Taylor--Couette流中单液滴破碎的实验研究和数值模拟
液-液破碎是许多工业过程中常见的物理现象，其可增加液-液两相的接触面积，从而促进液液两相之间的传质和传热。然而，液滴在多相流场中的破碎规律仍不十分明确，不同形式的反应器中获得液滴临界破碎条件仍不统一，因此，本文对液滴在Taylor-Couette反应器中的破碎过程开展研究，以得到液滴在该类旋转狭缝式的反应器中的破碎条件。 本文的研究手段主要包括实验研究和数值模拟。实验中，采用高速摄像技术研究了Taylor-Couette流场中液滴的破碎条件、破碎概率、破碎时间等;使用二维PIV（Particle Image Velocimetry）技术研究了液滴破碎条件下的单相流场特性，并分析了黏性力和惯性力在液滴破碎过程中的作用。针对当量直径为6.0mm(±0.2mm)的液滴，实验结果表明:随着转子雷诺数的增加，液滴破碎概率增大，破碎平均时间减小，液滴破碎的转子临界雷诺数为16328。通过分析Taylor-Couette反应器中的流场结构，得到了临界条件下液滴破碎区域的湍动能及耗散率、剪切速率的范围，并提出液滴发生破碎时的临界毛细管数为0.27，临界韦伯数为4.79。 数值模拟中，采用二维和三维模拟方法分别对单个液滴的破碎过程进行了模拟，并与实验结果进行了比较，得到了合理准确的模拟方法，并对不同条件下液滴破碎过程中的流场、液滴运动轨迹、表面积变化、临界韦伯数等内容进行了相应的分析。结果表明，二维模拟不能真实还原液滴在轴向的拉伸破碎过程，而三维模拟对液滴的破碎时间和形变程度的描述更为准确。液滴在形变及破碎过程中，受到切向的剪切和轴向的拉伸共同作用。最后根据液滴运动过程中流场的特性，对韦伯数的U2进行了重新定义，发现当韦伯数小于3.98时，液滴都未发生破碎，当韦伯数大于5.35时，液滴都能发生破碎。
液-液界面;Taylor-Couette流场;液滴破碎;高速摄像;数值模拟
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
蔡子琦
2021
中文
O647.11
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）