垂直平板气液两相近壁气泡运动规律及其周围流场特性的研究

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1、分类号：O359.1密级：UDC：532编号：201321505007河北工业大学硕士学位论文垂直平板气液两相近壁气泡运动规律及其周围流场特性的研究论文作者：赵杰学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：化工过程机械指导教师：陈文义职称：教授孙姣讲师DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofChemicalProcessEquipmentRISINGBEHAVIOROFBUBBLESANDHYDRODYNAMICCHARACTERISTICSOFGAS-LIQUIDTWO-

2、PHASEFLOWNEARBYTHEVERTICALPLATEbyZhaoJieSupervisor:Prof.ChenWenyiLecturerSunJiaoMarch2016摘要在壁面附近的气液两相流动中，气泡运动的轨迹、大小和形状是影响气液两相流流动行为的重要参数，气泡运动方式会对液相的流动产生不同的影响。因此研究近壁面气液两相流中气泡的运动特性和液相的流体力学特性对理解近壁面气液两相流都有着重要的指导作用。本文对奥托沃斯数Eo=1.14-1.28，莫顿数Mo=5.422×10-4，气泡引发的流动雷诺数Re=181-191的气泡在垂直壁面附近运动特性和流场特征进

3、行研究。首先设计并搭建了一座近壁面气液两相流的实验平台。该平台具有可视化和可进行无干扰测量的优点。采用高速摄像机对气泡产生频率分别为f1=47Hz、f2=126Hz、f3=157Hz、f4=210Hz时，气泡自由上浮以及喷嘴与壁面之间距离分别为S1=1.5mm、S2=3mm、S3=4.5mm的16种气泡运动过程进行拍摄，并基于MATLAB数字图像处理工具箱，设计了一套合适的数字图像处理程序。该程序的主要功能包括图像预处理、图像二值化计算、气泡轮廓识别和气泡特征参数提取的功能，通过对大量实验数据样本分析，得出气泡的运动轨迹可表现为“之”字形运动、远离平板运动和靠近平板运

4、动。发现气泡在四种不同频率情况下，气泡在自由上浮时均为直线型运动，但喷嘴与平板之间的距离和气泡的喷射频率会共同导致不同形式的气泡运动。本实验中，当无量纲距离S*=1.2时，气泡做“之”字形运动，当S*增大时，低频气泡以直线方式运动并逐渐远离平板，高频气泡在经历不稳定阶段后以类直线方式逐渐靠近平板运动。通过PIV实验技术对气泡周围的液相进行测量，分析了液相的瞬时速度和平均速度场、雷诺应力和湍流强度。发现液相速度随着气泡的频率升高而升高，且垂直平板附近液相速度不再保持原辐射状分布的流动结构，当气泡做“之”字形运动时，液相呈现蛇形流动结构，其雷诺应力场呈圆团状结构。通过分析

5、湍流强度得知所有工况下气泡产生频率对沿壁面方向上的流强度影响并不明显，并且气泡做“之”字形运动时有利于液相在垂直壁面方向上的混合。关键字：气液两相流垂直平板PIV近壁面气泡IABSTRACTInthenearwallgas-liquidtwo-phaseflow,therearemanyimportantparameterssuchasbubbletrajectory,sizeandshape.Thedifferentbubbletrajectorieswillleadtodifferentflowstateoftheliquidphase.Consequently,

6、furtherinvestigationsregardingtomotioncharacteristicsofthebubbleandhydrodynamicsofliquidinthenearwallgas-liquidtwo-phaseflowcouldactasguidanceforsolvingmanypracticalengineeringproblems.Intheresearch,selectingbubblechainsintheglycerolaqueous,themainfeatureparametersareEötvösnumbersEo=1.1

7、4~1.28,MortonnumberMo=5.422X10-4andReynoldsnumberRe=181~191,whichbelongtoclassiccases.Thenear-wallbehaviorofbubblesandhydrodynamicsofliquidarethemainresearchcontents.Firstly,wedesignandbuildanexperimentalplatformbasedongas-liquidtwo-phaseflow,whichhassuchthesevirtuesasvisualiza