1、兩相流測(cè)量分析技術(shù)在CSBG研究中的應(yīng)用

氣液兩相流研究中氣相的統(tǒng)計(jì)學(xué)和動(dòng)力學(xué)測(cè)量對(duì)兩相流的建模、流動(dòng)阻力、傳熱傳質(zhì)等問(wèn)題有著重要的影響，準(zhǔn)確地測(cè)量氣泡群的氣泡尺寸、形狀、位置、動(dòng)力學(xué)速度等參數(shù)，可以為分析兩相流的關(guān)鍵參數(shù)如氣泡動(dòng)力學(xué)軌跡、含氣率分布、滑移速度比等提供支持。其中，氣泡大小的參數(shù)對(duì)氣泡流具有重要意義。氣泡尺寸是微氣泡湍流減阻的關(guān)鍵參數(shù)，同樣受限于產(chǎn)生不同尺寸氣泡的困難，微氣泡湍流減阻的尺寸效應(yīng)需要進(jìn)一步研究。

連續(xù)譜氣泡發(fā)生器（Continuous spectrum bubble generator, CSBG）是上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的，一種能夠產(chǎn)生尺寸連續(xù)可控氣泡的氣泡發(fā)生器，引入伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)葉輪，通過(guò)控制葉輪轉(zhuǎn)速調(diào)整機(jī)械剪切強(qiáng)度，使產(chǎn)生的氣泡尺寸達(dá)到預(yù)期值。其最大特點(diǎn)是能在相同的氣液流動(dòng)工況（氣相、液相流量不變）的條件下獲得設(shè)定尺寸的氣泡，可用于氣液兩相流的各個(gè)研究領(lǐng)域中。

上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)在研究連續(xù)譜氣泡發(fā)生器原理時(shí)，開(kāi)展了可視化實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)千眼狼高速攝像機(jī)結(jié)合兩相流測(cè)量分析技術(shù)分析了該發(fā)生器的宏觀特性，驗(yàn)證了連續(xù)譜氣泡發(fā)生器（CSBG）的可靠性，相應(yīng)研究成果發(fā)表在了國(guó)際知名期刊《Chemical Engineering Science》中，引用格式：Chen, W., Huang, G., Hu, Y., Yin, J., & Wang, D. (2022). Experimental study on Continuous Spectrum Bubble Generator with a new overlapping bubbles image processing technique. Chemical Engineering Science,117613.doi:https://doi.org/10.1016/j.ces.2022.117613》

2、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1/2.實(shí)驗(yàn)方法

上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)伺服電機(jī)控制機(jī)械剪切的方法控制生成氣泡的尺寸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泡尺寸的連續(xù)控制。由于控制氣泡尺寸的困難，實(shí)驗(yàn)研究先預(yù)估所需要的氣泡尺寸，再通過(guò)控制氣泡發(fā)生器的孔徑來(lái)生成與所需尺寸相近的氣泡，并通過(guò)高速攝像機(jī)觀察、兩相流測(cè)量分析等方法測(cè)量實(shí)際氣泡尺寸。

圖1 實(shí)驗(yàn)回路的示意圖

圖1為CSBG的宏觀特性實(shí)驗(yàn)研究回路示意圖，是由氣泡發(fā)生器、高速剪切器、可視化測(cè)量段、電磁流量計(jì)、氣體流量控制器、泵和若干閥、管道等部分組成。為驗(yàn)證CSBG的宏觀特性，設(shè)定發(fā)生器的孔洞直徑為2mm，在需要更大或更小源氣泡的場(chǎng)景中，可以通過(guò)增大、縮小孔徑實(shí)現(xiàn)。高速剪切器內(nèi)設(shè)置了一臺(tái)切割葉輪，葉輪由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速可精確控制到 3rpm，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制葉輪的轉(zhuǎn)速來(lái)改變其切割的強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泡尺寸的控制。實(shí)驗(yàn)回路為內(nèi)徑50mm的圓形流道，為最小化折射率對(duì)高速成像的影響，可視化測(cè)量段外設(shè)置了一個(gè)矩形水箱作為觀察盒。實(shí)驗(yàn)的氣液兩相介質(zhì)分別為水和空氣，液相流量由電磁流量計(jì)測(cè)量，氣相則由壓縮機(jī)壓縮空氣后存儲(chǔ)在氣罐中，并通過(guò)氣體流量控制器控制進(jìn)入回路的氣相流量。為確?；芈分械臍庖合喾蛛x，回路上部設(shè)置了一個(gè)大水箱，利用重力實(shí)現(xiàn)氣液相分離，確保實(shí)驗(yàn)入口段沒(méi)有前序氣泡的影響。

影響CSBG氣泡尺寸的主要因素有三個(gè)：氣相流量、液相流量和電機(jī)轉(zhuǎn)速。為研究在不同氣相、液相流量工況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)氣泡尺寸的影響，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了兩個(gè)實(shí)例共23組460個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)條件

2/2.氣泡可視化測(cè)量

實(shí)驗(yàn)利用千眼狼攝像機(jī)與上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)發(fā)的兩相流測(cè)量分析技術(shù)，搭建氣泡可視化測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)一步觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)CSBG每組實(shí)驗(yàn)氣泡群運(yùn)動(dòng)過(guò)程、尺寸大小進(jìn)行觀察分析。可視化測(cè)量對(duì)基于凹點(diǎn)檢測(cè)和快速分段弧聚類的重疊氣泡圖像進(jìn)行處理，對(duì)氣泡圖像進(jìn)行去背景、二值化和邊界提取，凹點(diǎn)分割、弧段聚類并擬合獲得氣泡的尺寸信息。

圖2 氣泡圖像處理技術(shù)流程圖

3/2.CSBG的實(shí)驗(yàn)研究

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的原始?xì)馀輬D像

為探索CSBG的初步實(shí)驗(yàn)特性，在相同氣液流量條件下，研究了不同轉(zhuǎn)速對(duì)氣泡尺寸的影響。顯示了觀察窗的典型可視化結(jié)果以及不同轉(zhuǎn)速下相應(yīng)的氣泡尺寸分布。如圖3所示，當(dāng)CSBG不工作時(shí)(0rpm，3a)由噴霧器產(chǎn)生的氣泡群的氣泡大小相對(duì)均勻。當(dāng)CSBG開(kāi)始工作且轉(zhuǎn)速較低時(shí)(0-600轉(zhuǎn)/分，圖3b和c)，葉輪的旋轉(zhuǎn)對(duì)氣泡尺寸的影響是有限的。雖然氣泡圖像中會(huì)有更多的小氣泡散落，但較大的氣泡仍然占主導(dǎo)地位。隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加(超過(guò)600rpm圖3d到h)，葉輪的旋轉(zhuǎn)使CSBG在氣泡破碎中發(fā)揮重要作用，從而顯著減小氣泡尺寸。實(shí)驗(yàn)中從氣泡圖像中可以視覺(jué)觀察到氣泡的氣泡尺寸當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)600rpm時(shí)，氣泡群隨著轉(zhuǎn)速的增加而迅速減少。如上所述，噴霧器產(chǎn)生的源氣泡的氣泡尺寸分布預(yù)計(jì)接近均勻分布，這將使通過(guò)高速剪切裝置出口處的氣泡尺寸分布研究CSBG的特性變得更加容易。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下相應(yīng)的氣泡尺寸分布

如圖4a顯示分布器產(chǎn)生的源氣泡尺寸大致接近，主要集中在0–3mm范圍內(nèi)。然而，即使葉輪不運(yùn)行，氣泡仍必須通過(guò)剪切裝置和彎管從分布器到達(dá)觀察箱。所以可以解釋較大氣泡和較小氣泡的存在。隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，大氣泡的破裂加劇，并逐漸從氣泡圖像中消失。使用對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型擬合氣泡尺寸分布，可以發(fā)現(xiàn)氣泡尺寸分布與對(duì)數(shù)正態(tài)分布之間的擬合程度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。這表明當(dāng)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高時(shí)由CSBG產(chǎn)生的氣泡群的氣泡尺寸分布近似滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

此外，氣泡發(fā)生器的另一個(gè)重要參數(shù)是氣泡尺寸分布。氣泡尺寸分布的半峰全寬在這里用于表示氣泡尺寸分布的濃度。仔細(xì)分析了氣泡尺寸分布的所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果。發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)600rpm時(shí)，所有氣泡尺寸分布的FWHM都不大于1mm，這表明CSBG產(chǎn)生的氣泡集中在一個(gè)相對(duì)較窄的范圍內(nèi)。

圖5 平均氣泡尺寸隨轉(zhuǎn)速的變化曲線(a)未擬合(b)擬合(R指轉(zhuǎn)速)

為了定量研究旋轉(zhuǎn)速率對(duì)氣泡尺寸的影響，科研團(tuán)隊(duì)分析了氣泡平均直徑(AMD和SMD)隨旋轉(zhuǎn)速率增加的變化。如圖5所示，隨著轉(zhuǎn)速的增加，AMD和SMD均顯著下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1500rpm時(shí)，氣泡尺寸隨著轉(zhuǎn)速的增加而穩(wěn)定減小。葉輪的高速旋轉(zhuǎn)為流體旋轉(zhuǎn)提供了能量，旋流的形成加劇了小氣泡的聚結(jié)。在這一階段，破裂和聚結(jié)相互競(jìng)爭(zhēng)以保持氣泡尺寸的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1500rpm時(shí)，葉輪的轉(zhuǎn)速對(duì)平均氣泡尺寸起著重要作用。圖5(b)表明AMD具有0.27的旋轉(zhuǎn)速率的冪律，而SMD具有0.37的旋轉(zhuǎn)速率的冪律。當(dāng)體積空隙率和液體質(zhì)量流量變化時(shí)，CSBG對(duì)氣泡尺寸的影響顯著不同。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)案例詳細(xì)探討了體積空隙率對(duì)氣泡尺寸的影響。CSBG工作區(qū)間分為兩個(gè)區(qū)域：初始區(qū)域和穩(wěn)定區(qū)域。在0–500rpm范圍內(nèi)，所有體積空隙率條件的結(jié)果表明，AMD和SMD與轉(zhuǎn)速的增加幾乎沒(méi)有定量關(guān)系，只有波動(dòng)。

圖6 不同氣體表觀速度和不同轉(zhuǎn)速下的可視化原始?xì)馀輬D像示例

結(jié)合高速采集的原始?xì)馀輬D像結(jié)果圖，如圖6這種現(xiàn)象可以解釋為:在初始區(qū)域，由于低轉(zhuǎn)速不能形成穩(wěn)定的高速剪切場(chǎng)。由葉輪旋轉(zhuǎn)提供的能量不足以使氣泡穩(wěn)定地破裂，這導(dǎo)致平均氣泡尺寸的不穩(wěn)定趨勢(shì)。因此，0-500rpm的區(qū)域被認(rèn)為是CSBG的初始階段。當(dāng)葉輪的轉(zhuǎn)速超過(guò)500rpm時(shí)，平均氣泡尺寸隨著轉(zhuǎn)速的增加而穩(wěn)步減小。在該區(qū)域，葉輪的高速旋轉(zhuǎn)形成了穩(wěn)定的剪切場(chǎng)，這為進(jìn)入剪切場(chǎng)的源氣泡的破裂提供了足夠的能量。氣泡的破裂由葉輪的旋轉(zhuǎn)控制，導(dǎo)致氣泡的平均尺寸穩(wěn)定減小。因此，轉(zhuǎn)速超過(guò)500rpm的區(qū)域被認(rèn)為是穩(wěn)定區(qū)域。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)CSBG原型機(jī)，研究其在不同工況下的性能。團(tuán)隊(duì)通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)方法和兩相流測(cè)量系統(tǒng)驗(yàn)證了CSBG產(chǎn)生連續(xù)大小氣泡的可行性，并得到了CSBG的實(shí)驗(yàn)工作曲線，擬合了平均氣泡尺寸與轉(zhuǎn)速和氣相流量?jī)蓚€(gè)影響因素之間的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CSBG具備在毫米級(jí)范圍內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)尺寸氣泡的能力；穩(wěn)定工作區(qū)為500~1500rpm范圍，穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)SMD與轉(zhuǎn)速的-0.37次方成正比；CSBG的BMD隨氣相表觀流速的增加而增加，穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)SMD與氣相表觀流速的0.263次方成正比；但與液相表觀速度的關(guān)系不顯著。

參考文獻(xiàn)

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（此文源自上海交通大學(xué)王德忠博士、尹俊連博士研究團(tuán)隊(duì)）