雙氣泡聚并的流體力學行為研究.pdf

1、氣泡之間的聚并行為能夠顯著改變流場結(jié)構(gòu)和氣-液兩相界面，進而深刻影響整個體系的特性，本文結(jié)合實驗研究和數(shù)值模擬方法，對高黏體系中共軸線上升的低雷諾數(shù)雙氣泡接近及聚并的全過程進行了系統(tǒng)的研究，并重點對聚并過程中所形成的連接型氣泡的動力學行為及其對聚并的影響進行了深入分析。
　　本文采用高速攝影技術(shù)對六種實驗體系（三種不同溫度的純甘油溶液、一種95％的甘油-水溶液及兩種加入了表面活性劑CDEA的甘油溶液）中當量直徑De為6～10.5

2、mm的氣泡所形成的共軸線自由上升的雙氣泡體系的流體力學行為進行了研究，液相莫頓數(shù)Mo為1.69～661.83，氣泡雷諾數(shù)Re范圍是0.190～2.998，涵蓋了氣泡生成、上升、碰撞、連接、液膜破碎實現(xiàn)聚并的全過程。研究中將連接聚并過程劃分為接觸階段、連接階段、排液階段三個階段，觀測雙氣泡在多種黏度和表面張力系數(shù)的粘性流體體系中的聚并行為以及聚并后的運動狀況，進一步分析雙氣泡上升接觸過程中的速度和形變規(guī)律以及氣泡之間的相互作用規(guī)律，并對聚

3、并條件和聚并時間進行討論。此外，對連接型氣泡的形成、形態(tài)、動力學行為也進行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明:連接型氣泡在排液階段以恒定外形做勻速上升運動直到發(fā)生聚并或滑移，不僅與單氣泡具有類似的運動特征且能夠用以描述聚并瞬間的氣泡狀態(tài)。同時，分析得到了單氣泡和連接型氣泡各自最適合的曳力系數(shù)模型和上升速度模型，并用以計算連接型氣泡所受曳力和氣泡間的相互作用力。連接時間主要依賴于實驗體系的黏度，而排液時間則呈現(xiàn)出較強的隨機性。隨著體系黏度的降低或表面

4、活性劑的逐漸加入氣泡聚并愈發(fā)困難而是傾向于滑移。
　　本文使用最小網(wǎng)格尺寸為50μm的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用VOF模型對等徑雙氣泡的直接聚并過程進行了二維瞬態(tài)模擬，獲得雙氣泡的流場結(jié)構(gòu)和液膜厚度隨時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明，本文的模擬結(jié)果無論是雙氣泡的形態(tài)還是聚并各階段的氣泡動力學行為均與實驗拍攝記錄相符。對兩氣泡相互靠近過程中氣泡四周的特別是兩氣泡間的流場進行了深入分析，此過程中，氣泡兩側(cè)由四個小漩渦造成的低速區(qū)域的范圍逐漸縮小，并與外