Статистическое и динамическое измерение газовой фазы при исследовании газожидкостного двухфазного течения оказывает важное влияние на моделирование двухфазного течения, гидравлического сопротивления, тепломассопереноса и др.
Данное исследования может быть полезным в анализе ключевых параметров двухфазного потока, таких как динамическая траектория пузырьков, распределение газовых фракций, коэффициент скорости проскальзывания и т. д. Среди них параметр размера пузырьков имеет большое значение для течения пузырьков.
Размер пузырьков является ключевым параметром для уменьшения потока микропузырьков и снижения сопротивления. Он также ограничен сложностью создания пузырьков разного масштаба. Влияние размера чистого потока микропузырьков и уменьшения сопротивления требует дальнейшего изучения.
Генератор пузырьков с непрерывным спектром (CSBG) предложен командой Шанхайского университета Цзяотун, генератор пузырьков, который может генерировать непрерывно контролируемые по размеру пузырьки.
Размер образующихся пузырьков воздуха может достигать ожидаемого значения, генератор может работать в одних и тех же условиях газожидкостного потока (газовая фаза, поток жидкой фазы). При помощи чего могут быть получены пузырьки заданного размера, которые можно использовать в различных областях исследований газожидкостного двухфазного течения.
Когда команда Шанхайского университета Цзяо Тонг изучала принцип работы генератора континуальных пузырей, они провели эксперимент по визуализации и проанализировали макроскопические характеристики генератора с измерением двухфазного потока при помощи высокоскоростной камеры в сочетании с системой корреляции цифровых изображений DIC.
Надежность генератора континуальных пузырей (CSBG) была проверена, и соответствующие результаты исследований были опубликованы во всемирно известном журнале «Chemical Engineering Science», формат цитирования: Хуанг Г., Ху И, Инь, Шан и Ван Д. (2022 г.)
Командой исследователей была представлена принципиальная схема экспериментального контура исследования макроскопических характеристик КСБГ, в состав которой входят генератор пузырьков, пара высокоскоростных видеокамер, устройство визуального измерения, электромагнитный расходомер, регулятор расхода газа, а также насос с несколькими клапанами и трубопроводами.
Чтобы проверить макроскопические характеристики CSBG, диаметр регулируемой форсунки генератора установлен на 2 мм. Сцена, где требуются большие или меньшие пузырьки достигается путем увеличения или уменьшения диаметра форсунки.
Режущий затвор приводится в движение серводвигателем, и его скорость можно точно контролировать до 3 оборотов в минуту. В эксперименте интенсивность резки изменяется путем управления скоростью затвора, чтобы контролировать размер выпускаемых пузырьков.
Экспериментальная петля — это круглый проточный канал с внутренним диаметром 50 мм. Чтобы свести к минимуму влияние показателя преломления на высокоскоростную визуализацию, прямоугольный резервуар для воды установлен вне секции визуальных измерений в качестве смотровой площадки.
Фазовый поток измеряется электромагнитным расходомером, а газовая фаза хранится в цилиндре после сжатия компрессором, а поток газа в контуре контролируется регулятором расхода газа.
В верхней части установлен большой резервуар для воды, а разделение газовой и жидкой фаз осуществляется под действием силы тяжести, чтобы гарантировать, что входная секция эксперимента не будет затронута пузырьками предварительной последовательности.
На размер пузырьков CSBG влияют три основных фактора: поток газовой фазы, поток жидкой фазы и скорость двигателя затвора. Чтобы изучить влияние скорости двигателя на размер пузырьков при различных условиях потока газовой и жидкой фаз, было поставлено 2 эксперимента.
Всего в двух примерах было задано 23 группы по 460 экспериментальных точек, а условия эксперимента показаны в таблице ниже.
Команда Шанхайского университета Цзяо Тонг использует в эксперименте высокоскоростные видеокамеры Revealer с технологией корреляции цифровых изображений DIC .
Технология измерения и анализа двухфазного потока, разработанная командой, создала экспериментальную платформу визуального измерения пузырьков для дальнейшего наблюдения.
Для изучения предварительных экспериментальных характеристик CSBG при одинаковых условиях газожидкостного течения было изучено влияние различных скоростей вращения на размер пузырьков. Показана типичная визуализация окна наблюдения и соответствующих пузырьков при разных скоростях вращения.
Размер популяции пузырьков, генерируемых распылителем, относительно однороден, когда CSBG не работает. Когда ЦСБГ начинает работать и скорость достаточно низкая (0-600 об/мин).
Влияние скорости затвора на размер пузырьков ограничено. Хотя на изображении видно больше мелких пузырьков, все же преобладают более крупные пузырьки. Вращение крыльчатки позволяет CSBG играть важную роль в разрушении пузырьков, тем самым значительно уменьшая размер пузырьков. В эксперименте размер пузырька можно визуально наблюдать по изображению пузырька, когда скорость превышает 600 об/мин.
Группа пузырьков быстро уменьшается с увеличением скорости вращения. Как упоминалось выше, ожидается, что распределение исходных пузырьков, генерируемых распылителем, по размерам будет близким к равномерному распределению, что сделает распределение размеров пузырьков на выходе из высокоскоростного сдвигового устройства
Чтобы количественно изучить влияние скорости вращения на размер пузырьков, исследовательская группа проанализировала изменение среднего диаметра пузырьков (AMD и SMD) с увеличением скорости вращения. На этом этапе разрыв и слияние конкурируют за поддержание динамической стабильности с пузырьковым датчиком.
Было показано, что у AMD скорость вращения 0,27, а у SMD скорость вращения 0,37. Влияние CSBG на размер пузырьков существенно различается при изменении объемного коэффициента пустотности и массового расхода жидкости.
В сочетании с исходным изображением пузырьков, полученным с высокой скоростью, как показано на рисунке выше, явление можно объяснить следующим образом: в начальной области стабильное высокоскоростное сдвиговое поле не может быть сформировано из-за низкой скорости вращения.
Постоянное схлопывание пузырьков приводит к нестабильной тенденции изменения среднего размера пузырьков. Поэтому область 0-500 об/мин считается начальной стадией CSBG.
В данной области высокоскоростное движение затвора формирует устойчивое поле сдвига, которое обеспечивает достаточную энергию для схлопывания исходных пузырьков, попадающих в поле сдвига. Взрыв пузырьков вызван затвором. Поэтому область, где скорость вращения превышает 500 об/мин, считается стабильной областью.
В настоящем эксперименте был разработан и изготовлен прототип CSBG для изучения его характеристик в различных условиях работы. Команда проверила надежность пузырьков непрерывного размера, производимых CSBG, с помощью метода эксперимента по визуализации и системы измерения двухфазного потока.
Была получена экспериментальная кривая работы CSBG и установлена связь между средним размером пузырьков и двумя влияющими факторами: скоростью вращения и расходом газа.
Экспериментальные результаты показывают, что CSBG способен генерировать пузырьки непрерывного размера в миллиметровом диапазоне; стабильная рабочая зона находится в диапазоне 500–1500 об/мин, а SMD в стабильной рабочей зоне положителен в степени -0,37 скорости вращения.
CSBG увеличивается с увеличением приведенной скорости газовой фазы, а СМД в стабильной рабочей зоне пропорциональна степени 0,263 приведенной скорости газовой фазы, но связь с приведенной скоростью жидкости фаза не имеет значения.
[1] Chen, W., G. Huang, Y_ Hu on Yin and D. Wang (2022) «Экспериментальное исследование генератора пузырей непрерывного спектра, метод обработки изображения перекрывающихся пузырьков». Химическая инженерия: 117613 DOl: https://doi.org/10.1016Vij.ces.2022.117613.
[2]Song Y, Y Qian, Xia Zhang, Shang Yin and D. Wang (2022) «Одновременные измерения деформации и разрыва пузырьков с окружающего жидкофазного потока». Experiments in Fluids 63(5): 1-20. DOl: https://doi.org/10.1007/s00348-022-03431-8 (двухфазное трехмерное одновременное измерение газа и жидкости). )
[3] jGong, C., Y. Song, G. Huang, W. Chen on Yin and D. Wang (2022). «Нейросетевой подход к трехмерной реконструкции геометрии пузырьков по изображениям с одной проекции». International _ Journal of Multiphase: 104100
[4] Чжан, Т., Г. Хуан, Шан Инь, З. Чжан, Д. Ван, Ю Сунь и Ю. Ляо (2021 г.) «Исследование вихревой неустойчивости в лопастном сепараторе с PIV» Journal of Fluids Engineering. DOl: https:/Wdoi.org/10.1115/1.4052547 (двухфазное трехмерное одновременное измерение газ-жидкость)
Статья подготовлена исследовательской группой доктора Ван Дэчжуна и доктора Инь Цзюньляня из Шанхайского университета Цзяотун.
