摘" " " 要： 氣泡羽流的流動(dòng)特性對(duì)氣液傳質(zhì)及工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。對(duì)牛頓流體和非牛頓流體體系中氣泡羽流運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行綜合分析。結(jié)合氣液兩相流動(dòng)理論，闡述了全混氣液體系水力學(xué)特性和羽流結(jié)構(gòu)特征。分析全混氣液體系中不同氣相條件和液相性質(zhì)下氣泡羽流特征。結(jié)果表明：隨著氣相表觀氣速的增加，氣液體系的水力學(xué)特性參數(shù)增加；隨著液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，氣液體系水力學(xué)特性參數(shù)均降低。

關(guān)" 鍵" 詞：氣泡羽流；水力學(xué)特性；結(jié)構(gòu)特征；非牛頓流體

中圖分類號(hào)：TQ021.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）02-0166-04

氣泡羽流作為一種復(fù)雜的氣液兩相流，其流動(dòng)行為影響氣相擴(kuò)散以及氣液相間質(zhì)量傳遞和混合過(guò)程。學(xué)者們利用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬等方法對(duì)氣泡羽流運(yùn)動(dòng)行為等進(jìn)行大量研究。LI[1]等基于擴(kuò)散假設(shè)改進(jìn)羽流積分模型，用于預(yù)測(cè)含氣泡羽流的流動(dòng)特征。WANG[2]等建立了氣泡羽流整體特性與氣泡尺寸、進(jìn)氣流量等參數(shù)之間的量化模型，用于預(yù)測(cè)羽流運(yùn)動(dòng)特性。HESSENKEMPER[3]等對(duì)氣液兩相羽流區(qū)的行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，揭示了流場(chǎng)分布規(guī)律。BESAGNI[4]等利用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)氣泡羽流進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)曝氣反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣泡羽流運(yùn)動(dòng)行為影響顯著。MAHESH[5]等利用大渦模擬對(duì)混合裝置內(nèi)氣泡羽流特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究揭示了氣液速度分布規(guī)律以及羽流擴(kuò)散形態(tài)。HAN[6]等利用實(shí)驗(yàn)研究了氣升式反應(yīng)器中流體性質(zhì)對(duì)氣泡羽流水力學(xué)特性的影響規(guī)律等。SIMIANO[7]等利用粒子圖像測(cè)速儀（PIV）和圖像處理技術(shù)得到氣液速度分布以及流體力學(xué)特征。LIU[8]等利用實(shí)驗(yàn)手段研究了氣泡羽流的運(yùn)動(dòng)行為，揭示了氣泡羽流的振蕩特性。研究發(fā)現(xiàn)，影響氣泡羽流流動(dòng)行為及特征的因素有曝氣速率[9-10]、曝氣結(jié)構(gòu)、液相流變特性等[11]。液相的流變特性對(duì)氣泡形成及其運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有顯著影響，從而導(dǎo)致氣泡羽流行為的改變[12]。為了得到最大的氣液傳質(zhì)速率并且運(yùn)行能耗最小，需系統(tǒng)分析不同液相流變特性下氣泡羽流行為以及結(jié)構(gòu)特征，豐富并完善復(fù)雜流動(dòng)環(huán)境中氣泡羽流流體動(dòng)力學(xué)理論。

本文以牛頓和非牛頓氣液體系氣泡羽流為研究對(duì)象，利用曝氣充氧實(shí)驗(yàn)分析全混氣液體系不同氣相條件和液相性質(zhì)下氣液水力學(xué)特性和氣泡羽流運(yùn)動(dòng)行為，揭示氣泡羽流結(jié)構(gòu)特征及其變化規(guī)律。

1" 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1" 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試方法

圖1是實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，主要由有機(jī)玻璃水槽、氣泡發(fā)生裝置、圖像采集系統(tǒng)和溶解氧測(cè)試系統(tǒng)組成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用微孔曝氣器的技術(shù)參數(shù)（直徑D為92 mm）等設(shè)計(jì)有機(jī)玻璃水槽長(zhǎng)×寬×高為0.3 m×0.3 m×0.6 m。通過(guò)氣泵（Atman-HP4000）供氣，利用氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，經(jīng)水槽底部的微孔曝氣器進(jìn)行曝氣，從而形成氣泡羽流。

1.2" 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.2.1" 實(shí)驗(yàn)材料與性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)選用羧甲基纖維素鈉（CMC，分析純，阿拉丁試劑）水溶液，模擬非牛頓型廢水體系來(lái)建立流變特性對(duì)氣液流動(dòng)與傳質(zhì)性能影響的可視化分析實(shí)驗(yàn)。以清水為介質(zhì)的牛頓型流體作為對(duì)照參考，配置CMC水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%、0.4%、0.5%和0.6%，其黏度范圍與污水的表觀黏度比較" 接近。

1.2.2" 實(shí)驗(yàn)流程

在充氧實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，利用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝記錄氣泡羽流運(yùn)動(dòng)行為，并利用Image J軟件獲得不同工況下氣泡羽流寬度等特征參數(shù)。表觀氣速分別為4.18×10-3、8.35×10-3、1.25×10-2 、" "1.67×10-2 m·s-1。在不同液相體系和不同表觀氣速下進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)操作并記錄曝氣前后自由水面的液位差，計(jì)算并確定不同工況下氣液體系的全局氣含率的變化情況，進(jìn)行3次測(cè)量求平均值來(lái)確定全局氣含率。

1.3" 氣液體系水力學(xué)參數(shù)和氣泡羽流特征參數(shù)

1.3.1" 氣含率

氣含率ε是曝氣過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，表示水槽中氣體占有體積。測(cè)定曝氣前后液位h1和h2，根據(jù)式（1）可求得氣含率ε。

1.3.2" 氣泡羽流寬度

根據(jù)羽流運(yùn)動(dòng)行為全局圖像，沿羽流中心軸η方向上選取4個(gè)長(zhǎng)度（1D、2D、3D和4D）位置并沿垂直于中心軸方向測(cè)量對(duì)應(yīng)位置的氣泡擴(kuò)散寬度，如圖2所示。選取不同時(shí)刻的5副圖像測(cè)量羽流核心區(qū)寬度，計(jì)算羽流核心區(qū)寬度平均值。根據(jù)沿軸向羽流寬度的變化，得到擴(kuò)散速率。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 全混氣液體系氣泡羽流運(yùn)動(dòng)過(guò)程

圖3給出了表觀氣速ug=4.18×10-3 m·s-1下牛頓流體（清水）和非牛頓流體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3% CMC水溶液）體系中氣液兩相流動(dòng)圖像。在清水中，氣泡分散性較好，氣泡多為橢圓形；與清水中相比，氣泡在CMC水溶液中聚集得更顯著。

2.2" 不同表觀氣速和不同液相體系下氣液水力學(xué)參數(shù)

圖4給出了清水和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CMC水溶液中全局氣含率隨表觀氣速的變化規(guī)律。在清水和CMC水溶液中，全局氣含率均隨表觀氣速的增加而增大。這是因?yàn)樵谕灰合嘀校碛^氣速的增加，使得液相中氣泡數(shù)增多，導(dǎo)致氣含率增大。而在同一表觀氣速下，清水中的全局氣含率明顯高于CMC水溶液中的全局氣含率，CMC水溶液中的全局氣含率隨CMC水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。

2.3" 不同表觀氣速和不同液相體系下氣泡羽流擴(kuò)

散特性

圖5為不同表觀氣速下清水和CMC水溶液中的氣泡羽流核心區(qū)寬度沿高度方向的變化規(guī)律。清水中羽流核心區(qū)寬度沿著豎直高度z方向呈線性增加，而CMC水溶液中羽流核心區(qū)寬度沿著高度方向先降低再升高。隨著液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，羽流核心區(qū)寬度逐漸減小。原因是CMC水溶液中氣液相間相互作用顯著，黏性阻力增強(qiáng)，氣泡羽流更易聚集，導(dǎo)致氣泡羽流核心區(qū)寬度減小。

分析不同表觀氣速下清水和CMC水溶液中氣泡羽流核心區(qū)擴(kuò)散情況，如圖6所示。清水中羽流擴(kuò)散率明顯高于CMC水溶液中羽流擴(kuò)散率，隨著CMC水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，羽流擴(kuò)散率逐漸減小。由于CMC水溶液中氣液相間相互作用以及液相黏性力等共同作用顯著，氣泡羽流擴(kuò)散率顯著不同。隨著表觀氣速增加，擴(kuò)散率增加。

3" 結(jié) 論

在實(shí)驗(yàn)研究和理論分析的基礎(chǔ)上，分析了全混氣液體系下不同氣相條件和液相性質(zhì)下氣泡羽流流動(dòng)行為以及變化規(guī)律。隨著CMC水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，全局氣含率減小。隨著表觀氣速增加，全局氣含率均增加，羽流核心區(qū)寬度隨著CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，非牛頓流體中羽流容易發(fā)生聚集現(xiàn)象；隨著表觀氣速的增加而增大，羽流擴(kuò)散效果好。

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Analysis on Gas-Liquid Two-phase Bubble Plume Structure

YANG Yu-jie， LIU Yi-nuo， LI Xin-yuan， CAI Jun-zhe， HAN Xin-feng， DONG Xin

（Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract：" The flow characteristics of bubble plume are very important for mass and momentum transfer between gas and liquid and industrial application. In this paper， the motion characteristics of bubble plume in Newtonian and non-Newtonian fluid systems were comprehensively analyzed. Combined with the theory of gas-liquid two-phase flow， the hydraulic characteristics and plume structure characteristics of fully mixed gas-liquid system were comprehensively expounded. The characteristics of bubble plume under different gas-phase conditions and liquid-phase properties in fully mixed gas-liquid system were analyzed. The results showed that， with the increase of apparent gas velocity， the hydraulic parameters of gas-liquid system increased; With the increase of liquid mass fraction， the hydraulic parameters of gas-liquid system decreased.

Key words：" Bubble plume; Hydraulic characteristics; Structural features; Non-Newtonian fluid