氣液兩相氣泡羽流結構特征分析

摘" " " 要： 氣泡羽流的流動特性對氣液傳質及工業應用至關重要。對牛頓流體和非牛頓流體體系中氣泡羽流運動特征進行綜合分析。結合氣液兩相流動理論，闡述了全混氣液體系水力學特性和羽流結構特征。分析全混氣液體系中不同氣相條件和液相性質下氣泡羽流特征。結果表明：隨著氣相表觀氣速的增加，氣液體系的水力學特性參數增加；隨著液相質量分數的增加，氣液體系水力學特性參數均降低。

關" 鍵" 詞：氣泡羽流；水力學特性；結構特征；非牛頓流體

中圖分類號：TQ021.1" " " 文獻標識碼： A" " " 文章編號： 1004-0935（2023）02-0166-04

氣泡羽流作為一種復雜的氣液兩相流，其流動行為影響氣相擴散以及氣液相間質量傳遞和混合過程。學者們利用理論分析、實驗研究以及數值模擬等方法對氣泡羽流運動行為等進行大量研究。LI[1]等基于擴散假設改進羽流積分模型，用于預測含氣泡羽流的流動特征。WANG[2]等建立了氣泡羽流整體特性與氣泡尺寸、進氣流量等參數之間的量化模型，用于預測羽流運動特性。HESSENKEMPER[3]等對氣液兩相羽流區的行為進行實驗研究，揭示了流場分布規律。BESAGNI[4]等利用實驗方法對氣泡羽流進行研究，發現曝氣反應器的結構參數對氣泡羽流運動行為影響顯著。MAHESH[5]等利用大渦模擬對混合裝置內氣泡羽流特性進行了數值模擬分析，研究揭示了氣液速度分布規律以及羽流擴散形態。HAN[6]等利用實驗研究了氣升式反應器中流體性質對氣泡羽流水力學特性的影響規律等。SIMIANO[7]等利用粒子圖像測速儀（PIV）和圖像處理技術得到氣液速度分布以及流體力學特征。LIU[8]等利用實驗手段研究了氣泡羽流的運動行為，揭示了氣泡羽流的振蕩特性。研究發現，影響氣泡羽流流動行為及特征的因素有曝氣速率[9-10]、曝氣結構、液相流變特性等[11]。液相的流變特性對氣泡形成及其運動過程具有顯著影響，從而導致氣泡羽流行為的改變[12]。為了得到最大的氣液傳質速率并且運行能耗最小，需系統分析不同液相流變特性下氣泡羽流行為以及結構特征，豐富并完善復雜流動環境中氣泡羽流流體動力學理論。

本文以牛頓和非牛頓氣液體系氣泡羽流為研究對象，利用曝氣充氧實驗分析全混氣液體系不同氣相條件和液相性質下氣液水力學特性和氣泡羽流運動行為，揭示氣泡羽流結構特征及其變化規律。

1" 實驗與方法

1.1" 實驗裝置和測試方法

圖1是實驗裝置示意圖，主要由有機玻璃水槽、氣泡發生裝置、圖像采集系統和溶解氧測試系統組成。根據實驗所用微孔曝氣器的技術參數（直徑D為92 mm）等設計有機玻璃水槽長×寬×高為0.3 m×0.3 m×0.6 m。通過氣泵（Atman-HP4000）供氣，利用氣體轉子流量計調節進氣流量，經水槽底部的微孔曝氣器進行曝氣，從而形成氣泡羽流。

1.2" 實驗材料與方法

1.2.1" 實驗材料與性質

實驗選用羧甲基纖維素鈉（CMC，分析純，阿拉丁試劑）水溶液，模擬非牛頓型廢水體系來建立流變特性對氣液流動與傳質性能影響的可視化分析實驗。以清水為介質的牛頓型流體作為對照參考，配置CMC水溶液的質量分數分別為0.3%、0.4%、0.5%和0.6%，其黏度范圍與污水的表觀黏度比較" 接近。

1.2.2" 實驗流程

在充氧實驗進行過程中，利用高速攝像機實時拍攝記錄氣泡羽流運動行為，并利用Image J軟件獲得不同工況下氣泡羽流寬度等特征參數。表觀氣速分別為4.18×10-3、8.35×10-3、1.25×10-2 、" "1.67×10-2 m·s-1。在不同液相體系和不同表觀氣速下進行上述實驗操作并記錄曝氣前后自由水面的液位差，計算并確定不同工況下氣液體系的全局氣含率的變化情況，進行3次測量求平均值來確定全局氣含率。

1.3" 氣液體系水力學參數和氣泡羽流特征參數

1.3.1" 氣含率

氣含率ε是曝氣過程中的一個重要參數，表示水槽中氣體占有體積。測定曝氣前后液位h1和h2，根據式（1）可求得氣含率ε。

1.3.2" 氣泡羽流寬度

根據羽流運動行為全局圖像，沿羽流中心軸η方向上選取4個長度（1D、2D、3D和4D）位置并沿垂直于中心軸方向測量對應位置的氣泡擴散寬度，如圖2所示。選取不同時刻的5副圖像測量羽流核心區寬度，計算羽流核心區寬度平均值。根據沿軸向羽流寬度的變化，得到擴散速率。

2" 結果與討論

2.1" 全混氣液體系氣泡羽流運動過程

圖3給出了表觀氣速ug=4.18×10-3 m·s-1下牛頓流體（清水）和非牛頓流體（質量分數0.3% CMC水溶液）體系中氣液兩相流動圖像。在清水中，氣泡分散性較好，氣泡多為橢圓形；與清水中相比，氣泡在CMC水溶液中聚集得更顯著。

2.2" 不同表觀氣速和不同液相體系下氣液水力學參數

圖4給出了清水和不同質量分數的CMC水溶液中全局氣含率隨表觀氣速的變化規律。在清水和CMC水溶液中，全局氣含率均隨表觀氣速的增加而增大。這是因為在同一液相中，表觀氣速的增加，使得液相中氣泡數增多，導致氣含率增大。而在同一表觀氣速下，清水中的全局氣含率明顯高于CMC水溶液中的全局氣含率，CMC水溶液中的全局氣含率隨CMC水溶液質量分數的增加而減小。

2.3" 不同表觀氣速和不同液相體系下氣泡羽流擴

散特性

圖5為不同表觀氣速下清水和CMC水溶液中的氣泡羽流核心區寬度沿高度方向的變化規律。清水中羽流核心區寬度沿著豎直高度z方向呈線性增加，而CMC水溶液中羽流核心區寬度沿著高度方向先降低再升高。隨著液相質量分數增加，羽流核心區寬度逐漸減小。原因是CMC水溶液中氣液相間相互作用顯著，黏性阻力增強，氣泡羽流更易聚集，導致氣泡羽流核心區寬度減小。

分析不同表觀氣速下清水和CMC水溶液中氣泡羽流核心區擴散情況，如圖6所示。清水中羽流擴散率明顯高于CMC水溶液中羽流擴散率，隨著CMC水溶液質量分數的增加，羽流擴散率逐漸減小。由于CMC水溶液中氣液相間相互作用以及液相黏性力等共同作用顯著，氣泡羽流擴散率顯著不同。隨著表觀氣速增加，擴散率增加。

3" 結 論

在實驗研究和理論分析的基礎上，分析了全混氣液體系下不同氣相條件和液相性質下氣泡羽流流動行為以及變化規律。隨著CMC水溶液質量分數增大，全局氣含率減小。隨著表觀氣速增加，全局氣含率均增加，羽流核心區寬度隨著CMC質量分數的增加而減小，非牛頓流體中羽流容易發生聚集現象；隨著表觀氣速的增加而增大，羽流擴散效果好。

參考文獻：

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Analysis on Gas-Liquid Two-phase Bubble Plume Structure

YANG Yu-jie， LIU Yi-nuo， LI Xin-yuan， CAI Jun-zhe， HAN Xin-feng， DONG Xin

（Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract：" The flow characteristics of bubble plume are very important for mass and momentum transfer between gas and liquid and industrial application. In this paper， the motion characteristics of bubble plume in Newtonian and non-Newtonian fluid systems were comprehensively analyzed. Combined with the theory of gas-liquid two-phase flow， the hydraulic characteristics and plume structure characteristics of fully mixed gas-liquid system were comprehensively expounded. The characteristics of bubble plume under different gas-phase conditions and liquid-phase properties in fully mixed gas-liquid system were analyzed. The results showed that， with the increase of apparent gas velocity， the hydraulic parameters of gas-liquid system increased; With the increase of liquid mass fraction， the hydraulic parameters of gas-liquid system decreased.

Key words：" Bubble plume; Hydraulic characteristics; Structural features; Non-Newtonian fluid