双联毛细管管口气泡生长可视化实验

　　在很多工业生产领域,如生物化学反应器中的发酵过程、生物废水处理过程以及池沸腾换热过程等,都存在气液泡状流这种基本流动及传递行为[1-4]。虽然很多工业应用设备非常简单,气泡传质行为的预测仍然非常困难。尤其是在多孔介质层中,由于气-液通道的连通和交叉,使得气泡生长和脱离更为复杂。研究多孔介质表面的气泡生长和脱离,对于揭示化工和生化反应器、蒸发器等设备中的气-液两相流动和传热传质机理及特性具有重要的意义。

　　许多科研工作者对单个气泡的形成和运动过程进行了研究。Vazquez等[5]利用3种不同测试方法研究了单个气泡的生长和脱离。Han等[6]研究了过热度等因素对R11和R113二元混和物池沸腾中的单个气泡生长的影响。另外,文献[7-9]等报道了静止液体中单个气泡的生长和运动速度的研究情况。

　　上述文献都是针对单个孔口处形成的单个气泡的形成以及运动过程,为了更好地研究多孔介质层表面气泡的生长和脱离以及相邻孔道间的相互影响,本文利用高速摄影仪对底部相连的两根毛细管管口处气泡的生长和脱离进行了可视化实验研究。

　　1　实验装置及实验方法

　　图1为实验系统的示意图,实验系统由可视化实验段、气源装置、高速摄像分析系统组成。可视化实验段和气室都为矩形结构,采用透明的有机玻璃材料制成,两根玻璃毛细管安装于实验段底板,管口插入实验段约5 mm,两毛细管另一段与气室顶部相连(称为双联毛细管),气室的容积为1 cm3。由DSP-2微量自动注射泵配以50 mL标准全玻璃注射器作为气源,利用硅胶管将注射器和气室进气口相连,通过调节注射泵的推注速度控制气体流量。可视化实验段液体流道的尺寸为30 cm×2 cm×1. 8 cm。

　　实验中采用REDLAKE MotionXtraHG-100K高速摄影仪拍摄两毛细管管口处气泡的生长脱离过程以及两管口气泡迁移的相互影响过程,该仪器最高拍摄速率可达每秒20 000帧,能够完整详细地记录气泡在生长脱离过程中的瞬间形态。在拍摄过程中,高速摄影仪、观察目标和光源处于同一水平面并呈一条直线布置。高速摄影仪与计算机相连,通过MotionCentral图像软件实时拍摄图像,最终利用图形分析软件对图像进行分析,从而获得气泡的生长和脱离特性。

　　实验分别采用了内径为不同管径的玻璃毛细管和PTFE毛细管进行实验,以研究管径尺寸大小对气泡的生长脱离的影响;通过改变注塞泵的推注速度改变注气流量的大小,研究气流量变化对气泡生长脱离过程的影响;此外,还研究了流道内液体的流速对气泡生长和脱离的影响,以及液体淹没管口的气液流动行为。