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Mini通道内非牛顿流体中Taylor气泡的实验研究与理论模拟

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第一章 文献综述

1.1 非牛顿流体及其特性

1.1.1 非牛顿流体

1.1.2 非牛顿流体的特性

1.1.3 非牛顿流体的流变模型

1.2 Mini通道内气液两相流的研究现状

1.2.1 气液两相流型的研究

1.2.2 Taylor气泡流动特性的研究

1.3 实验测量方法

1.3.1 介入测量

1.3.2 非介入测量

1.4 气液两相流中的数值模拟方法

1.4.1 边界积分法

1.4.2 锋面跟踪法

1.4.3 格子波尔兹曼法

1.4.4 水平集法

1.4.5 流体体积法

1.5 本章小结

第二章 实验装置及物性测量

2.1 通道的结构和尺寸

2.2 实验装置及步骤

2.2.1 实验装置

2.2.2 实验步骤

2.3 实验试剂与物性测量

2.3.1 实验试剂与配置方法

2.3.2 密度的测量及结果

2.3.3 表面张力的测量及结果

2.3.4 流变性质的测量及结果

2.4 本章小结

第三章 气液两相流型及Taylor气泡的实验研究

3.1 气液两相的流动类型

3.1.1 流体种类的影响

3.1.2 液相浓度的影响

3.1.3 表面活性剂浓度的影响

3.2 Taylor气泡长度与液柱长度

3.2.1 气液相流率的影响

3.2.2 液相浓度的影响

3.2.3 表面活性剂浓度的影响

3.2.4 基于毛细管数的分析

3.3 Taylor气泡上升速度与生成频率

3.3.1 气液相流率的影响

3.3.2 液相浓度的影响

3.3.3 表面活性剂浓度的影响

3.4 本章小结

第四章 数值模拟

4.1 数学模型

4.2 物理模型及CFD求解方法

4.2.1 物理模型的构建

4.2.2 CFD求解方法

4.2.3 数据后处理

4.3 有效性验证及与实验结果对比

4.3.1 网格独立性验证

4.3.2 实验与模拟结果对比

4.4 本章小结

第五章 模拟结果与讨论

5.1 气泡流动类型转变

5.1.1 流体种类的影响

5.1.2 液相浓度的影响

5.1.3 表面活性剂浓度的影响

5.2 Taylor气泡液膜厚度

5.2.1 气液相流率的影响

5.2.2 液相浓度的影响

5.2.3 表面活性剂浓度的影响

5.3 Taylor气泡曲率

5.3.1 气液相流率的影响

5.3.2 液相浓度的影响

5.3.3 表面活性剂浓度的影响

5.3.4 毛细管数的分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢

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摘要

随着微化工技术的不断创新和发展,微通道内气液两相流的研究备受学者关注,但对于广泛应用于能源化工、复合材料及医疗科学等领域的毫米级Mini通道内气液两相流及Taylor气泡特征行为的相关研究较少。本文采用实验观测与理论模拟相结合的方法研究了Mini通道内非牛顿流体中的气液两相流及Taylor气泡特征行为,为气液接触装置的设计和优化以及Taylor气泡行为的调控机理提供参考。 本文采用高速摄像机对Mini通道内气液两相流动行为进行观测,探究了流体种类、羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液浓度和表面活性剂─十二烷基硫酸钠(SDS)浓度对流型的影响,同时考察了气液相流率、CMC溶液浓度和SDS浓度对Taylor气泡长度、液柱长度、上升速度与生成频率的影响。实验结果发现:各类溶液中均存在五种流型:泡状流、泰勒流、泰勒-环状流、环状流及搅拌流。与牛顿流体(H2O)相比,在粘弹性非牛顿流体(1.0%PAM)溶液中,泡状流与搅拌流区域显著扩大,泰勒-环状流与环状流区域稍有缩小,泰勒流区域变化不明显;在纯粘性非牛顿流体(1.0%CMC)溶液中,泰勒流区域明显缩小,泡状流与搅拌流区域有所扩大;而随着CMC溶液浓度和SDS浓度的增加,泰勒流区域不断缩小,泡状流与搅拌流区域逐渐扩大。Taylor气泡长度随气相流率的增加而增长,但随着液相流率、CMC溶液浓度和SDS浓度的增加而减小;液柱长度随液相流率的增大而增长,但随着气相流率、CMC溶液浓度和SDS浓度的增大而减小;Taylor气泡上升速度与生成频率均随气相流率、液相流率、CMC溶液浓度和SDS浓度的增加而增大。 考虑到非牛顿流体的流变特性,采用水平集法(LS)与流体体积法(VOF)相耦合的方法(CLSVOF)对Mini通道内非牛顿流体中气液两相流及Taylor气泡特征行为进行数值模拟。通过有效性验证以及与实验结果对比,证实了该方法的可靠性与准确性。然后应用该方法分别研究了流体种类、CMC溶液浓度和SDS浓度对流型的影响,同时考察了气液相流率、CMC溶液浓度和SDS浓度对Taylor气泡液膜厚度与曲率的影响。模拟结果表明,在不同计算条件下均存在上述五种流型,而相比于H2O,在1.0%PAM溶液中,泰勒流区域与搅拌流区域稍微扩大,泰勒-环状流与环状流区域明显缩小,泡状流区域变化不明显;在1.0%CMC溶液中,泰勒流、泡状流与搅拌流区域有所扩大,泰勒-环状流与环状流区域显著缩小;随着CMC溶液浓度和SDS浓度的增加,泰勒流区域逐渐缩小,泡状流与搅拌流区域持续扩大。液膜厚度随气相流率的增大而变小,但随着液相流率、CMC溶液浓度与SDS浓度的增大而变大;曲率随气相流率、液相流率、CMC溶液浓度与SDS浓度的增大而变大,气泡流型也由泰勒流转变为泡状流。

著录项

  • 作者

    李理想;

  • 作者单位

    天津理工大学;

  • 授予单位 天津理工大学;
  • 学科 化学工程与技术
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 范文元;
  • 年度 2019
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类
  • 关键词

    通道; 非牛顿流体; Taylor气泡; 实验研究;

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