刊名:水动力学研究与进展
主办:中国船舶科学研究中心
ISSN:1001-6058
CN:31-1563/T
语言:中文
周期:双月刊
被引频次:9745
数据库收录:
CSCD中国科学引文库(2017-2018);期刊分类:水利建筑
0 引 言
因良好的传质和传热特性,泡状流广泛存在于工农业生产中,如化学反应工程、矿物浮选工程、雾化过程以及强化传热过程等。对于所有涉及泡状流动的工业过程,液相不可能一直处于绝对纯净状态。当液相含有某些微量污染物(如表面活性剂、电解质、蛋白质等)时,气液界面(气泡表面)便会受到一定的污染[1-16]。对于受污染的气泡界面,界面性质从法向无穿透边界变为无滑移边界,该变化极大地改变了气泡的界面性质、运动速度及其尾流特性,因而严重影响了气泡与周围流体间的传热和传质性能。因此,深入研究气泡界面污染程度对气泡界面和尾流特性的影响,对于改善和控制泡状流动的传质和传热性能具有重要意义。
为了理解界面受污染气泡的水动力学特性,国内外学者已开展了一些试验和数值研究。一些学者试验研究了受污染气泡的受力(阻力和升力)特征[2],受污染气液界面对气泡上浮轨迹、尾流和传质特性的影响[3],表面活性剂(及其结构)对气泡形状、上浮速度、阻力系数、聚合等动力学行为的影响[4-9],以及电解质和表面活性剂的同时加入对气泡上浮速度的影响[7]。也有一些学者基于停滞帽模型、流体体积法和前沿跟踪法数值研究了简单剪切流场内表面活性剂对气泡升力系数的影响[10]、受污染气泡对槽道湍流统计量的影响[11]、球形气泡界面污染程度对气泡尾涡特征的影响[12]、幂律流体内受污染球形气泡的动量传递特征[13]、表面活性剂对气泡传质性能的影响[14]。早期相关的研究见文献[15]和[16]。
尽管一些学者针对此课题开展了一定的研究,但鉴于问题的复杂性、以及污染物种类的多样性,尚无法给出相关物理现象的定量描述以及合理的机理解释,只能针对特定的污染物(如某种表面活性剂)给出一些定性的描述和解释。因此,为了进一步理解界面受污染气泡的水动力学特征,利用停滞帽模型详细研究了雷诺数和界面污染程度对气泡界面参数(切向速度、压力、切应力和涡量)及其整体运动特征(尾流和阻力系数)的影响。
1 计算方法
鉴于停滞帽模型具有良好的理论基础,且只需求解流动方程、不需求解扩散方程,能将复杂的问题给予简单化,因此本文采用停滞帽模型进行求解。
1.1 停滞帽模型
当气泡在受污染的液体(如含微量表面活性剂溶液)内上升运动时,由于扩散和吸附的作用,起初时刻表面活性剂会均匀地聚集在整个气泡界面。随着气泡的上浮运动,气泡上部界面的表面活性剂在对流的影响下逐渐向气泡尾部(即下部)界面聚集,并降低下部界面的流动性。气泡界面表面活性剂浓度的上低下高,使浓度低的上部界面继续以吸附过程为主,而浓度较高的下部界面则以解吸过程为主。另外,气泡界面表面活性剂浓度的不均匀分布,一方面会导致表面活性剂沿着气泡界面进行扩散;另一方面还会产生一个与对流作用反向的切应力(即马兰戈尼切应力),来进一步改变气泡界面表面活性剂的分布。当气泡界面的表面活性剂在吸附、对流、解吸、扩散和马兰戈尼效应的共同作用下达到动态平衡时,气泡界面可近似看作如图1所示的停滞帽模型。该模型将气泡表面分为2部分:一部分是几乎没有表面活性剂聚集的上部界面,即可滑移界面;另一部分是聚集有表面活性剂的下部界面,即不可滑移界面。
注:θ为帽角,其大小表示气泡界面的污染程度;α为方位角,表示气泡界面上任一点与气泡前部端点的夹角。下同。Note: θ is the cap angle that represents the contamination level of the bubble surface, and α is the azimuth angle that describes the range between any point and the front one on the bubble surface. Same as below.图1 停滞帽模型Fig.1 Stagnant cap mode
1.2 工况设置和物性参数
为了研究气泡界面污染程度对气泡水动力学特性的影响,将图2中气泡尾部无滑移界面所对应的帽角(θ)设为不同值,即θ=0、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°和180°。上部可滑移界面和下部不可滑移界面的计算边界条件设置如图2所示。由此,θ=0°表示气泡界面完全干净,整个界面均有滑移速度;θ=180°表示气泡界面被完全污染,此时界面性质与刚性小球相似,界面无滑移速度。当气泡雷诺数Reb>200时,污染物在气泡界面上的分布可能不再为二维特性[13];Reb<20时,气泡尾部无尾涡形成,流场较为简单[13];因此目前所研究的气泡雷诺数范围为20≤Reb≤200。气泡雷诺数(Reb=ρud/μ)的大小是通过调节液相来流速度u的值来实现的,而液相的热物性参数选用常温下水的数据,即密度ρ=998.2 kg/m3和动力黏度μ=1.003×10-3 Pa·s。
文章来源:《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0712/631.html
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