气泡在非牛顿流体中的运动行为及流场特性

论文摘要

非牛顿流体中的气泡行为广泛存在于诸如废水处理、塑料发泡、原油加工、发酵和聚合物脱挥等化工过程中。羧甲基纤维素钠(CMC)溶液和聚丙烯酰胺(PAAm)溶液是两种广泛应用的非牛顿流体,本文对这两种流体中的气泡上升运动进行了研究。在低气速条件下,采用激光测速技术测量了气泡在非牛顿流体中的上升速度。实验结果表明,气泡在CMC溶液中呈椭球形状并保持直线上升,在PAAm溶液中呈倒泪滴状并摇摆上升,而流体的粘性则可以有效地抑制流体弹性引起的轨迹振荡。在气泡上升过程中,CMC溶液中的气泡平均体积随喷嘴直径增大而增大,而在PAAm溶液中却刚好相反。此外,在这两种非牛顿流体中,气泡上升速度随溶液浓度的增大而减小,气泡平均体积和上升速度随进气流量的增大而增大。在低气速条件下,利用激光多普勒测速仪测量了气泡上升过程中周围液相的速度场。结果表明,液相时均速度在轴向和径向上的分布体现出特定的规律。统计分析发现,动量在轴向和径向之间的传递情况随流体流变性质的变化而改变。傅立叶分析表明气泡在CMC溶液中上升时,气液两相都表现出明显的周期性特征,PAAm溶液中的气泡上升是混沌运动。小波分析表明,气泡剪切作用和流体流变性对液相的能量传递和湍流结构产生很大影响,湍流中存在相干结构。重标极差分析法(R/S分析)表明,在本实验条件下在PAAm溶液中气泡上升过程具有双分形性质,表现为两种不同程度的正持久性动力学特征。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 牛顿流体
• 1.2 非牛顿流体的定义和分类
• 1.3 非牛顿流体的的流变学性质
• 1.3.1 流变学的定义和研究内容
• 1.3.2 广义非牛顿流体的本构方程
• 1.4 非牛顿流体中的气泡行为
• 1.4.1 气泡的生成
• 1.4.2 气泡的上升
• 1.4.3 气泡的聚并和破裂
• 1.5 气泡行为及其周围流场的测试手段
• 1.5.1 摄像法
• 1.5.2 热线测速仪
• 1.5.3 激光多普勒测速仪
• 1.5.4 粒子成像测速仪
• 1.6 时间序列的分析手段
• 1.6.1 混沌分析
• 1.6.2 分形分析
• 1.6.3 傅立叶分析
• 1.6.4 小波分析
• 1.6.5 时间序列分析在Matlab 环境下的数学实现
• 1.7 本章小结
• 第二章 气泡在非牛顿流体中的运动行为研究
• 2.1 实验原理及装置
• 2.2 实验步骤
• 2.3 实验药品及溶液制备
• 2.4 实验物系的流变性质
• 2.5 实验结果与讨论
• 2.5.1 溶液流变性质对气泡上升运动的影响
• 2.5.2 喷嘴直径对气泡上升运动的影响
• 2.5.3 进气流量对气泡上升运动的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 气泡周围液相速度场的特性研究
• 3.1 激光多普勒测速原理
• 3.2 激光多普勒测速仪的组成及工作原理
• 3.2.1 氩离子激光器及其冷却系统
• 3.2.2 激光分光系统
• 3.2.3 信号发射和接收探头
• 3.2.4 信号处理器和光电倍增管
• 3.2.5 三维坐标架
• 3.2.6 主控计算机
• 3.3 实验方案及操作步骤
• 3.3.1 实验装置及测试方案
• 3.3.2 操作步骤
• 3.4 液相速度场采集结果的坐标变换
• 3.5 实验试剂及溶液制备
• 3.6 实验物系的流变性质
• 3.7 时均速度分布
• 3.7.1 测试截面上时均速度的轴向分布
• 3.7.2 测试截面上时均速度的径向分布
• 3.7.3 测试截面上时均速度的等值图和矢量图分析
• 3.8 统计分析
• 3.8.1 雷诺应力分布
• 3.8.2 湍流强度分布
• 3.9 本章小结
• 第四章 液相瞬时速度时间序列的时频分析和分形分析
• 4.1 傅立叶分析
• 4.2 分形分析
• 4.3 小波分析
• 4.3.1 局部间歇性测度
• 4.3.2 不同测量位置的能量分布
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢