屈服应力流体中单气泡运动行为与传质机理的研究

The motion behavior and mass transfer of bubbles in yield stress fluids are important in numerous industrial processes. In these processes, bubble swarms are often encountered, but the understanding of a single bubble hydrodynamics can provide important insights to understand the dynamics of bubble swarms. This research project focuses on the motion behavior and mass transfer of single bubble rising in yield stress fluids, and the specific researches are as follows: The motion behavior of bubble such as shape and terminal velocity are measured by high-speed camera, and the sequences of the recorded frames are analyzed using image analysis software. The effects of liquid rheological property and the operating conditions on bubble motion are studied, and the mathematical models for description of bubble shape and velocity are proposed respectively. The bubble volumn changes in mass transfer process are investigated by high speed camera, and then the mass transfer model of single bubble in yield-stress fluids is developed. The velocity field around single bubble rising in yield-stress fluids is in-time measured by Particle Image Velocimetry (PIV), and the regulations of flow field evolution in bubble rising process are investigated experimentally. Based on the convection-diffusion equation and yield-stress fluid's rheological model, the bubble motion and mass transfer are simulated numerically by use of Volume of Fluid (VOF) method, and its feasibility is verified by comparison with experimental data. The aim of the research is to provied theoretical basis for optimal designing of relevant industrial processes.

屈服应力流体中的气泡行为在许多工业过程中十分常见。在这些过程中，气泡多以气泡群形式存在，但是对单气泡的深入了解是正确认识气泡群流体力学的基础。本项目以屈服应力中的运动单气泡为对象，对其运动行为与传质机理进行基础科学研究。具体内容包括：采用高速摄像仪对气泡的形状、速度等运动行为进行实时观测和记录，并对图像进行数字处理，考察流体流变性质及操作条件等因素，建立描述气泡形状及速度的数学模型。利用高速摄像仪，对气泡传质过程中的体积变化进行了观测，建立屈服应力流体中气泡传质的理论模型。利用粒子图像测速仪（PIV）对气泡运动过程中周围液相的流场进行实时测定，探索气泡运动上升过程中的流场演化规律。利用高配置计算机，采用 VOF 方法，基于对流扩散方程和屈服应力流体的流变模型，对屈服应力流体中气泡运动及传质行为进行数值模拟，并与上述实验结果进行对比。本项目的研究可为相关工业过程的优化设计奠定一定的理论基础。

本项目对屈服应力流体中气泡运动及传质行为进行了研究，采用高速摄像仪对气泡的生成、形状、速度等运动行为进行了实验研究，采用VOF方法，基于对流扩散方程和屈服应力流体的流变模型，对屈服应力流体中气泡运动及传质行为进行数值模拟。本项目还针对剪切变稀型非牛顿流体中的气泡运动行为进行了研究，并与其在屈服应力流体中的运动行为进行了对比，研究得到的结论如下：.1.气泡的生成过程：气泡体积受流体性质的影响较小，但生成时间随粘度的增大而增大。气泡形状受流体流变性的影响较大，总体而言，气泡的长径比均随生成过程的进行而增大。对于屈服应力而言，单气泡形成过程大体上分为两个阶段，第一阶段，形状受表面张力控制，气泡在第一阶段主要呈现球形；第二阶段，浮力则占主导地位，气泡开始被被拉伸成倒泪滴形状，由于屈服应力流体的剪切变稀作用，与水中的气泡相比，卡波姆液中气泡形状较水中更细长。.2.屈服应力流体中气泡的形变，基于图像处理技术得到了上升气泡的横截面半径与纵横比。最终得到了气泡在不同浓度卡波姆溶液中形状的分布图。提出了一个可用于预测屈服应力流体中气泡形变的关系式。关系式的计算值与实验得出的结果吻合良好。 .3. 单气泡上升的轨迹与速度的研究，结果表明，气泡在高浓度卡波姆液中呈直线上升，而在低浓度卡波姆液中则呈现S形上升。考察了气泡尺寸、溶液浓度和离壁面距离对气泡最终速度的影响。提出了一个新的曳力系数关系式，与传统方程相比，该方程的重现性更好。 .4．气泡上升过程的数值模拟，在渗透理论和对流扩散方程的基础上推出气泡与周围流场间的传质方程，结果表明：屈服应力流体的屈服应力数或连续性指数增大，粘性加强，周围流场对称分布。当形变率小时，泡尾区的浓度分布看出像有一条尾巴，而当形变率较大时，气泡尾区浓度开始在两端聚集，随着气泡的上升，逐渐汇合到一起。 .本项目的研究可为涉及屈服应力流体中气泡运动行为的工业过程的优化设计奠定一定的理论基础。