细长平行板间液桥形成及流体力学研究

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液体在螺旋线间隙流动时能够形成稳定的液桥,进而形成螺旋液桥降液过程。课题组以往的研究仅说明了液体在螺旋线上形成流动液桥的可行性,并没有对流动液桥的形成、结构和流体力学进行全面的研究。了解液桥形成的影响因素及机制,探究其内部流场分布情况,对螺旋液桥降液过程在化工过程的应用具有重要意义。本文通过搭建可视化流体流动实验平台,利用高速摄像捕捉液体在矩形截面钢丝制作的螺旋线上流动时液桥的形态,并利用Image J软件进行图像数据处理,寻找液桥结构在不同操作条件下的变化规律。探究了液相负荷(10-45 m L/min)、液体性质(表面张力和粘度)对液桥形态的影响。结果表明,液相负荷对于液桥结构的影响最大,液桥横截面积和颈宽(液桥横截面最窄处宽度)随着液相负荷的增加而变大,但具有极大值;液体表面张力和粘度对液桥的结构影响较小,在相同液相负荷条件下,高粘度流体颈宽较大且内部流速较小,高表面张力流体颈宽较小。为了更加系统地研究流动液桥的结构与流体力学,通过合理假设,将螺旋线模型简化为细长平行板模型,利用计算流体力学软件(CFD)对液体在螺旋线上的这种半约束流动过程进行近似模拟。研究了液相负荷、液体特性(表面张力和粘度)和平行板间距对液桥轮廓、内部流场和静压力分布的影响及规律。将实验中不同液相负荷下液桥数据与模拟结果进行对比,并比较模拟所得液桥内外压差与简化的Young-Laplace方程理论计算值,证明本文中所得到的CFD数值模拟结果能够较为准确地描述液体在螺旋线上形成流动液桥的过程。研究结果表明,液桥内部流速分布为中心位置速度最大,由中心至相界面速度逐渐减小,且速度分布关于x轴和y轴对称;内凹形液桥轮廓,气相压力大于液相压力,在相界面处静压发生突变。同时,上述影响因素对液桥内部压力分布、液桥内部流速大小和流速均一性均会产生影响。本文研究结论丰富了螺旋液桥降液过程相关流体力学理论基础,对其在气液非均相化工过程的应用具有指导意义。
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