基于破碎與融合效應(yīng)的彈狀流理論建模

汪志能, 賓光富, 馮 淦, 潘 陽

基于破碎與融合效應(yīng)的彈狀流理論建模

汪志能1, 賓光富1, 馮 淦2, 潘 陽3

(1. 湖南科技大學(xué) 機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 湘潭 411201;2. 四川大學(xué)水利水電學(xué)院, 四川 成都 610065; 3. 湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201)

針對現(xiàn)有彈狀流理論模型忽略氣泡破碎與融合效應(yīng)而無法準(zhǔn)確預(yù)測水動(dòng)力學(xué)特性難題，建立基于破碎與融合效應(yīng)的彈狀流理論模型。分析泰勒氣泡湍動(dòng)能和表面張力能，推導(dǎo)泰勒氣泡破碎的理論公式。基于氣相質(zhì)量守恒，提出氣泡融合理論模型，結(jié)合破碎公式、融合模型以及經(jīng)典的彈狀流理論，形成了考慮氣泡破碎與融合效應(yīng)的彈狀流理論模型。搭建彈狀流實(shí)驗(yàn)裝置，基于高速攝影法測量泰勒氣泡速度，對比研究新建理論模型、傳統(tǒng)模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合度。結(jié)果表明：新建模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性好，誤差范圍為12%，較經(jīng)典理論模型提高了7%。證明考慮氣泡融合與破碎效應(yīng)的新建模型較現(xiàn)有理論模型更合理。

彈狀流；理論建模；氣泡破碎；氣泡融合

1 前 言

工業(yè)生產(chǎn)的許多關(guān)鍵技術(shù)都涉及彈狀流理論，如化工攪拌器的氣液傳質(zhì)、石油和天然氣高效混輸以及廢水處理中的氣力提升問題[1-2]。彈狀流模型的精確性已成為解決這些技術(shù)難題的關(guān)鍵[3-4]。

在彈狀流中，氣相在運(yùn)動(dòng)過程中不斷發(fā)生脫落與融合。這種邊破碎、邊融合的復(fù)雜水動(dòng)力學(xué)特性給工業(yè)裝備的設(shè)計(jì)與控制帶來了極大的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外研究者提出了大量彈狀流理論模型，如Nicklin等[5]與Collins等[6]提出了泰勒氣泡漂移速度模型；……