1. Aplicación de la tecnología de medición y análisis de flujo bifásico en la investigación de CSBG
En el estudio del flujo bifásico gas-líquido, la medición estadística y dinámica de la fase gaseosa tiene un impacto significativo en el modelado, la resistencia al flujo, el calor y las cuestiones de transferencia de masa en el flujo bifásico. La medición precisa de parámetros como el tamaño, la forma, la posición y la velocidad dinámica de las burbujas en un grupo de burbujas puede respaldar el análisis de parámetros clave en el flujo bifásico, como las trayectorias dinámicas de las burbujas, la distribución de la retención de gas y la relación de velocidad de deslizamiento. Entre estos, el parámetro del tamaño de la burbuja es de gran importancia para el flujo de burbujas. El tamaño de la burbuja es un parámetro clave para la reducción de la resistencia a la turbulencia de las microburbujas, que también está limitada por la dificultad de producir burbujas de diferentes tamaños. Por lo tanto, el efecto del tamaño de la reducción de la resistencia a la turbulencia de las microburbujas requiere más investigación.
El generador de burbujas de espectro continuo (CSBG) es un generador de burbujas, propuesto por el equipo de la Universidad Jiao Tong de Shanghái, que puede producir burbujas con tamaños controlables de forma continua. Incorpora un servomotor y un impulsor giratorio, ajustando la resistencia mecánica al corte controlando la velocidad del impulsor para lograr el tamaño de burbuja deseado. Su característica más importante es la capacidad de obtener burbujas de un tamaño determinado en las mismas condiciones de flujo de gas-líquido (con caudales de gas y líquido constantes), lo que lo hace aplicable en varios campos de investigación que involucran flujo bifásico de gas-líquido.
El equipo de la Universidad Jiao Tong de Shanghái realizó experimentos de visualización mientras investigaba el principio de los generadores de burbujas de espectro continuo. Analizaron las características macroscópicas del generador utilizando una cámara de alta velocidad Revealer combinada con tecnología de medición y análisis de flujo de dos fases, verificando la confiabilidad del generador de burbujas de espectro continuo (CSBG). Los resultados de la investigación correspondiente se publicaron en la revista de renombre internacional Chemical Engineering Science, formato de cita: Chen, W., Huang, G., Hu, Y., Yin, J. y Wang, D. (2022). Estudio experimental sobre el generador de burbujas de espectro continuo con una nueva técnica de procesamiento de imágenes de burbujas superpuestas. Chemical Engineering Science, 117613. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2022.117613》
2. Proceso experimental
1/2. Métodos experimentales
El equipo de la Universidad Jiao Tong de Shanghái ha desarrollado un método para controlar el tamaño de las burbujas generadas mediante servomotores para manipular el cizallamiento mecánico, logrando un control continuo sobre las dimensiones de las burbujas. Debido a los desafíos que implica controlar los tamaños de las burbujas, la investigación experimental primero estima las dimensiones de burbuja requeridas y luego genera burbujas cercanas al tamaño deseado controlando el diámetro del orificio del generador de burbujas. Los tamaños de burbuja reales se miden utilizando métodos como la observación con cámara de alta velocidad y el análisis de medición de flujo de dos fases.
Imagen 1--Diagrama esquemático del circuito experimental
La imagen 1 es un diagrama esquemático del estudio experimental sobre las características macroscópicas de CSBG, que consta de un generador de burbujas, una cizalladora de alta velocidad, una sección de medición de visualización, un caudalímetro electromagnético, un controlador de flujo de gas, una bomba, varias válvulas, tuberías y otros componentes. Para verificar las características macroscópicas de CSBG, el diámetro del orificio del generador se establece en 2 mm. En escenarios que requieren burbujas de fuente más grandes o más pequeñas, esto se puede lograr agrandando o reduciendo el tamaño del orificio. Se instala un impulsor de corte dentro de la cizalladora de alta velocidad, impulsado por un servomotor con su velocidad de rotación controlable con precisión a ±3 rpm. Durante el experimento, la intensidad del corte se altera controlando la velocidad de rotación del impulsor, logrando así el control sobre el tamaño de la burbuja. El circuito experimental es un canal circular con un diámetro interior de 50 mm. Para minimizar el impacto del índice de refracción en la obtención de imágenes de alta velocidad, se coloca un tanque de agua rectangular fuera de la sección de medición de visualización como una caja de observación. Los medios experimentales bifásicos gas-líquido son agua y aire, respectivamente. El caudal de la fase líquida se mide mediante un caudalímetro electromagnético, mientras que la fase gaseosa se almacena en un tanque de gas después de ser comprimida por un compresor y su caudal en el circuito se controla mediante un controlador de caudal de gas. Para garantizar la separación de las fases gas-líquido en el circuito, se instala un gran tanque de agua en la parte superior del circuito, utilizando la gravedad para lograr la separación de las fases gas-líquido y asegurando que no haya influencia de burbujas anteriores en la sección de entrada experimental.
Los tres factores principales que afectan el tamaño de las burbujas en el CSBG son: el caudal de la fase gaseosa, el caudal de la fase líquida y la velocidad del motor. Para investigar el impacto de la velocidad del motor en el tamaño de las burbujas en diferentes condiciones de flujo de fase gaseosa y líquida, este experimento estableció dos instancias con un total de 23 grupos y 460 puntos experimentales, como se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1—Condición experimental
2/2. Medición de visualización de burbujas
El experimento utiliza la cámara de alta velocidad Revealer, en colaboración con el equipo de la Universidad Jiao Tong de Shanghái, para desarrollar una tecnología de medición y análisis de flujo de dos fases. Esta configuración establece una plataforma de medición de visualización de burbujas para observar y analizar más a fondo el proceso de movimiento y el tamaño de los grupos de burbujas en cada grupo experimental CSBG durante el experimento. La medición de visualización procesa imágenes de burbujas superpuestas basadas en la detección de puntos cóncavos y la agrupación rápida de arcos segmentarios. Implica la eliminación del fondo, la binarización y la extracción de límites de las imágenes de burbujas, así como la segmentación de puntos cóncavos, la agrupación de segmentos de arco y el ajuste para obtener la información del tamaño de las burbujas.
Imagen 2: Diagrama de flujo de la tecnología de procesamiento de imágenes de burbujas
3/2. Estudio experimental sobre CSBG
Imagen 3: Imágenes originales de burbujas a diferentes velocidades de rotación
Para explorar las características experimentales preliminares de CSBG, se estudió la influencia de diferentes velocidades de rotación en el tamaño de las burbujas en condiciones idénticas de flujo de gas-líquido. Se mostraron los resultados de visualización típicos de la ventana de observación y la distribución del tamaño de las burbujas correspondiente a diferentes velocidades de rotación. Como se muestra en la Imagen 3, cuando CSBG no está funcionando (0 rpm, 3a), las burbujas generadas por el pulverizador son de tamaño relativamente uniforme. Cuando CSBG comienza a funcionar y la velocidad de rotación es baja (0-600 rpm, Imágenes 3b y c), la rotación del impulsor tiene un efecto limitado en el tamaño de las burbujas. Aunque hay más burbujas pequeñas dispersas en la imagen de las burbujas, las burbujas más grandes aún dominan. Con el aumento de la velocidad del impulsor (más de 600 rpm, Imágenes 3d a h), la rotación del impulsor juega un papel importante en la ruptura de las burbujas, reduciendo significativamente el tamaño de las burbujas. En el experimento, se puede observar visualmente a partir de las imágenes de las burbujas que cuando la velocidad de rotación supera las 600 rpm, el grupo de burbujas disminuye rápidamente con el aumento de la velocidad de rotación. Como se mencionó anteriormente, se espera que la distribución del tamaño de las burbujas de origen generadas por el pulverizador sea cercana a una distribución uniforme, lo que facilitará el estudio de las características de CSBG a través de la distribución del tamaño de las burbujas en la salida del dispositivo de corte de alta velocidad.
Imagen 4 - Diferentes velocidades de rotación corresponden a diferentes distribuciones de tamaño de burbujas.
Como se muestra en la Imagen 4a, las burbujas de origen generadas por el distribuidor son aproximadamente similares en tamaño, principalmente concentradas dentro del rango de 0 a 3 mm. Sin embargo, incluso cuando el impulsor no está funcionando, las burbujas aún tienen que pasar a través del dispositivo de corte y un tubo de flexión desde el distribuidor hasta el tanque de observación. Por lo tanto, se puede explicar la presencia de burbujas más grandes y más pequeñas. Con un aumento en la velocidad del impulsor, el estallido de burbujas grandes se intensifica y desaparecen gradualmente de las imágenes de burbujas. El ajuste de la distribución del tamaño de las burbujas con un modelo de distribución log-normal revela que el grado de ajuste entre la distribución del tamaño de las burbujas y la distribución log-normal aumenta con el aumento de la velocidad. Esto indica que cuando la velocidad de rotación es relativamente alta, la distribución del tamaño de las burbujas del grupo de burbujas producido por CSBG satisface aproximadamente la distribución log-normal.
Además, otro parámetro importante del generador de burbujas es la distribución del tamaño de las burbujas. El ancho total a la mitad del máximo (FWHM) de la distribución del tamaño de las burbujas se utiliza aquí para indicar la concentración de la distribución del tamaño de las burbujas. Un análisis cuidadoso de todos los resultados experimentales relacionados con la distribución del tamaño de las burbujas reveló que cuando la velocidad de rotación supera las 600 rpm, el FWHM de todas las distribuciones del tamaño de las burbujas no es mayor que 1 mm, lo que indica que las burbujas producidas por CSBG se concentran dentro de un rango relativamente estrecho.
Imagen 5: Curva de cambio del tamaño promedio de las burbujas con la velocidad de rotación (a) Sin ajustar (b) Ajustado (R se refiere a la velocidad de rotación)
Para estudiar cuantitativamente el impacto de la velocidad de rotación en el tamaño de las burbujas, el equipo de investigación analizó los cambios en el diámetro promedio de las burbujas (AMD y SMD) a medida que aumentaba la velocidad de rotación. Como se muestra en la Imagen 5, tanto AMD como SMD disminuyen significativamente con el aumento de la velocidad de rotación. Cuando la velocidad de rotación es inferior a 1500 rpm, el tamaño de las burbujas disminuye de manera constante con el aumento de la velocidad de rotación. La rotación a alta velocidad del impulsor proporciona energía para la rotación del fluido y la formación de remolinos agrava la coalescencia de pequeñas burbujas. En esta etapa, el estallido y la coalescencia compiten entre sí para mantener la estabilidad dinámica del tamaño de las burbujas. Por lo tanto, cuando la velocidad de rotación es inferior a 1500 rpm, la velocidad de rotación del impulsor juega un papel importante en el tamaño promedio de las burbujas. La Imagen 5(b) muestra que AMD tiene una ley de potencia de velocidad de rotación de 0,27, mientras que SMD tiene una ley de potencia de velocidad de rotación de 0,37. Cuando la fracción de vacío de volumen y la tasa de flujo másico de líquido cambian, el efecto de CSBG en el tamaño de la burbuja es significativamente diferente.
El equipo llevó a cabo un debate detallado sobre el impacto de la fracción de vacíos de volumen en el tamaño de las burbujas a través de estudios de casos. El rango operativo de CSBG se divide en dos áreas: el área inicial y el área estable. Dentro del rango de 0 a 500 rpm, los resultados en todas las condiciones de fracción de vacíos de volumen indican que AMD y SMD casi no tienen relación cuantitativa con el aumento de la velocidad de rotación, solo fluctuaciones.
Imagen 6: Ejemplos de imágenes de burbujas originales visualizadas a diferentes velocidades de gas y velocidades de rotación
Combinando los resultados de la adquisición a alta velocidad de imágenes de burbujas originales, como se muestra en la Imagen 6, este fenómeno se puede explicar de la siguiente manera: en la región inicial, debido a la baja velocidad de rotación, no se puede formar un campo de corte estable de alta velocidad. La energía proporcionada por la rotación del impulsor es insuficiente para romper de manera estable las burbujas, lo que lleva a una tendencia inestable en el tamaño promedio de las burbujas. Por lo tanto, la región de 0 a 500 rpm se considera la etapa inicial de CSBG. Cuando la velocidad de rotación del impulsor excede las 500 rpm, el tamaño promedio de las burbujas disminuye de manera constante con el aumento de la velocidad de rotación. En esta región, la rotación a alta velocidad del impulsor forma un campo de corte estable, que proporciona suficiente energía para que las burbujas fuente que ingresan al campo de corte se rompan. La ruptura de burbujas está controlada por la rotación del impulsor, lo que resulta en una disminución constante en el tamaño promedio de las burbujas. Por lo tanto, la región donde la velocidad de rotación excede las 500 rpm se considera una región estable.
Resultado experimental
En este experimento se diseñó y fabricó un prototipo de máquina CSBG para investigar su rendimiento en diversas condiciones de funcionamiento. El equipo verificó la viabilidad de CSBG para generar burbujas continuas de diferentes tamaños mediante experimentos de visualización y sistemas de medición de flujo de dos fases, obteniendo la curva de trabajo experimental de CSBG y ajustando la relación entre el tamaño medio de las burbujas y dos factores influyentes: la velocidad de rotación y el caudal de la fase gaseosa.
Los resultados experimentales muestran que CSBG tiene la capacidad de producir burbujas continuas dentro del rango milimétrico; el área de trabajo estable está entre 500 ~ 1500 rpm, donde SMD es directamente proporcional a la -0,37a potencia de la velocidad de rotación dentro del área de trabajo estable; la BMD de CSBG aumenta con el aumento de la velocidad de flujo aparente de la fase gaseosa, y SMD es directamente proporcional a la 0,263a potencia de la velocidad de flujo aparente de la fase gaseosa dentro del área de trabajo estable; sin embargo, su relación con la velocidad aparente de la fase líquida no es significativa.
