1.تطبيق تكنولوجيا قياس وتحليل التدفق على مرحلتين في أبحاث CSBG

في دراسة التدفق ثنائي الطور للغاز والسائل، فإن القياس الإحصائي والديناميكي للطور الغازي له تأثير كبير على النمذجة، ومقاومة التدفق، وقضايا نقل الحرارة والكتلة في التدفق ثنائي الطور. يمكن لقياس المعلمات بدقة مثل حجم الفقاعة، والشكل، والموضع، والسرعة الديناميكية في مجموعة من الفقاعات أن يدعم تحليل المعلمات الرئيسية في التدفق على مرحلتين، مثل المسارات الديناميكية للفقاعة، وتوزيع احتجاز الغاز، ونسبة سرعة الانزلاق. من بين هذه المعلمات، حجم الفقاعة له أهمية كبيرة لتدفق الفقاعة. يعد حجم الفقاعة معلمة أساسية لتقليل سحب اضطراب الفقاعات الصغيرة، والذي يقتصر أيضًا على صعوبة إنتاج فقاعات بأحجام مختلفة. ولذلك، فإن تأثير حجم تقليل سحب اضطراب الفقاعات الدقيقة يتطلب مزيدًا من البحث.

مولد الفقاعات ذو الطيف المستمر (CSBG) هو مولد فقاعات، اقترحه فريق جامعة Shanghai Jiao Tong، ويمكنه إنتاج فقاعات بأحجام يمكن التحكم فيها بشكل مستمر. إنه يشتمل على محرك مؤازر ودافع دوار، مما يضبط قوة القص الميكانيكية عن طريق التحكم في سرعة المكره لتحقيق حجم الفقاعة المطلوب. الميزة الأعظم لها هي القدرة على الحصول على فقاعات ذات حجم محدد تحت نفس ظروف تدفق الغاز السائل (مع معدلات تدفق ثابتة للغاز والسائل)، مما يجعلها قابلة للتطبيق في مختلف المجالات البحثية التي تنطوي على تدفق الغاز السائل على مرحلتين.

أجرى فريق من جامعة شنغهاي جياو تونغ تجارب تصورية أثناء البحث في مبدأ مولدات فقاعات الطيف المستمر. وقاموا بتحليل الخصائص العيانية للمولد باستخدام كاميرا كاشفة عالية السرعة مقترنة بتقنية قياس وتحليل التدفق على مرحلتين، والتحقق من موثوقية مولد فقاعات الطيف المستمر (CSBG). تم نشر نتائج البحث المقابلة في المجلة المشهورة عالميًا Chemical Engineering Science، تنسيق الاقتباس: Chen, W., Huang, G., Hu, Y., Yin, J., & Wang, D. (2022). دراسة تجريبية على مولد الفقاعات الطيفية المستمرة باستخدام تقنية جديدة لمعالجة صور الفقاعات المتداخلة. علوم الهندسة الكيميائية،117613.doi:https://doi.org/10.1016/j.ces.2022.117613》

2. العملية التجريبية

1/2. الطرق التجريبية

قام فريق من جامعة Shanghai Jiao Tong بتطوير طريقة للتحكم في حجم الفقاعات المتولدة باستخدام محركات مؤازرة لمعالجة القص الميكانيكي، وتحقيق التحكم المستمر في أبعاد الفقاعات. نظرًا للتحديات في التحكم في أحجام الفقاعات، يقوم البحث التجريبي أولاً بتقدير أبعاد الفقاعات المطلوبة ثم يقوم بإنشاء فقاعات قريبة من الحجم المطلوب عن طريق التحكم في قطر فتحة مولد الفقاعات. يتم قياس أحجام الفقاعات الفعلية باستخدام طرق مثل مراقبة الكاميرا عالية السرعة وتحليل قياس التدفق على مرحلتين.

الصورة 1--رسم تخطيطي للدائرة التجريبية

الصورة 1 عبارة عن رسم تخطيطي للدراسة التجريبية على الخصائص العيانية لـ CSBG، والتي تتكون من مولد الفقاعات، وآلة القص عالية السرعة، وقسم قياس التصور، ومقياس التدفق الكهرومغناطيسي، وجهاز التحكم في تدفق الغاز، والمضخة، والعديد من الصمامات، والأنابيب، ومكونات أخرى . للتحقق من الخصائص العيانية لـ CSBG، تم ضبط قطر فتحة المولد على 2 مم. في السيناريوهات التي تتطلب فقاعات مصدر أكبر أو أصغر، يمكن تحقيق ذلك عن طريق توسيع حجم الفتحة أو تقليله. يتم تركيب دافعة القطع داخل آلة القص عالية السرعة، ويتم تشغيلها بواسطة محرك مؤازر مع سرعة دوران يمكن التحكم فيها بدقة تصل إلى ±3 دورة في الدقيقة. أثناء التجربة، يتم تغيير شدة القطع عن طريق التحكم في سرعة دوران المكره، وبالتالي تحقيق السيطرة على حجم الفقاعة. الدائرة التجريبية عبارة عن قناة دائرية بقطر داخلي 50 مم. لتقليل تأثير معامل الانكسار على التصوير عالي السرعة، يتم وضع خزان مياه مستطيل خارج قسم قياس التصور كصندوق مراقبة. الوسائط التجريبية ثنائية الطور للغاز والسائل هي الماء والهواء، على التوالي. يتم قياس معدل تدفق الطور السائل بواسطة مقياس التدفق الكهرومغناطيسي، بينما يتم تخزين الطور الغازي في خزان الغاز بعد ضغطه بواسطة ضاغط ويتم التحكم في معدل تدفقه إلى الدائرة بواسطة جهاز التحكم في تدفق الغاز. لضمان فصل الطور الغازي عن السائل في الدائرة، يتم وضع خزان مياه كبير في الجزء العلوي من الدائرة، وذلك باستخدام الجاذبية لتحقيق فصل الطور عن الغاز والسائل وضمان عدم وجود أي تأثير من الفقاعات السابقة في التجربة قسم المدخل.

العوامل الأساسية الثلاثة التي تؤثر على حجم الفقاعة في CSBG هي: معدل تدفق الطور الغازي، ومعدل تدفق الطور السائل، وسرعة المحرك. للتحقيق في تأثير سرعة المحرك على حجم الفقاعة في ظل ظروف تدفق الطور الغازي والسائل المختلفة، قامت هذه التجربة بإعداد حالتين بإجمالي 23 مجموعة و460 نقطة تجريبية، كما هو موضح في الجدول 1.

الجدول 1 - الحالة التجريبية

2/2. قياس تصور الفقاعة

تستخدم التجربة كاميرا Revealer عالية السرعة، بالتعاون مع فريق من جامعة Shanghai Jiao Tong، لتطوير تقنية قياس وتحليل التدفق على مرحلتين. ينشئ هذا الإعداد منصة قياس تصور الفقاعة لمواصلة مراقبة وتحليل عملية الحركة وحجم مجموعات الفقاعات في كل مجموعة تجريبية من CSBG أثناء التجربة. يقوم قياس التصور بمعالجة صور الفقاعات المتداخلة استنادًا إلى اكتشاف النقطة المقعرة وتجميع القوس القطاعي السريع. وهو يتضمن إزالة الخلفية، والتمثيل الثنائي، واستخراج حدود صور الفقاعات، بالإضافة إلى تجزئة النقاط المقعرة، وتجميع شرائح القوس، وتركيبها للحصول على معلومات حجم الفقاعات.

الصورة 2--مخطط انسيابي لتقنية معالجة الصور الفقاعية

3/2. دراسة تجريبية على CSBG

الصورة 3--صور الفقاعات الأصلية بسرعات دوران مختلفة

لاستكشاف الخصائص التجريبية الأولية لـ CSBG، تمت دراسة تأثير سرعات الدوران المختلفة على حجم الفقاعة في ظل ظروف تدفق الغاز السائل المتطابقة. تم عرض نتائج التصور النموذجي لنافذة المراقبة وتوزيع حجم الفقاعة المقابل بسرعات دوران مختلفة. كما هو موضح في الصورة 3، عندما لا يعمل CSBG (0 دورة في الدقيقة، 3 أ)، تكون الفقاعات الناتجة عن البخاخ موحدة نسبيًا في الحجم. عندما يبدأ CSBG العمل وتكون سرعة الدوران منخفضة (0-600 دورة في الدقيقة، الصور 3b وc)، فإن دوران المكره له تأثير محدود على حجم الفقاعة. على الرغم من وجود فقاعات صغيرة أكثر متناثرة في صورة الفقاعة، إلا أن الفقاعات الأكبر لا تزال هي المهيمنة. مع زيادة سرعة المكره (أكثر من 600 دورة في الدقيقة، الصور ثلاثية الأبعاد إلى الساعة)، يلعب دوران المكره دورًا مهمًا في كسر الفقاعة، مما يقلل بشكل كبير من حجم الفقاعة. في التجربة، يمكن ملاحظة بصريًا من صور الفقاعات أنه عندما تتجاوز سرعة الدوران 600 دورة في الدقيقة، تتناقص مجموعة الفقاعات بسرعة مع زيادة سرعة الدوران. كما ذكرنا أعلاه، من المتوقع أن يكون توزيع حجم الفقاعة للفقاعات المصدرية الناتجة عن جهاز الرش قريبًا من التوزيع الموحد، مما سيسهل دراسة خصائص CSBG من خلال توزيع حجم الفقاعة عند مخرج الشبكة عالية السرعة. جهاز القص .

الصورة 4-- تتوافق سرعات الدوران المختلفة مع توزيعات مختلفة لحجم الفقاعة.

كما هو موضح في الصورة 4أ، تكون فقاعات المصدر الناتجة عن الموزع متشابهة تقريبًا في الحجم، وتتركز بشكل أساسي في نطاق 0-3 مم. ومع ذلك، حتى عندما لا تعمل المكره، لا يزال يتعين على الفقاعات المرور عبر جهاز القص وأنبوب الانحناء من الموزع إلى خزان المراقبة. ولذلك، يمكن تفسير وجود فقاعات أكبر وأصغر. مع زيادة سرعة المكره، يتكثف انفجار الفقاعات الكبيرة وتختفي تدريجياً من صور الفقاعات. يكشف ملاءمة توزيع حجم الفقاعة مع نموذج التوزيع اللوغاريتمي الطبيعي أن درجة التوافق بين توزيع حجم الفقاعة والتوزيع اللوغاريتمي الطبيعي تزداد مع زيادة السرعة. يشير هذا إلى أنه عندما تكون سرعة الدوران عالية نسبيًا، فإن توزيع حجم الفقاعة لمجموعة الفقاعات التي تنتجها CSBG يفي تقريبًا بالتوزيع الطبيعي للسجل.

علاوة على ذلك، هناك معلمة مهمة أخرى لمولد الفقاعات وهي توزيع حجم الفقاعة. يتم استخدام العرض الكامل بنصف الحد الأقصى (FWHM) لتوزيع حجم الفقاعة هنا للإشارة إلى تركيز توزيع حجم الفقاعة. كشف تحليل دقيق لجميع النتائج التجريبية المتعلقة بتوزيع حجم الفقاعة أنه عندما تتجاوز سرعة الدوران 600 دورة في الدقيقة، فإن FWHM لجميع توزيعات حجم الفقاعة لا يزيد عن 1 مم، مما يشير إلى أن الفقاعات التي تنتجها CSBG تتركز ضمن نطاق ضيق نسبيًا.

الصورة 5-- منحنى تغيير متوسط حجم الفقاعة مع سرعة الدوران (أ) غير مُجهزة (ب) مُجهزة (يشير R إلى سرعة الدوران)

من أجل إجراء دراسة كمية لتأثير سرعة الدوران على حجم الفقاعة، قام فريق البحث بتحليل التغيرات في متوسط قطر الفقاعة (AMD وSMD) مع زيادة سرعة الدوران. كما هو موضح في الصورة 5، ينخفض كل من AMD وSMD بشكل ملحوظ مع زيادة سرعة الدوران. عندما تكون سرعة الدوران أقل من 1500 دورة في الدقيقة، فإن حجم الفقاعات يتناقص بشكل مطرد مع زيادة سرعة الدوران. يوفر الدوران عالي السرعة للمكره الطاقة اللازمة لتدوير السائل، كما يؤدي تكوين الدوامة إلى تفاقم اندماج الفقاعات الصغيرة. في هذه المرحلة، يتنافس الانفجار والالتحام مع بعضهما البعض للحفاظ على الاستقرار الديناميكي لحجم الفقاعة. لذلك، عندما تكون سرعة الدوران أقل من 1500 دورة في الدقيقة، تلعب سرعة دوران المكره دورًا مهمًا في متوسط حجم الفقاعة. توضح الصورة 5 (ب) أن AMD لديها قانون قوة سرعة دوران يبلغ 0.27، بينما SMD لديها قانون قوة سرعة دوران يبلغ 0.37. عندما يتغير جزء حجم الفراغ ومعدل تدفق الكتلة السائلة، يختلف تأثير CSBG على حجم الفقاعة بشكل كبير.

أجرى الفريق مناقشة تفصيلية حول تأثير جزء الفراغ الحجمي على حجم الفقاعة من خلال دراسات الحالة. ينقسم نطاق تشغيل CSBG إلى منطقتين: المنطقة الأولية والمنطقة المستقرة. ضمن نطاق 0-500 دورة في الدقيقة، تشير النتائج في جميع ظروف جزء الفراغ الحجمي إلى أن AMD وSMD ليس لهما تقريبًا أي علاقة كمية مع الزيادة في سرعة الدوران، فقط التقلبات.

الصورة 6--أمثلة لصور الفقاعات الأصلية التي تم تصويرها بسرعات غازية وسرعات دوران مختلفة

من خلال الجمع بين نتائج الحصول على صور الفقاعات الأصلية عالية السرعة، كما هو موضح في الصورة 6، يمكن تفسير هذه الظاهرة على النحو التالي: في المنطقة الأولية، بسبب سرعة الدوران المنخفضة، لا يمكن تشكيل مجال قص مستقر عالي السرعة . الطاقة التي يوفرها دوران المكره غير كافية لكسر الفقاعات بشكل ثابت، مما يؤدي إلى اتجاه غير مستقر في متوسط حجم الفقاعة. لذلك، تعتبر المنطقة من 0 إلى 500 دورة في الدقيقة هي المرحلة الأولية لـ CSBG. عندما تتجاوز سرعة دوران المكره 500 دورة في الدقيقة، فإن متوسط حجم الفقاعة يتناقص بشكل مطرد مع زيادة سرعة الدوران. في هذه المنطقة، يشكل الدوران عالي السرعة للمكره مجال قص مستقر، مما يوفر طاقة كافية لكسر فقاعات المصدر التي تدخل مجال القص. يتم التحكم في كسر الفقاعات عن طريق دوران المكره، مما يؤدي إلى انخفاض مطرد في متوسط حجم الفقاعات. ولذلك فإن المنطقة التي تزيد فيها سرعة الدوران عن 500 دورة في الدقيقة تعتبر منطقة مستقرة.

نتيجة تجريبية

صممت هذه التجربة وصنعت نموذجًا أوليًا لآلة CSBG للتحقق من أدائها في ظل ظروف تشغيل مختلفة. تحقق الفريق من جدوى توليد CSBG فقاعات مستمرة بأحجام مختلفة من خلال تجارب التصور وأنظمة قياس التدفق على مرحلتين، والحصول على منحنى العمل التجريبي لـ CSBG وملاءمة العلاقة بين متوسط حجم الفقاعة وعاملين مؤثرين: سرعة الدوران وتدفق الطور الغازي. معدل.

تظهر النتائج التجريبية أن CSBG لديه القدرة على إنتاج فقاعات مستمرة ضمن نطاق المليمتر؛ تتراوح منطقة العمل المستقرة بين 500 إلى 1500 دورة في الدقيقة، حيث يتناسب SMD بشكل مباشر مع قوة -0.37 لسرعة الدوران داخل منطقة العمل المستقرة؛ يزداد BMD الخاص بـ CSBG مع زيادة سرعة التدفق الظاهرة لمرحلة الغاز، ويتناسب SMD بشكل مباشر مع القدرة 0.263 لسرعة التدفق الظاهرة لمرحلة الغاز داخل منطقة العمل المستقرة؛ ومع ذلك، فإن علاقتها بالسرعة الظاهرة للطور السائل ليست مهمة.