氣泡羽流擺動特性及附壁效應(yīng)研究

程以炫, 董恒瑞, 閆睿奎, 危 衛(wèi)

(1. 武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 湖北 武漢 430063; 2. 中交廣州航道局有限公司, 廣東 廣州 510220)

1 前 言

氣泡羽流是一種常見的兩相流動，廣泛應(yīng)用于化工和冶金工業(yè)等領(lǐng)域[1]。氣液反應(yīng)器在化工領(lǐng)域一直被重視和研究[2-3]，氣泡柱發(fā)生器需要快速、有效地產(chǎn)生均勻大小氣泡。曝氣池內(nèi)需讓氧氣均勻分布被充分吸收，從而更好地處理污水、改變水質(zhì)[4]。 膜生物反應(yīng)器中需提高氣含率使得氣體被微生物吸收利用[5]。在氣隙式膜蒸餾工藝中需氣液兩相混合均一，提高傳質(zhì)效率[6]。但都存在一個共同的問題，氣流在上升中會傾斜發(fā)生附壁效應(yīng)，這是工程實踐需要盡量避免的。

已有文獻表明，氣泡羽流會因附壁效應(yīng)使得氣泡流偏向某側(cè)壁面甚至貼著壁面流動[7～9]。曲徑[10]通過改變曝氣量、曝氣位置和液體性質(zhì)等條件，利用攝影技術(shù)觀察氣泡羽流的形態(tài)，得出附壁效應(yīng)的存在減輕羽流震蕩。馬霞等[11]采用雙歐拉法模擬矩形體積內(nèi)的流動特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)縱橫比為1.0 時，氣泡羽流流動平穩(wěn)；當(dāng)縱橫比為2.25 和3.0 時，氣泡羽流的穩(wěn)定性變差。王海博等[12]采用流體體積函數(shù)(volume of fluid，VOF)方法模擬1 mm 曝氣孔徑下曝氣強度對反應(yīng)器內(nèi)流場特性的影響，氣泡脫離孔口呈現(xiàn)裙?fàn)钚?skirted shape)上升。徐禮嘉等[13]采用湍流模型對鼓泡塔進行非穩(wěn)態(tài)模擬，觀測到氣泡羽流的震蕩行為，這是由于模型的低雷諾特性導(dǎo)致。王蒙等[14]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流域形狀的高度增加時，氣泡羽流的震蕩頻率和運動分布會導(dǎo)致氣泡的結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定。……