（化学工程专业论文）气泡在非牛顿流体中的运动行为及流场特性.pdf

摘要 非牛顿流体中的气泡行为广泛存在于诸如废水处理、塑料发泡、原油加工、 发酵和聚合物脱挥等化工过程中。羧甲基纤维素钠( c m c ) 溶液和聚丙烯酰胺 ( p a a m ) 溶液是两种广泛应用的非牛顿流体，本文对这两种流体中的气泡上升 运动进行了研究。 在低气速条件下，采用激光测速技术测量了气泡在非牛顿流体中的上升速 度。实验结果表明，气泡在c m c 溶液中呈椭球形状并保持直线上升，在p m m 溶液中呈倒泪滴状并摇摆上升，而流体的粘性则可以有效地抑制流体弹性引起的 轨迹振荡。在气泡上升过程中，c m c 溶液中的气泡平均体积随喷嘴直径增大而 增大，而在p 从m 溶液中却刚好相反。此外，在这两种非牛顿流体中，气泡上 升速度随溶液浓度的增大而减小，气泡平均体积和上升速度随进气流量的增大而 增大。 在低气速条件下，利用激光多普勒测速仪测量了气泡上升过程中周围液相的 速度场。结果表明，液相时均速度在轴向和径向上的分布体现出特定的规律。统 计分析发现，动量在轴向和径向之间的传递情况随流体流变性质的变化而改变。 傅立叶分析表明气泡在c m c 溶液中上升时，气液两相都表现出明显的周期性特 征，p a a m 溶液中的气泡上升是混沌运动。小波分析表明，气泡剪切作用和流体 流变性对液相的能量传递和湍流结构产生很大影响，湍流中存在相干结构。重标 极差分析法( 刚s 分析) 表明，在本实验条件下在p a a m 溶液中气泡上升过程具 有双分形性质，表现为两种不同程度的正持久性动力学特征。 关键词：气泡；非牛顿流体；激光多普勒测速仪；傅立叶分析；重标极差分析； 小波分析；湍流 a b s t r a c t b u b b l eb e h a v i o ri nn o n n e 、v t o n i a nf l u i d si s e n g m e e n n gp r o c e s s e sa sw a s t e w a t e rt r e a t m e n t w i d e l ye x i s t e di ns u c hc h e m i c a l p l a s t i cf b a m i n g ， o i lp r o c e s s i n g ， f e r m e n t a t i o na n dp o l y m e rd e v o 】a t i l i s a t i o n s o d i u mc a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e ( c m c ) a n dp o l y a c 呵l a m j d e ( p a a m ) s o l u t i o n s ，t 、v 0k i n d so fn o n - n e 叭o n i a nf l u i d s ，a r ew i d e l y a p p li e di nm a n yf i e l d s i nt h i st h e s i s ，b u b b l er i s i n gi nt h e s et w of l u i d sh a sb e e n i n v e s t i g a t e d a tl o wg a sf l o wr a t e ，b u b b i e r i s i n gv e l o c i t yi nn o n n e 、t o n i a nn u i d sw a s m e a s u r e db yl a s e rv e l o c i m e t r yt e c h n i q u e e x p e r i m e n t a lr e s u i t sr e v e a l t h a tb u b b l e sr i s e i n - l i n ei nc m cs o l u t i o na se l l i p t i cs p h e r es h a p ea n do s c i l l a “o n a l l yi np i a a ms o l u t i o n a si n v e r s et e a r d r o ps h a p e ，b u tf l u i dv i s c o s i t yc o u l de a e c t i v e l yr e s t r a i nt h et r a c k o s c i l l a t i o nc a u s e db ye l a s t i c i t ) ，i nt h ep r o c e s so fb u b b l er i s i n g ，a v e r a g eb u b b l e v o l u m ei n c r e a s e sw i t ho r i 6 c ed i a m e t e ri nc m cs o l u t i o n ；h o w e v e r ，i td i r e c t l yr e v e r s e s i nh s o l u t i o n i na d d i t i o n ，b u b b j er i s i n gv e l o c i t ) rd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f c o n c e n t r a t i o n ，a v e r a g eb u b b l ev o l u m ea n db u b b l er i s i n gv e l o c i 哆i n c r e a s ew i t hg a s f l o wr a t ei nt h et w ok i n d so fn o n n e 、n o n i a nf l u i d s a tl o wg a sf l o wr a t e ，t h ev e l o c i 妙n e l di nl i q u i dp h a s ea r o u n dt h er i s i n gb u b b l e w a sm e a s u r e db yl a s e rd o p p l e r1 v e l o c i m e t e r ( l d v ) t h em e a nv e l o c i t ) ，e x h i b i t e d c h a r a c t e r i s t i cd i s t r i b u t i o nt r e n d si na x i a la n dr a d i a ld i r e c t i o n s ，r e s p e c t i v e l y s t a t i s t i c a l a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h em o m e n t u mt r a n s f e rb e t w e e na x i a la n dr a d i a ld i r e c t i o n s v a r i e dw i t hf l ui dr h e o i o g i c a ic h a r a c t e r i s t i c s f o u r i e ra n a j y s i si n d i c a t e dt h a ti nt h e p r o c e s so fb u b b l er i s i n g ，a p p a r e n tp e r i o d i c a lc h a r a c t e r i s t i c sw e r ed i s p l a y e di nt h e m o v e m e n t sb o t hi ng a sa n dl i q u i dp h a s e si nc m c s o 】u t i o n ，a n dc h a o t i cp h e n o m e n o n a p p e a r e di nf a a ms o l u t i o n w a v e l e ta n a l v s i si n d i c a t e dt h a ts h e a re f r e c to fb u b b l ea n d f l u i dr h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c si n n u e n c e dt u r b u l e n ts t r u c t u r e s i g n i n c a n t ly ，a n d c o h e r e n ts t r u c t u r ee x i s t e di nt u r b u l e n c e f u n h e n n o r e ，r e s c a l e dr a n g ea n a l y s i s ( 刚s a n a l y s i s ) s h o w e dt h a ti nt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，b u b b l er i s i n gi nf a a ms o l u t i o n e x h i b i t e dd o u b l ef r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c s ，n a m e l y ，t w op e r s i s t e n c ed y n a m i c si nd i 仟- e r e n t e x t e n t s k e yw o r d s ：b u b b l e ；n o n n e w t o n i a nf l u i d ；l a s e rd 叩p l e rv e l o c i m e t e r ；f o u r i e r a n a l y s i s ；刚sa n a l y s i s ；w a v e l e ta n a l y s i s ；t u r b u l e n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 协面签字日期：办汐年歹月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：夕易暂 签字日期：幽艿年岁月刀日 导师签名：易复乞 柳期一脚f 月7 同 前言 刖舌 非牛顿流体广泛存在于自然界和日常生活中，如泥石流、火山熔岩、膏体、 凝胶、食品、日化用品等，还应用于高分子化工、生物化工、食品加工、环保石 油加工等领域。在玻璃制造、选矿冶金、生物发酵、聚合物熔体脱挥、高分子发 泡、气体吸收等工业过程中，气泡在非牛顿流体中的行为，如生成、上升、碰撞、 聚并和破裂都会对相际问的混合与传质传热等过程造成影响。因此，研究非牛顿 流体中的气泡行为对改善气液两相间的混合与传质，以提高生产效率、降低能耗 有着重要的意义。 非牛顿流体，如高分子聚合物，在日益广泛的应用中引起了化学家和工程师 的重视。化学家主要侧重于对高分子内部结构的认识及其流变性质的模型建立等 理论工作上，而在工程上，牛顿流体中气泡行为的研究成果又难以直接利用。因 此，对这一领域进行研究给国内外的学者提供了广阔的空间和新的挑战。 羧甲基纤维素钠( c m c ) 和聚丙烯酰胺( p a a m ) 在众多行业有着广泛的应 用，其水溶液是两种典型的非牛顿流体，本文选取它们作为实验物系。基于气泡 在非牛顿流体中行为的复杂性，本文仅考察气泡在非牛顿流体中的上升运动，采 用自建激光测速系统测定了气泡在非牛顿流体中的上升速度，考察了溶液流变性 质、喷嘴直径和进气流量对气泡形状、平均体积和上升速度的影响。激光多普勒 测速仪具有无扰测速和单点精确度高等特点，本文利用该设备测定了气泡上升过 程中周围液相的速度场，利用m a t l a b 软件的强大数据处理和图形分析功能，结 合统计分析、时频分析和分形理论来研究液相的时均速度分布、湍流强度和湍流 结构以及气泡上升过程中的周期性和动力学特征。 第一章文献综述 第一章文献综述 流动【是一种连续变形的运动。流体通常是指受任何微小剪切力作用都能连 续变形的物质。根据在一定温度和剪应力作用下表现出的特性，流体被划分为牛 顿流体和非牛顿流体两大类。 1 1 牛顿流体 即 牛顿流体【2 ，3 1 的特点是，在层流区其剪应力和剪切速率之间呈现正比关系。 = 肜 或称之为牛顿粘性定律。式中为流体的粘度，p a s ；尹为剪切速率，s 一。 换言之，凡服从式( 1 1 ) 所示规律的流体，就称之为牛顿流体。所有气体、液体或 低分子量( 小分子) 物料的溶液属于牛顿流体。对牛顿流体来说，其粘性能量的损 耗是由于分子间不规则的相互撞击的结果，而这些分子又以相当小为其基本特 征，如空气、水等。 1 2 非牛顿流体的定义和分类 非牛顿流体的基本特型l j 是能够流动，但流动过程中剪切应力与速度梯度之 间的关系不符合牛顿内摩擦定律，并且包括那些只有在有限大小剪切应力作用下 才能开始流动的物质。 非牛顿流体包括很多种类的流动物质，在工程上和自然界已属常见，如高分 子聚合物的溶液或熔体、泥浆、石油工业用各种压裂液、油漆和涂料、食品工业 中的的人造奶油等食品添加剂、血液、鸡蛋清、生物发酵液、纤维素悬浮液、胶 体溶液、牙膏和化妆品等日化用品。 非牛顿流体又可分为下列三大类【2 j ： 1 )广义牛顿流体，包括拟塑性流体、宾汉塑性流体和涨塑性流体。拟塑性 第一章文献综述 流体不具有屈服应力，其特点为剪切变稀，即剪切速率增大则粘度减小。涨塑性 流体表现出的特性恰与上述拟塑性流体相反，其表观粘度随剪切速率的增加而增 大，参见图卜l 。文献上通常将拟塑性流体和涨塑性流体并称为“幂律流体 。 2 )粘弹性流体。即流体具有很多固体属性，其重要的表现是其因流动而发 生的变形可以得到弹性恢复或部分恢复，故称之为粘弹性流体。 3 )时变非牛顿流体，包括触变流体和震凝流体。触变流体的粘度不仅与剪 切速率有关，而且随受剪的持续时间而降低，这是因为受剪后其结构被破坏。但 是，触变是一个可逆过程，静止后其结构可以渐渐重新生成。震凝流体与触变流 体相反，其结构仅在受剪时形成，并且当它处于静止时又渐渐破裂。 哩 c n c 几 型 召 s h e arr a t e ，s 。 图1 1 流动曲线示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff l o wm o d ec u e s l n e 、v t o n i a n ；2 - p l a s t i c ；3 p s e u d o p l a s t i c ；4 一d i l a t a l l t 1 3 非牛顿流体的的流变学性质 1 3 1 流变学的定义和研究内容 与牛顿流体相比，非牛顿流体具有许多特殊性质【1 ，4 ，5 1 ，主要表现在射流胀大 或挤出胀大、爬杆效应、无管虹吸和湍流减阻这四个现象中，此外连滴效应、拔 丝性、剪切变稀、液流反弹等奇妙现象也受到人们的广泛重视。这些特殊性质又 是由非牛顿流体的流变学本质决定的。流变学，是研究物理材料在应力、应变、 温度、湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律的科学，其主要 第一章文献综述 研究对象为非牛顿流体，其目的并不单纯看重力学行为，而着重于不同物质的力 学特性与结构之间的关系。流变学由三个主要部分组成，即流场、本构方程和流 变学测量。本构方程是流变学的核心内容，可以用来区分流体类型，获得流体内 部结构信息，并且与流动方程联立解决非牛顿流体的动量、热量和质量传递等工 程问题。 1 3 2 广义非牛顿流体的本构方程 本构方程是用数学语言描述介质应力、应变响应如何变化的数学模型，或者 说是在某些假设下，物质的力学行为的数学描述。本构关系一般可通过实验方法、 连续介质力学方法和统计力学的有机结合来获得。一个本构方程无法具体描述所 有广义牛顿流体，自1 9 2 0 年以来已积累了不少在适用范围内可以满足工程计算 需要的经验关联式，从而发展为多种本构方程。 1 )幂律模型及其应用条件 幂律模型1 2 j 又称为o s t w a l dd ew a e l e ( 19 2 5 ) 经验式，它是用来描述高分子溶液 的流动曲线中夹杂在第一、二牛顿区中间，表现或近似一条直线的中等剪切速率 的规律的。该区域内粘度，7 是剪切速率户的幂函数，写作 t = k 穸n 或者 刁= k 户”1 ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 式中f 为剪切应力，p a ；k 为稠度系数，n s “m 2 ；行为流体特性指标，无因次， 表示与牛顿流体偏离的程度。由此式可以看出：当刀= l 时，叩= k ，此时流体为 牛顿流体；当刀 l 时，表示剪切增稠，即涨塑性流体； 对大多数聚合物溶液，只在户的一定范围内刀值才是一个常数；当户一0 或户j 时，此式不再有效。虽然该式简单，仅有两参数，被广泛应用，但是该式还是存 在一定的弊端：首先，k 的因次依赖于胛，使用不方便；其次，不能从k 和刀两 参数构造时间常数，所以不能描述弹性效应。 2 ) e l l i s 模型 一 厂、口一l 旦：l + i 三l ( 1 - 4 ) l 勺2 式中，吼是零剪粘度；功：是刁= 7 7 0 2 时的剪应力；口是无因次常数，相当 第一章文献综述 于幂律模型的l 加。此模型中，勺：有时间因次，能够稍微描述一下流体的粘 弹性特征。此模型被认为是当幂律模型失败后的第一选择。 3 ) c a r r e a u 模型 6 】 磐：h 彬) 2 r 垆 吼一刀二 lj ( 1 5 ) 式中，是零剪粘度；五是时间常数，对绝大多数高分子材料，五与弹性时 间常数有密切关系；，z 与幂律模型相同；巩为无穷剪切速率时的粘度。该模型与 e l l i s 模型类似，都可以用来描述低剪切速率时表现为牛顿流体性质，高剪切速率 时表现为幂律流体性质的复杂流体。 4 ) b i n 曲a m 模型 t 2 t y + 玎p ， ( 1 - 6 ) 服从此模型规律的流体称为b i n 曲a m 塑性流体。当物质所受的剪应力超过 屈服应力0 时才会流动，而小于巧时物质具有弹性固体的行为。也可以写为： 爵号鬟 ( 1 - 7 ) 式中，为塑性粘度，等于流体曲线的斜率，坑为具有粘度因次的常数。此模 型仅当物质出现流动时才能应用，未流动时的弹性变形总是予以忽略。 5 ) h e r s c h e l - b u l k l e y 模型 f = f 。+ k 9 n ( 1 8 ) 该模型与b i n g h a m 模型十分相似，只是当剪应力超过屈服应力0 后，流体 表现出幂律流体性质。 6 ) c a s s o n 模型 f l 2 = 形2 + ( 砂) v 2 ( 1 - 9 ) 第一章文献综述 该模型是一个两参数半经验模型，能够量化屈服应力和高剪切粘度。最具代 表性的，该模型适用于墨水和熔化的巧克力。 7 ) j r g 基于粘流活化能的模型 一h 鲁南m ( 1 - 1 0 ) 此式将表观粘度随剪切速率的变化用表观流动活化能的变化予以反映。在户 变化很大的范围内峨保持常数。并且当户专。时，刁= 巩e x p ( 蝇m ) 表示第一 牛顿区的粘度；当户一时，刁= 巩表示第二牛顿区的粘度。这是一个从能量角 度考察熔体的模型，特别适用于聚合物熔体。 1 4 非牛顿流体中的气泡行为 流体中气泡由于受到表面张力、粘性力、弹性力、惯性力、浮力、流体密度、 气泡间相互作用、操作条件下气泡的可压缩性及其在流体中的溶解度等因素的影 响，往往表现为不同的形状和运动轨迹，从而影响传质、传热、动量传递和化学 反应速率。非牛顿流体与工业生产和日常生活息息相关，如原油加工、生物发酵、 日用化学品制造、塑料发泡、聚合物脱挥以及废水处理。因此，对非牛顿流体中 气泡行为的研究具有重要意义。 1 4 1 气泡的生成 研究流体中气泡的生成规律对设计制造一些气液接触装置，如鼓泡塔和筛板 塔的气相分布器有很重要的意义。1 9 6 5 年a s t a r i t a 和a p u z z o 【7 首次提出单个运动 气泡的研究报告以来，很多学者都对非牛顿流体中气泡的生成进行了研究。通常 按气泡生成过程中气体的流动状况将其分成三类：1 ) 气流量为常数时气泡的生 成；2 ) 气室压力恒定时气泡的生成；3 ) 介于上述二者之间气泡的生成。 a c h a r y a 【8 】在c m c 水溶液中测定恒气流条件下气泡的生成体积，并提出一个 恒气流条件下气泡体积的简化关联方程： y = c ( q 2 g ) 3 然而将应用该方程计算得到的数据与幂律模型流体的数据相比，结果发现流 体的流变性对气泡的体积没有影响。 6 第一章文献综述 t e r a s a k a 1 】分别在粘性拟塑性，粘弹性和具有屈服应力的粘性流体中考察 了气室体积、喷嘴直径、气体流量和流体流变性对气泡体积的影响，提出非球形 气泡的生成模型。模型中把气泡表面分成若干微元，当气体以常数q 2 流量流入 气室时，气室内压力r 随之增加，当其值达到水静压与表面张力之和时，气室 中的气体流出喷嘴，气泡随之增长，对幂律流体模型如下： 径向： h 2 局睁+ 捌降8 历( 篆) ” m 协 法向： 舭去) 如颤胁知( 笥砟4 舸臻s i n 觚s 警 ( 1 - 1 3 ) 鲁= 皿 。一q 。) 圪= 皿奴一d 圪功) 圪 i 尼一只i = ( q 乞) 2 = ( d 圪击) 2 鬈，其中吃= o 8 1 3 谚 l 五：( 1 尺+ 1 r t ) 2 ( 1 - 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 - 1 6 ) 模型是在修正牛顿流体中气泡生成模型的基础上推导而得，可很好地对宽范 围流变参数的非牛顿流体中非球形气泡体积、形状和气室压力进行预测，并较好 吻合于其他实验的结果。然而该模型也存在缺陷，即没有考虑非牛顿流体中气泡 之间的相互作用。 l i 【1 2 】把气泡表面径向法向运动方程，气泡内气体的热力学方程以及流体流变 方程相结合，着重考虑了因流体记忆效应而产生的气泡间相互作用影响，推出在 恒定气体流量条件下非球形气泡的生成模型，径向方程在( 1 1 2 ) 的基础上增加一 由于记忆效应产生的修正项凡，法向的方程同( 1 1 3 ) ，该模型能计算气泡生成过 程中的瞬间形状和最终大小以及生成频率。此外也可预测实验不同操作变量的影 响，如流量、喷嘴直径和流体性质。然而该理论模型是在假设流体不可压缩且无 限大量，气流绝热和气泡内压均匀的前提下推导而得，因此，这与实际情况有一 定的差距。此外，实验表明在高气速下气泡生成变得不稳定，尤其是后续气泡的 生成，因而限制了模型的适用范围。 第一章文献综述 1 4 2 气泡的上升 气泡在液体中的上升运动不仅在化学工程，如聚合物处理工艺和发泡动力学 上有很重要的理论意义，而且对化工设备的设计与维护具有很重要的实际意义。 尽管非牛顿流体有着复杂的流变性质，但由于其在工业工程和日常生活中的广泛 应用，学者们逐渐对非牛顿流体中的气泡行为产生了浓厚的研究兴趣。在忽略气 泡间相互作用的条件下，单气泡的上升速度、体积和形状变化一直是国内外研究 的热点。 通过激光多普勒测速仪( l d v ) ，h a s s a g e r l l 3 j 在非牛顿聚丙烯酰胺( p a a m ) 溶液中发现了区别于牛顿流体中气泡上升行为的一个明显标志气泡下方中 央的负尾流区。它邻近气泡，区域内流体随气泡上升，在气泡后面的很短距离内， 流体却以相反方向向下运动形成“负尾流”。g h e i s s a u 【 提出对拟塑性流体进行 粒子沉降实验时，前一粒子的尾流会对后续粒子产生时间效应。h a r l e n 【l5 】研究表 明沉降粒子的尾流下游速度的形成受两种相反粘弹力竞争的控制，控制这两种力 的平衡参数为聚合物的外延性，高外延性导致外延尾流，低外延性导致负尾流。 利用流变模拟法，l i 等【16 1 7 j 提出p a a m 溶液中成串气泡之间的相互作用机 制：在前一气泡的气泡通道后，流体弹性记忆效应控制剪切变稀并持续一定时间， 以致尾流中产生局部负压，有利于后续气泡的生成，并证实了气泡间相互作用是 受流体中应力产生和松弛之间动力学竞争的控制。2 0 0 1 年，f u n f s c h i l l i n g 和l i 【1 8 】 首次利用粒子影像速度仪( p i v ) 观察到p a a m 溶液中气泡周围的流场分布：在 气泡正下方中央存在与气泡运动方向相反的负尾流区，环绕在负尾流区周围则是 一个锥形向上流动区域，在气泡正上方则是向上流动区域。为了进一步研究相邻 气泡生成时间间隔对气泡上升速度和气泡形状的影响，f u n f s c h i l l i n g 和l i 【1 9 j 又采 用牛顿流体、非弹性剪切变稀流体和弹性剪切变稀流体三种不同性质的溶液进行 实验考察，结果发现牛顿流体和非弹性剪切变稀流体中相邻气泡生成时间间隔对 气泡上升速度几乎没有影响，而在弹性剪切变稀流体中，随着时间间隔的增大， 上升速度迅速降低。在牛顿流体中，气泡呈椭球状，而在另外两种流体中，气泡 明显被拉长，呈现出泪滴形状，并带有细长的尾端。最近，f r a n k 和l i 等【2 0 ，2 l 】又 采用l a t t i c e b o l t z m a n n 方法结合六级m a x w e l l 流变方程对单气泡上升行为特征进 行了模拟，与传统的c f d 方法相比较，该方法成功地得到了气泡下方的负尾流区 和气泡周围的应力场，并且模拟出气泡上升时呈现的反泪滴形状。k e m j h a 等1 2 2 j 对比了p a a m 溶液中单气泡上升过程和固体球形颗粒沉降过程的尾流区，发现这 两个过程都存在粘弹性效应造成的相同的负尾流区，同样采用l a t t i c e b o l t z m a n n 方法对这两个过程进行了成功模拟。s o u s a 等f 2 3 ，2 4 】对非牛顿p a a m 和c m c 水溶液 第一章文献综述 中的t a y l o 汽泡进行了研究，发现了负尾流现象和t a y l o 汽泡间的作用机理。 对于非牛顿流体中的气泡上升过程，还有一个特殊现象，当气泡上升速度与 气泡体积进行关联时，存在上升速度的阶跃和不连续性。l9 7 7 年，a c h a 拶a 掣2 5 j 研究非牛顿流体中气泡分别在低雷诺数区域和高雷诺数区域的曳力系数和气泡 形状变化时，证实了a s t a r i t a 和a p u z z o 【7 】1 9 6 5 年在非牛顿流体中观察到的气泡上 升速度阶跃现象，并认为表面效应可能对速度阶跃的临界点起主要作用。l e a 】 等【2 6 】的研究肯定了a s 协i - i t a 和a p u z z o 【7 】关于速度阶跃主要是气泡由刚性表面向自 由表面转变引起的假设，通过比较p a a m 溶液中气泡和玻璃小球的终速，他们 得到阶跃时气泡表面由非滑移向自由剪切转变的证据，并认为与粘度剪切效应相 比，流体的弹性和法向应力效应才是阶跃现象的主要原因。 d ek e e 掣2 7 】研究了在p 从m 溶液中空气、氮气和二氧化碳的气泡行为，他 们观察到气泡上升速度气泡体积曲线的阶跃特征，粘弹性对粘弹流体中运动 的气泡形状和尾流有重要影响，并且由此影响气泡的聚并。 r o “g u e 等【2 8 】定量地研究了表面活性剂( 十二烷基硫酸钠，s d s ) 对牛顿流 体( 甘油溶液) 和非牛顿流体( c m c 溶液、p e o 溶液和p a a m 溶液) 中气泡行 为的影响，并提出速度阶跃的气泡临界体积标准。他们认为提高流体的弹性力与 表面张力比值可使得运动气泡邻近流场由s t o k e 区向h a d a m a r d 区转变，从而导 致阶跃现象的发生，即加入一定量的s d s 或者提高聚合物浓度可促使发生速度 阶跃现象，这一研究结果肯定了a s t a l i 切和a p u z z o 【7 j 关于聚合物分子具有表面活 性剂等效作用的假设。r o d r i g u e 等【2 9 】阐明速度阶跃是弹性不稳定性和m a r a n g o n i 不稳定性的平衡结果，并提出一种表征弹性力、粘性力、表面张力和表面张力梯 度平衡的口简化标准来判断速度阶跃。r o d r i g u e 掣3 0 j 在研究添加s d s 的聚氧化 乙烯( p e o ) 水甘油溶液中气泡上升行为时发现，溶液的剪切变稀效应可致局 部粘度下降，降低气泡运动的曳力系数从而提高气泡上升速度，而在添加s d s 后，随着表面张力梯度力的增大，剪切变稀对曳力系数的作用被部分抵消。随后， r o d r i g u e 和b 1 a n c h e t 【3 l 】采用与文献【3 2 】相同的试验条件，只是气泡体积更小一些， 也发现速度阶跃可以通过添加表面活性剂来消除，对于离子型表面活性剂浓度高 于体系中聚合物和表面活性剂的临界结合浓度时，聚合物和表面活性剂结合可能 会导致气泡表面的重新活化，从而消除气泡上升速度的不连续性。 h e 丌e r a v e l a r d e 等1 3 3 】利用p i v 技术研究了空气气泡在p a a m 溶液中的上升流 场，发现流体弹性增大导致气泡上升速度和临界气泡体积减小，并确定了气泡到 达临界体积前后的变化。在低于临界气泡体积( ，) 时，气泡前部和后部有上 升流，气泡周围存在准对称涡流；在高于比，时，气泡前部上升流加剧，“负尾 流”出现，气泡周围出现不对称涡流，尾流长度有增大趋势；气泡临界体积不受 第一章文献综述 容器尺寸变化的影响。 1 4 3 气泡的聚并和破裂 气泡聚并和破裂的研究对许多气液接触和分离装置中确定性的依时气泡尺 寸分布和界面区有着重要的意义。在一些气体喷嘴接触器或反应器中，聚并是有 害的，因为它降低了气液接触面积；而在分离器中它又是有利的，因为它增大了 气泡尺寸从而提高其上升速度。这样就需要控制气泡的尺寸分布以达到工艺目 标，反过来就需要研究流体中气泡聚并和破裂的平衡关系。 a c h a 叫a 和u l b r e c h t 恻指出气泡聚并过程可分为三个阶段：1 ) 气泡进入一个 先行气泡的尾流区；2 ) 随从气泡在尾流区中受到较小曳力，因此快速接近先行 气泡直到二者相碰撞，其中仅有一薄膜使二者分开；3 ) 薄膜变薄过程直到破裂 即聚并反应。他们还发现在c m c 和p a a m 溶液中，溶液弹性减弱气泡尾流，因 而增大气泡的碰撞和聚并时间，d e k e e 掣3 5 j 研究证实了这一结论，肖作兵等【3 6 】 还发现沿轴向上升的两个气泡间的距离达到一定的范围时，由于气泡尾流作用的 影响，气泡首先出现一定的形变，随后气泡间发生碰撞接触，在满足条件时聚并 开始，且聚并时间随气泡直径的增大而加长。l i 【3 卜 j 对气泡碰撞时气泡间的薄液 膜进行了研究，建立了液膜和气泡表面的动态模型，该模型利用气泡半径、流体 物理性质和气泡表面性质，如表面张力、l o n d o n v a nd e rw a a l s 常数来预测液膜 变薄和破裂的聚并时间，还发现表面张力梯度和表面粘度降低会使聚并时间延 长。p r i n c e l 4 0 】实验观察到当气泡变形成两部分出现颈端时气泡发生破裂，而且气 泡破裂与一些局部流体力学特征，如微尺度湍流有很大联系，尤其受到尾流剪切 和气泡不稳定性的影响。 l i 等【17 】对实验采集的气泡通过时间序列进行功率谱分析，并采用时间延迟 嵌入法来重构相空间，进一步计算不同高度最大l y a p u n o v 指数和关联维数，并 作出相图，结果表明聚并现象遵循混沌和确定性机理。紧接着，l i 等6 j 通过改 变相邻气泡生成时间间隔来研究相邻气泡间的相互作用，实验数据表明由于气泡 间的相互作用，时间间隔对气泡上升速度有很大的影响。随着时间间隔的缩短， 气泡问相互作用明显加强，聚并发生。不同高度处的功率谱分析则表明相互作用 是伴随着非线性连续分叉的，最终导致混沌聚并。 气泡破裂会产生气泡周围流体的同轴拉伸，而在许多工业过程这种拉伸行为 对粘弹流体非常重要，如纤维吹丝、吹模、真空形成、管状膜的挤压及某些涂布 和抛光工艺。因而对其机理的研究显得尤为重要，但是目前相关的文献比较少。 f o g l e r 和g o d d a r d 【4 l j 基于线性m a x w e l l 积分模型对不可压缩粘弹性流体中的单个 球形气泡的破裂进行理论研究，在整个气泡破裂过程中假设气泡内部的压力恒定 第一章文献综述 并忽略了气液问的扩散作用。研究结果表明，流体的弹性效应可以明显阻碍气泡 的破裂，并且当流体的松弛时间略大于r a y l e i 曲破裂时间时，弹性效应使得气泡 发生拉长和摇摆现象，而流体的粘性能够有效的抑制摇摆现象。进一步研究表明， 气泡是破裂还是摇摆取决于环境压力与流体弹性系数的比值。 y o o 和h a n 【4 2 】考虑到流体力学和扩散效应的影响，对粘弹性流体中的静止球 形气泡的破裂进行了理论研究，计算过程中把运动方程和f i c k 扩散定律相结合， 结果表明快速扩散中，气泡破裂时的摆动行为只在一定条件下出现，而慢扩散时 摆动现象总会出现；气泡和液相之间的扩散系数在起始阶段对破裂过程中的摆动 有显著的影响；悬浮液的弹性效应可以促进摆动行为，而粘性性质则对摆动具有 抑制作用。 p e a r s o n 和m i d d l e m a n 在较广应变率范围条件下对几种零剪粘度较低的高分 子溶液的拉伸流动进行研究，发现对于具有相同零剪粘度的粘弹性流体，气泡破 裂速率比牛顿流体的大。k i m 【4 3 】发现对中等r e 和d e ，气泡半径上存在高度振荡 现象；对于大的r e 和d e ，则呈现出渐进趋势；此外还发现流体弹性在气泡破裂 阶段前期起到加速破裂作用，而在后期则起到阻碍破裂效果。 1 5 气泡行为及其周围流场的测试手段 气泡及其周围流场的测试方法主要有摄像法、热线测速仪、激光多普勒测速 仪、粒子成像测速仪、电导探头法、光纤探头法等。这些测试方法可测量气泡的 形状、尺寸、上升速度以及周围液相流场的速度等，分为外置法( 摄像法、激光 多普勒测速仪、粒子成像测速仪) 和内置法( 电导探头法、热线测速仪、光纤探 头法) 。内置法由于测试仪器的整体或部分直接置于被测设备的测定点上，所以 对流体流动和气泡运动等会有一定影响。但是由于可以测量到体系内各局部点上 的气泡运动特性，因此也被广泛应用。外置法是非接触式的测量方法，可直观显 示气泡的大小、分布和周围流场变化情况，对气泡的运动没有干扰，因此，通常 用于研究二维或三维流场中的气泡行为。这里简要介绍几种测试手段的测试原理 和手段。 1 5 1 摄像法 摄像法是一种非接触式的测量方法，可以直观的显示出气泡的大小、分布及 其运动过程，对装置内的气泡运动没有干扰。在实验过程中，摄影用光采用透射 光，由于光线经过气液相后的强弱变化在胶片上得到灰度不同的像，根据图像 灰度的不同在图像分析仪上进行自动或半自动分析来确定气泡的大小及坐标位 第一章文献综述 置，以此进行分析，从而得到有关气泡行为的实验结果。姜韶垫和范文元等4 4 4 7 1 采用激光成像技术结合c c d ( c h a r g ec o u p l i n gd e v i c e ) 摄像机照相方法研究了牛 顿和非牛顿流体中的气泡生成行为，结果表明该法能够获得清晰的二维气泡放大 图像。他们考察了溶液流变性、气室体积、喷嘴直径和气体流量等因素对气泡分 离体积的影响。 1 5 2 热线测速仪 热线风速仪4 9 j ( h o t w i r ea n e m o m e t e r ) 通过记录流体的对流传热来测量 流体速度。该装置的核心是一个暴露在外的热线，这个热线或者通过恒电流加热， 或者保持恒定的温度，流体对流传热造成的热损失都是流体速度的函数。通过测 量恒电流加热条件下热线温度变化或者测量为保持热线温度恒定的电流变化，就 可以得到热损失，然后根据对流传热理论由热损失计算流体速度。 热线测速仪的优点是体积小、适用范围广、对流场干扰小、频率响应高、测 量精度高、重复性好。不仅可用于气体也可用于液体；除了测量平均速度外，还 可测量脉动值和湍流量；除了测量单方向运动外还可同时测量多个方向的速度分 量。热线测速仪的缺点是探头对流场有一定干扰，热线容易断裂。 热线测速仪的主要用途是：1 ) 测量平均流动的速度和方向；2 ) 测量来流的 脉动速度及其频谱；3 ) 测量湍流中的雷诺应力及两点的速度相关性、时间相关 性；4 ) 测量壁面切应力( 通常是采用与壁面平齐放置的热膜探头来进行的，原 理与热线测速相似) ；5 ) 测量流体温度( 事先测出探头电阻随流体温度的变化曲 线，然后根据测得的探头电阻就可确定温度) 。 1 5 3 激光多普勒测速仪 激光多普勒测速仪1 5 u ，5 1j ( l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r ，l d v ) ，又称作激光多 普勒风速仪( l a s e rd o p p l e ra n e m o m e t e r ，l d a ) 。它是利用运动微粒散射光的多 普勒频移来获得速度信息的。由于流体分子的散射光很弱，为了得到足够的光强， 必须在流体中散播适当尺寸和浓度的微粒作为示踪粒子。因此，它实际上测得的 是微粒的运动速度，同流体的速度并不完全一样。大多数自然微粒( 如空气中的 尘埃、自来水中的悬浮粒子) 在流体中一般都能较好的跟随流动。如果需要人工 播粒，那么微米数量级的粒子也是可以兼顾到流动跟随性和l d v 测量的要求的。 激光多普勒测速技术的主要优点在于非接触测量、线性特性、较高的空间分 辨率、快速动态响应、运行基本不受温度影响。当然，激光多普勒测速技术也存 在局限性，比如测量区必须是光线可及的，而且要存在适当的散射微粒。在信号 第一章文献综述 处理方面，由于有限测量体积的存在、各种频率加宽、偏置和噪声等来源都会影 响测量的精度。 1 5 4 粒子成像测速仪 粒子影像速度仪( p a n i c l ei m a g ev e l o c i m e t q ，p i v ) 是一种用来测量流体速 度和其它相关性质的光学方法。p i v 技术是上世纪8 0 年代在流动显示基础上， 充分吸收现代计算机技术、光学技术及图像分析技术的研究成果而成长起来的最 新流动测试手段。它不仅能显示流场流动的物理形态，而且能够提供瞬时全场流 动的定量信息，使流动可视化研究产生从定性到定量的飞跃。p i v 的突出优点表 现在：1 ) 它突破了空间单点测量( 如l d v ) 的局限性，实现了全流场瞬态测量； 2 ) 它实现了无扰测量，而用毕托管等仪器测量时对流场都有一定的干扰；3 ) 容 易求得流场的其他物理量，由于得到的是全场的速度信息，可方便的运用流体运 动方程求解诸如压力场、涡量场等物理信息。因此，该技术在流体测量中占有重 要的地位。目前单相二维p i v 技术己发展相当成熟，但两相测量的p i v 技术尚 处于起步与发展之中。目前只有少数学者开始在气液、液固等低流速、低分散相 密度的流动中进行可行性研究1 5 ”j 。 1 6 时间序列的分析手段 时间序列是指对连续信号进行等间隔采样后得到的数据序列，它是复杂系统 外部信息的载体，与复杂系统的内在状态之间有着某种关联性，这种关联性成为 设备状态智能监测与故障诊断技术的基本思想。时间序列分析是统计学中的一个 重要的分支，它可以用来揭示事物发展的内在规律，预测其发展趋势，从而为社 会生活和工业研究设计提供理论指导。在流场测试中，往往可以得到浓度、压力、 速度等变量的时间序列，目前对时间序列的分析理论有混沌和分形，分析方法包 括傅立叶变换和小波变换等时频分析方法。 1 6 1 混沌分析 混沌( c h a o s ) 、分形( f r a c t a l ) 和孤子( s o l i t o n ) 是关于过程和演化的非线 性科学。一般认为，混沌【5 6 1 就是指在确定性系统中出现的一种貌似无规则的，类 似随机的现象，它不是简单的无序而是没有明显的周期和对称，但却是具有丰富 的内部层次的有序结构，是非线性系统中的一种新的存在形式。一方面，混沌现 象所固有的确定性表明许多随机现象实际上是可以预测的；另一方面，混沌现象 第一章文献综述 所固有的对初始值的敏感性又意味着预测能力受到新的根本性限制。1 9 6 3 年至 今学者们提出了l o r e n z 确定性方程、虫口模型i ，o g i s t i c 映射和c h e n s 吸引 子掣 j 典型混沌模型。对于周期运动，吸引子是一简单的闭曲线。但形如洛伦兹 系统这样的具有随机性的非周期运动，其吸引子轨线往往是反复折叠和相互交叉 而形成的密集的带。这种具有复杂结构的吸引子称为奇怪吸引子( s t r a n g e a n r a c t o r ) ，具有奇怪吸引子的运动就是混沌的。 从时间序列研究混沌，始于p a c k a r d 等1 5 副1 9 8 0 年提出的重构相空间理论。对 于决定性系统长期演化的任一变量的时间演化，均包含了系统所有变量长期演化 的信息。因此，可通过决定系统长期演化的任一单变量时间序列来研究系统的混 沌行为。而吸引子的不变量关联维( 系统复杂度的估计) 、k 0 1 m o g o r o v 熵( 动 力系统的混沌水平) 、l y a p u n o v 指数( 系统的特征指数) 等在表征系统