文丘里式气泡发生器的气泡流动碎化机理研究进展及潜在应用

文丘里式气泡发生器利用水力空化原理产生气泡,气泡进一步受流动剪切效应破碎生成微纳气泡,具有结构简单、效率高、能耗低等优点,在许多领域展现出应用潜力。文丘里式气泡发生器产生的气泡大小及分布对其应用场景有着至关重要的影响。对影响文丘里式气泡发生器产生气泡大小的因素进行了归纳,从实验和理论两方面阐述了气泡流动破碎机理,展望了文丘里式气泡发生器潜在的应用方向,并对目前限制文丘里式气泡发生器大规模工业化应用的原因及进一步碎化气泡的方式进行了讨论,为文丘里式气泡发生器的设计放大提供了参考。

文丘里式气泡发生器内气泡输运过程研究

利用可视化方法研究文丘里式气泡发生器内气泡的输运和破碎过程。实验以水和空气为工质,水流量范围为15～20m3/h,气流量范围为0.6～0.7L/min,空泡份额在0.2%～0.3%之间。结果表明：不同于常规通道,气泡在从文丘里管喉部流出后具有一个明显的减速过程,使得气液相对速度随之增加,该减速过程对气泡变形和破碎存在极大影响;水流量对气泡的破碎位置无明显影响,气泡破碎位置通常发生在渐扩段距喉部8～10mm左右的范围,处于壁面涡流区与主流的交界附近。

文丘里式气泡发生器渐扩段内单气泡输运过程研究

文丘里式气泡发生器渐扩段的流场结构、流动参数等对气泡制备性能起关键作用,因此,对具有矩形截面的文丘里通道渐扩段区域单气泡输运过程进行了可视化研究。分析发现,渐扩段气泡剧烈减速及变形过程对气泡最终的断裂和破碎起关键作用。气泡的减速过程虽只持续数ms时间,依然呈现加速减速和降速减缓两个明显阶段;气泡旋转过程呈现相似的变化规律。在液体流量2.4~6.9m^3/h范围内,对应最大旋转速度可达900~3000rad/s。气泡旋转过程持续时间较减速过程稍长,气泡最大旋转速度的位置出现在最大减速加速度位置的下游约2mm处;液体流量和气泡尺寸对气泡旋转和变形过程有明显影响,液体流量越大或气泡尺寸越小,气泡旋转过程越剧烈,且旋转速度在更短距离内达到最大值;增大液体流量在一定范围内加剧了气泡的拉伸变形。这些可视化研究结果,为进一步揭示文丘里气泡发生装置内气泡的碎化机制、完善数值分析模型、优化设计等提供参考和帮助。

文丘里式气泡发生器内气泡破碎机制分析

作为一种高效、安全的气泡发生装置,文丘里式气泡发生器在工业、化工等过程有广泛的应用,但对其内部气泡破碎过程和作用机制相关研究较少。前期研究发现,较大气泡进入文丘里管扩张段后会发生迅速减速,并对气泡碎化过程产生极大影响。基于大涡模拟方法,对文丘里式气泡发生器内的流动过程进行了数值模拟,发现在扩张段近壁面存在明显的涡流区,涡流区前端与上游来流发生强烈的碰撞,造成进入此区域的流体发生迅速减速,使得涡流区与主流交汇区附近静压急速增大;当此区域存在运动的气泡时,激增的压力梯度力以及附加质量力导致气泡运动速度迅速减小,并与周边流体形成了更强的相互作用;高流速条件下,会使气泡发生严重变形、甚至破碎。

文丘里气泡发生器内气液两相流流型及压降实验研究

针对一类文丘里气泡发生器内气液两相流动的流型及压降开展了实验研究。通过可视化实验观测区分了气泡发生器内3种基本流型,包括泡状流、弹状流和柱状流。实验发现,随着两相流从弹状流转变为柱状流,气泡发生器内压降迅速增大。通过对压力信号的时频分析,证明气泡发生器出口位置最有利于压力信号的在线监测。从压力信号中提取了与流型转变紧密相关的概率密度函数相对峰度和功率谱密度差异系数,并分别应用于弹状流-柱状流和泡状流-弹状流流型转变的识别。由于已有的压降模型无法准确预测文丘里气泡发生器的整体压降,为此本研究提出了新的压降预测方法。新关联式考虑了气泡发生器内部分单液相流过程以及流型转变对压降预测的影响,预测值与实验测量结果吻合较好,相对均方根偏差约为10.74%。