Воробьев М.А.
Характерные режимы отрыва пузырька от одиночного капилляра в потоке жидкости
При движении двухфазных газожидкостных смесей в трубах и каналах в зависимости от расходов фаз, геометрии канала и направления потока возни-кают различные режимы течения. Одним из наиболее интересных и практически важных является пузырьковый режим, когда газовая фаза присутствует в потоке в виде отдельных пузырей достаточно малого размера.
Спектр применения пузырьковых газожидкостных смесей весьма широк. Исследование пузырьковых течений актуально для таких областей, как химическая и атомная промышленность, металлургия, оксигенация и отчистка воды, материаловедение и пищевая индустрия. Известно, что существенное влияние на тепло- и массообменные процессы в пузырьковом потоке оказывает не только объемное газосодержание, но и размер газовых включений. Наиболее ярко эффекты проявляются в монодисперсной смеси. Таким образом, существует возможность управления процессами переноса в энергетических установках, путем изменения размеров пузырей вводимых в поток. Но для этого необходимо понимание процессов происходящих при формировании пузыря в потоке жидкости.
Целью данной работы является проведение систематического экспериментального исследования влияния расходных параметров жидкости и газа на процесс отрыва пузыря от одиночного капилляра в опускном потоке жидкости с разными физическими свойствами.
Экспериментальная установка представляла собой замкнутый по жидкости контур. Рабочая жидкость при помощи центробежного насоса из бака подавалась в прозрачный вертикальный канал представляющим собой стеклянную трубу с внутренним диаметром 15 мм и длиной 800 мм. В центральной части канала в стенку вставлен горизонтальный капилляр из нержавеющей стали, через который в поток жидкости вводился газ (атмосферный воздух). В процессе эксперимента использовались два капилляра с внутренними диаметрами 0.5 и 0.16 мм. Рабочий торец капилляра был аккуратно зашлифован. Ввод газа осуществлялся при помощи контроллера Bronkhorst, обеспечивающего расход газа в диапазоне 0.033–1.67 мл/c. Расход жидкости контролировался посредством ротаметра. Для исследования влияния физических свойств жидкости на отрыв пузыря температура рабочей жидкости (глицерина) изменялась в диапазоне от 70°С до 90°С, что соответствует вязкостям от 0.059 до 0.021 Па∙с. При помощи видеокамеры были получены теневые изображения течения. С использованием программного пакета Matlab проведена обработка видеоизображений процесса отрыва пузыря в потоке жидкости.
В процессе эксперимента были получены зависимости среднего диаметра пузырей от расхода газа, а так же от скорости и температуры жидкости. Показано, что в режимах течения соответствующих одиночному отрыву пузыря уменьшение скорости и температуры жидкости приводит к увеличению размера пузырей. Получены данные о наиболее характерных режимах формирования пузырьковой смеси, отличающихся как размером газовых включений и распре-делением по размерам, так и пространственной структурой течения. Показано, что коалесценция пузырей вблизи капилляра является процессом определяющим вид распределения пузырей по размерам в потоке. Показано, что при истечении газа из более тонкого капилляра переход от режима одиночного отрыва к режиму с коалесценцией происходит при существенно меньших расходах газа. Найдены режимы формирования пузырьковых течений наиболее пригодные для создания как монодисперсных, так и бидисперсных газожидкостных смесей. Так же была разработана модель, предсказывающая итоговый размер пузыря в потоке в зависимости от расходов фаз, учитывающая процесс коалесценции, и хорошо согласующаяся с экспериментальными данными.
К списку докладов