论文摘要
气液两相流广泛存在于钢铁生产的各反应器中,气泡的形成及气泡在液体中的上升速度研究对高效发挥气液反应器的功能十分重要,气泡形成的行为决定了气泡在气液系统中初始气泡尺寸；气泡在液体中的上升速度决定了相间的接触时间,进而决定了相间的传输过程。因此,研究气泡在液体中的行为有十分重要的理论和实际意义。本文通过物理实验及数值模拟研究了气泡在液体中的行为。在实验室建立了一套加压实验装置,利用高清单反相机对加压容器中的气泡在液体中的运动形态进行了拍摄,通过会声会影软件和Photoshop软件处理图像,研究不同压力条件下液体中气泡的上升速度与尺寸的变化规律。数值模拟采用VOF方法、PLIC界面重构技术及连续表面张力模型,建立了二维底吹气泡在液体中行为的数学模型,分析气泡形成、运动、聚合和破裂过程,考查了各参数对气泡行为的影响。通过物理实验结果可知,直径在4mm-8mm范围内的气泡在液体中运动呈现螺旋型上升轨迹,而直径大于8mm的气泡在液体中呈现近似直线上升。压力越大,越有利于气泡在上升过程中保持形貌的稳定,气泡呈近似的球形。气泡上升速度随着喷嘴孔径和气体流量的增大而增大,随着压力的增加而减小。压力增加会导致气泡尺寸的减小,在大的孔径（8mm）下,压力对气泡尺寸的影响比小孔径（1mm）更为明显,喷嘴孔径对气泡的尺寸有决定性影响。数值模拟结果能显示气泡在液体中的形成、上升及在液面处的破裂过程,接触角的增大会推迟气泡在孔口处的形成时间。气泡直径和气泡速度随着接触角、表面张力、气体流速和喷嘴孔径的增大而增大,随着液体密度的增大而减小。液体的粘度对气泡直径的影响较小。气泡速度随着液体粘度的增大而减小。垂直和错位两气泡在液体中运动时,两气泡碰撞融合为一个大的椭圆形气泡在液体中上升。水平同直径两气泡在液体中运动表现为靠近-远离-再靠近-再远离,水平异直径两气泡在上升过程中,大气泡形成的尾迹区对小泡有加速的作用,但在运动过程中没有气泡的融合；表面张力能维持气泡的形状,表面张力较小时,气泡会破裂成多个气泡。部分数值模拟结果与文献中的结果进行了对比,两者有很好的一致性。