexity of the issue. This project proposes a new idea, that is, the method of wide-spectrum eddy interaction. Using this method, the project will study the kinetic dynamics of the interaction between fluid particles and the coalescence process, the overall constraints, and the mechanism of the turbulent eddies with different sizes contributing to the coalescence. The method of phenomenology, the theories of turbulence structure and statistics will be used to study the mechanism of coalescence. The relationship between the distribution of coalescence probability and the distribution of turbulent eddy kinetic energy will be discussed in depth. Finally, a mechanism model of coalescence frequency will be established. The successful execution of the project can propose a theoretical basis of the study on the process of coalescence, and can propose a theoretical support of the prediction of the size distribution of bubbles or drops and the distribution of volumetric fraction of dispersed phase when designing and optimizing the multiphase reactors.

多相湍流体系中（气-液或液-液体系等）流体流动时伴随发生的流体颗粒（气泡或液滴）的聚合过程通常决定了流体颗粒在流场中的分散状态、粒径分布和相间接触面积，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，迄今关于湍流条件下流体颗粒聚合机理的研究仍很缺乏。本项目提出宽谱涡漩作用的研究思路，从聚合发生的约束条件、聚合概率分布与湍流涡能分布之间的关系着手，运用现象学方法、湍流结构和统计理论来深入研究湍流条件下流体颗粒间的相互作用及聚合过程的动力学规律、聚合发生的总约束条件、不同尺度湍流涡对聚合的贡献机理，以构建流体颗粒的聚合频率模型。本项目可为聚合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。

湍流分散体系（如气-液、液-液等），广泛存在于石油化工、生物化工、环保、食品加工、制药和轻工等领域，在搅拌釜、撞击流反应器、气升式环流反应器、鼓泡塔等设备中经常遇到。反应器内流体流动时伴随发生的流体颗粒（以下简称流粒，气泡或液滴）的聚合（或称聚并）过程通常决定了流粒在流场中的分散状态、粒径分布和相界面积，对整个体系的传热、传质和反应性能有着重要影响。本项目运用现象学方法，结合湍流结构和统计理论，对湍流条件下流粒聚合过程的机理开展了深入研究。.首先运用高速摄像和图像统计分析方法，研究了两流粒碰撞、反弹与聚合过程，获得了两流粒碰撞概率、聚合概率与流粒尺寸、两流粒质心初始距离、初始靠近速度的相互影响规律。然后根据流体力学原理，对流粒所受作用力进行了分析，考虑了碰撞角的随机性，研究了多作用力存在下两流粒的靠近接触、液膜排液减薄过程，构建了流粒碰撞、接触和液膜排液减薄过程的总动力学模型；研究了两流粒发生反弹或聚合的总约束条件，提出了临界聚合速度的理论判据；基于宽谱涡旋作用，研究了不同尺寸湍流结构对流粒聚合的贡献机理。研究了流粒-流粒碰撞机制、流粒-湍流涡作用机制，提出了流粒聚合的单涡与双涡贡献机理。基于空间角概念，推导了微分碰撞概率，构建了流粒-流粒、流粒-湍流涡碰撞概率理论模型。依据临界聚合速度和碰撞角的关系，构建了流粒聚合频率理论模型。最后从理论上预测了两流粒碰撞的结果（反弹或聚合）、流粒累积尺寸分布，并将模型预测结果与实验数据进行了对照，验证了本项目的聚合机理模型。.本项目提出的流粒聚合机理模型为多相反应器的设计、模拟和优化提供了流体混合分散性能方面的理论预测依据。另外，本项目提出的湍流条件下流粒与湍流流体、流粒-流粒的碰撞概率与频率的建模方法被应用于快速反应体系中流体微观混合分散过程，并在丙烯氯化反应装置中得到了应用，产生了良好的经济效益和社会效应。