松脂溶液中单个CO_2气泡上升动力学特性

【摘要】：气泡的尺寸、上升速度、运动轨迹和形状变化等是气液两相流行为的重要特性。研究气泡的特征参数及动力学特性,可为气液传质设备、化学反应器的设计和操作以及实现相关化学反应过程的有效控制提供重要依据。本文采用实时高速成像—MATLAB数字图像处理技术,对松脂溶液中单个二氧化碳气泡的上升动力学特性进行了研究,主要内容如下:为了获得清晰的气泡上升运动的图像序列,自主设计了一套可视化恒压恒温两相流场实验系统,包括气泡发生装置、温度和压力控制装置与图像采集系统。采用高速摄影法技术对25 ℃下静止松脂溶液中单个CO2气泡运动形态进行跟踪,对视频数据运用MATLAB数字图像编程处理。结合气泡运动特点,对图像的去噪、二值化、边缘检测、填充和气泡特征参数提取的算法编程等进行了讨论,提出了合适的数字图像处理算法,得到气泡的质心、上升速度、气泡直径、气泡纵横比等运动参数。考察了气泡尺寸对松脂溶液中单个气泡形变特点和规律的影响。结果表明,气泡直径d1mm时,气泡都能保持为球形;当d1 mm时,气泡逐渐由类似椭球形向不规则球帽形转变。黏度较小的溶液中,较大气泡的表面伴随有振荡形变,气泡的纵横比随上升高度表现出一定程度的波动;随着溶液黏度的增加,气泡纵横比的变化逐渐稳定,气泡形状为规则的椭球形。根据松脂溶液中单个CO2气泡的形变特点,将气泡纵横比(E)与无量纲参数奥特沃斯数(Eo)、韦伯数(We)、雷诺数(Re)等进行关联,提出了气泡纵横比的预测模型,且该模型预测值与实验值吻合良好。在数字图像处理的基础上,对连续运动气泡的质心坐标进行跟踪,得到气泡的上升轨迹和上升速度。结果表明:在低浓度溶液中,当直径d≤1 mm时,气泡沿着直线路径上升,当d1 mm时,气泡做之字形或螺旋形上升运动。随着溶液浓度的增加,气泡轨迹的左右振荡的振幅逐渐变弱,在较高黏度溶液中,气泡一直保持直线上升。气泡的上升速度与气泡尺寸和溶液浓度有关。气泡上升速度随着气泡尺寸的增大而增加,当达到速度最大值后,气泡速度随着气泡尺寸的进一步增加而缓慢下降。将实验所得气泡速度与文献中速度预测模型进行对比,发现Tomiyama等人的预测模型对气泡末速度的预测与实验结果最吻合,最大偏差小于7%。