剪切稀化流体特征参数对单气泡水动力学特性影响的研究

作     者：胡波 

作者单位：常州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：庞明军

授予年度：2022年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：剪切稀化流体 特征时间 液相黏度比 气泡动力学 非稳态运动 

摘      要：非牛顿流体中气泡运动广泛存在于自然界和工业过程中,气泡的形状、上浮轨迹以及终端速度等水动力学特性在很大程度上会影响气液相间的质量、热量和动量传递效率。剪切稀化流体作为一种最常见的非牛顿流体,由于复杂的流变特性,导致气泡在其中的水动力学特性还没有形成完整的理论体系。因此,深入理解剪切稀化流体中气泡的水动力学特性对进一步提高气液相间的传质传热效率以及指导泡状流设备的工业应用具有重要意义。本文首先采用数值模拟方法,以剪切稀化流体中单气泡为研究对象,建立了二维轴对称模型,研究了不同流变指数和不同表面张力水平下,特征时间对气泡水动力学特性的影响。结果发现,流变指数越小或表面张力越小,特征时间的增大对气泡变形和尾涡的影响则越大。在相同的流变指数和表面张力,特征时间越大,气泡的终端速度越大,导致气泡周围高剪切速率区和低表观黏度区的范围也越宽。其次,开展了液相黏度比对气泡水动力学特性影响的研究。在二维轴对称模型的基础上,建立了三维模型。发现当液相黏度比趋于无穷大时,气泡表现出两种非稳态运动,第一种是气泡形状基本不变(在半椭球形与碟形之间周期振荡)、上浮轨迹为直线,但纵横比周期性变化;第二种是泡形状在球帽形与半球帽形之间周期振荡,上浮轨迹向一侧偏转。并对这两种非稳态气泡变形过程进行了详细的研究,给出了相关的机理解释。接着,开展了对剪切稀化流体中两种高度非稳态气泡水动力学特性的研究,定义为第三、第四两种非稳态气泡。对于第三种气泡出现中心破碎现象,在径向膨胀后表现为一个单环形,但上浮轨迹始终为直线的非稳态气泡;主要是由于表面张力不足以抵消射流强度导致的;对于第四种气泡形状呈现出剧烈的三维特性,上浮轨迹为“之字形非稳态气泡,主要是由于气泡上浮过程尾部出现了剧烈的涡脱落,涡脱落导致气泡上浮过程产生了升力,在升力的作用下,气泡呈现出之字形上浮轨迹。最后,实验研究了不同剪切稀化溶液内气泡上浮过程的变形、上浮轨迹以及终端速度的变化,对模拟结果给予补充和验证。