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垂直上升管中气泡动力学特性实验研究

刘柳  
【摘要】:在气液两相流中,气泡的大小、形状、运动轨迹以及气液两相之间的相互作用是影响两相流动行为的重要参数。因此,全面深入地研究气液两相流中气泡动力学特性对解决许多实际工程中的问题具有一定的指导作用。本研究以蒸馏水、自来水和甘油水溶液中单个气泡为研究对象,采用高速摄影技术并结合数字图像处理算法提取气泡特征参数,进而对气泡的动力学特性进行研究,主要完成的工作和得出的结论如下: (1)搭建了一套可视化两相流场实验测试平台,提出了合适的数字图像处理算法,该算法主要包括图像预处理、图像二值化、图像填充、图像边缘检测和气泡特征参数提取,并基于MATLAB数字图像处理工具箱,成功提取了数字图像中气泡的特征参数。 (2)在水中,气泡的运动轨迹与气泡直径、喷嘴内径和气泡形状密切相关;当气泡直径较小时,气泡为球形并保持直线上升,气泡直径较大时,气泡发生变形,运动轨迹转变为之字形、螺旋形或杂乱型;气泡呈之字形或螺旋形上升时,气泡的运动速度和纵横比出现周期振荡,且两者之间呈反函数关系。在甘油水溶液中,气泡的运动轨迹为直线,气泡脱离喷嘴后形状迅速稳定,不发生振荡。 (3)在低粘度的水中,气泡的形状主要受惯性力和表面张力控制,粘性力的影响较小,当气泡直径较大时,还需考虑重力对气泡形状的影响;在高粘度的甘油水溶液中,气泡的形状主要受粘性力、表面张力和惯性力控制。 (4)在水中,气泡的终速度与气泡直径、喷嘴内径和纵横比有关。气泡直径一定时,纵横比越小,终速度越大。气泡终速度与气泡直径或对应的无量纲参数之间呈S状分布,气泡终速度共分为三个区域:粘性力控制区域、表面张力控制区域和惯性力控制区域。 (5)甘油水溶液中CD与Re和We之间的关系式为:CD=23.4911Re-0.6668We-0.1531;蒸馏水和自来水中CD与EO,Re和We之间的关系式为:CD=max(14.7825Re-0.6254,min(0.755Eo0.6076,2.0638We0.0983)) (6) Tomiyama的预测模型对水中气泡终速度的预测与实验结果最吻合,Ishii和Chawla的预测模型次之;Tomiyama的预测模型不适合预测高粘度甘油水溶液中气泡的终速度,而Ishii和Chawla的预测模型在高粘度流体中同样适用。


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