Bubble Plume Oscillations in Viscous Fluids

粘性流體中的氣泡振蕩

來(lái)源：Chem. Eng. Technol. 2017, 40, No. 8, 1484–1493

 

論文摘要總結(jié)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了氣泡柱反應(yīng)器在粘性流體中的混合潛力，重點(diǎn)分析了非均勻曝氣的擬二維氣泡柱中氣泡羽流的低頻振蕩現(xiàn)象。研究采用多種測(cè)量方法（粒子圖像測(cè)速PIV、陰影成像、壓力傳感器和氧傳感器）系統(tǒng)考察了流體性質(zhì)（黏度1-100 mPa·s，表面張力）和操作條件（氣體流速、分布器類型）對(duì)氣泡羽流振蕩行為的影響。結(jié)果表明，氣泡羽流的低頻振蕩（0.1 Hz量級(jí)）與流體黏度、表面張力及氣泡尺寸分布密切相關(guān)，且振蕩特征可通過(guò)無(wú)量綱數(shù)（如Strouhal數(shù)、Frouhal數(shù)）定量關(guān)聯(lián)。

研究目的

本研究旨在揭示黏性流體中氣泡柱反應(yīng)器的混合機(jī)制，具體目標(biāo)包括：

 

量化氣泡羽流振蕩特性：探究黏度和表面張力對(duì)氣泡羽流低頻振蕩頻率和振幅的影響。

建立多方法驗(yàn)證體系：通過(guò)PIV、陰影成像、壓力傳感器和氧傳感器的協(xié)同測(cè)量，交叉驗(yàn)證振蕩信號(hào)的可靠性。

指導(dǎo)生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)：為厭氧消化等生物過(guò)程提供避免顆粒沉降和表面結(jié)殼的混合優(yōu)化策略。

 

完善尺度放大模型：填補(bǔ)黏性流體中氣泡柱流體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的空白，改進(jìn)無(wú)量綱關(guān)聯(lián)式。

 

研究思路

研究遵循"實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)-多方法測(cè)量-數(shù)據(jù)分析-機(jī)理關(guān)聯(lián)"的邏輯鏈：

 

實(shí)驗(yàn)裝置：使用擬二維氣泡柱（0.35 m寬×2 m高），設(shè)置兩種分布器（膜式產(chǎn)生毫米級(jí)橢球形氣泡、節(jié)流式產(chǎn)生厘米級(jí)球冠氣泡）和四種流體（水、Breox溶液調(diào)變黏度和表面張力）。

同步測(cè)量：

 

氣相：陰影成像捕捉氣泡位置、尺寸分布和羽流軌跡重力中心（圖4）。

 

液相：PIV測(cè)量液體速度場(chǎng)；壓力傳感器監(jiān)測(cè)四位置脈動(dòng)；Unisense氧傳感器記錄溶解氧波動(dòng)。

 

信號(hào)處理：對(duì)所有信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和自相關(guān)函數(shù)處理，提取主導(dǎo)振蕩頻率（圖5）。

 

參數(shù)優(yōu)化：系統(tǒng)改變氣體流速（50-200 L·h?1）和流體性質(zhì)（黏度1-100 mPa·s），分析振蕩頻率變化規(guī)律（表5）。

 

無(wú)量綱分析：通過(guò)Strouhal數(shù)（St）、Grashof數(shù)（Gr）和新提出的Frouhal數(shù)（基于氣泡當(dāng)量直徑）關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，揭示尺度律。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

 

多方法振蕩頻率數(shù)據(jù)（來(lái)自圖5和表3）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：PIV、陰影成像、壓力傳感器和氧傳感器在相同條件下（水，100 L·h?1）測(cè)得的振蕩周期高度一致（約21-28秒），證明羽流振蕩是氣液耦合的宏觀現(xiàn)象。

 

研究意義：驗(yàn)證了多方法協(xié)同的可靠性；低頻振蕩（0.04-0.05 Hz）對(duì)應(yīng)大尺度渦旋，是混合的主要驅(qū)動(dòng)力。

 

黏度影響數(shù)據(jù)（來(lái)自表5和圖6）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：黏度在1-20 mPa·s范圍內(nèi)，振蕩周期隨黏度增加而減小（如膜式分布器在100 L·h?1下，周期從21.6 s降至16.2 s）；黏度>52 mPa·s時(shí)周期反彈（增至17.9 s）。

 

研究意義：中等黏度抑制氣泡聚并、減小尺寸，增強(qiáng)振蕩；高黏度促進(jìn)大氣泡形成，削弱振蕩幅度。

 

表面張力影響數(shù)據(jù)（來(lái)自表5）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：表面張力從75 mN·m?1降至55 mN·m?1時(shí)，低頻振蕩在高氣速下顯著增強(qiáng)（周期變化達(dá)20%）。

 

研究意義：低表面張力抑制氣泡聚并，增加氣含率，從而強(qiáng)化羽流不穩(wěn)定性。

 

分布器效應(yīng)數(shù)據(jù)（來(lái)自表3）：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：膜式分布器（產(chǎn)生小氣泡）的振蕩周期比節(jié)流式（大氣泡）長(zhǎng)10%-15%。

 

研究意義：氣泡終端速度決定振蕩頻率，小氣泡上升慢導(dǎo)致低頻振蕩。

 

無(wú)量綱關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)（來(lái)自圖8和圖9）：

 

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：Strouhal數(shù)（St）與Grashof數(shù)（Gr）關(guān)聯(lián)分散（圖8），而基于氣泡當(dāng)量直徑的Frouhal數(shù)（Fr）與St呈現(xiàn)漸近關(guān)系（圖9）。

 

研究意義：提出Fr數(shù)更能捕捉氣泡尺寸的影響，為尺度放大提供新參數(shù)。

 

結(jié)論

 

振蕩機(jī)制：氣泡羽流低頻振蕩由氣泡終端速度與浮力驅(qū)動(dòng)的大尺度渦旋共同控制，黏度通過(guò)改變氣泡尺寸間接調(diào)制振蕩頻率。

參數(shù)敏感性：振蕩頻率隨氣速增加而增加，隨黏度（<20 mPa·s）增加而增加，但高黏度（>50 mPa·s）會(huì)抑制振蕩。

設(shè)計(jì)啟示：對(duì)于高黏度生物反應(yīng)器，宜采用小氣泡分布器和中等氣速以優(yōu)化混合。

 

模型改進(jìn)：新提出的Frouhal數(shù)（基于氣泡尺寸）比傳統(tǒng)Grashof數(shù)更能預(yù)測(cè)黏性流體中的振蕩行為。

 

詳細(xì)解讀使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的意義

丹麥Unisense氧傳感器在本研究中用于監(jiān)測(cè)溶解氧濃度的低頻波動(dòng)，其數(shù)據(jù)意義如下：

 

直接驗(yàn)證混合效率：

 

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)：圖5c顯示溶解氧信號(hào)與其他方法（壓力、PIV）同步波動(dòng)，周期約21-25秒（表3）。

 

研究意義：證明氧傳輸與流體混合同源，氣泡羽流振蕩是質(zhì)量傳遞的驅(qū)動(dòng)力；氧傳感器響應(yīng)慢（0.5秒）但仍能捕捉宏觀振蕩。

 

量化氣液傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)：

 

數(shù)據(jù)內(nèi)容：氧波動(dòng)幅度反映局部氣含率變化，高氣速下波動(dòng)加劇（表3中200 L·h?1時(shí)周期縮短至15秒）。

 

研究意義：結(jié)合陰影成像的氣泡數(shù)據(jù)，可關(guān)聯(lián)振蕩頻率與傳質(zhì)系數(shù)，為反應(yīng)器供氧優(yōu)化提供依據(jù)。

 

識(shí)別流型轉(zhuǎn)變：

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：Unisense傳感器在高黏度流體中仍能檢測(cè)氧波動(dòng)（表5），而光學(xué)方法受氣泡遮擋限制。

 

研究意義：在Breox溶液（黏度100 mPa·s）中，氧信號(hào)消失提示流型從渦旋流（VF）轉(zhuǎn)變?yōu)殡p胞過(guò)渡流（DCTF），為流型判據(jù)提供補(bǔ)充。

 

生物過(guò)程關(guān)聯(lián)：

 

應(yīng)用延伸：在厭氧消化等生物過(guò)程中，Unisense數(shù)據(jù)可直接關(guān)聯(lián)微生物活性與混合效果，避免局部缺氧導(dǎo)致的反應(yīng)器失效。

 

總之，Unisense氧傳感器不僅驗(yàn)證了氣泡羽流振蕩對(duì)混合的貢獻(xiàn)，還通過(guò)傳質(zhì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)將流體力學(xué)與反應(yīng)工程耦合，為生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了關(guān)鍵指標(biāo)。