1. CSBG 연구에 있어서 2상 유동 측정 및 분석 기술의 적용

기체-액체 2상 흐름 연구에서 기체상의 통계적 및 동적 측정은 2상 흐름의 모델링, 흐름 저항, 열 및 물질 전달 문제에 중요한 영향을 미칩니다. 기포 그룹의 기포 크기, 모양, 위치 및 동적 속도와 같은 매개변수를 정확하게 측정하면 기포 동적 궤적, 가스 보유 분포, 미끄러짐 속도 비율과 같은 2상 흐름의 주요 매개변수 분석을 지원할 수 있습니다. 이 중 기포 크기 매개변수는 기포 흐름에 매우 중요합니다. 기포 크기는 미세 기포 난류 항력 감소를 위한 핵심 매개변수이며, 이는 또한 다양한 크기의 기포 생성이 어렵기 때문에 제한됩니다. 따라서 미세기포 난류 항력 감소의 크기 효과에 대해서는 추가 연구가 필요합니다.

CSBG(Continuous Spectrum Bubble Generator)는 Shanghai Jiao Tong University 팀이 제안한 거품 발생기로 지속적으로 제어 가능한 크기로 거품을 생성할 수 있습니다. 서보 모터와 회전 임펠러가 통합되어 임펠러 속도를 제어하여 기계적 전단 강도를 조정하여 원하는 기포 크기를 얻습니다. 가장 큰 특징은 동일한 기액 흐름 조건(기체 및 액체 유량이 일정함)에서 설정된 크기의 기포를 얻을 수 있다는 점이며, 기액 2상 흐름과 관련된 다양한 연구 분야에 적용할 수 있습니다.

Shanghai Jiao Tong University 팀은 연속 스펙트럼 기포 발생기의 원리를 연구하면서 시각화 실험을 수행했습니다. 2상 유량 측정 및 분석 기술이 결합된 Revealer 고속 카메라를 사용하여 발생기의 거시적 특성을 분석하여 연속 스펙트럼 기포 발생기(CSBG)의 신뢰성을 검증했습니다. 해당 연구결과는 국제저명학술지인 Chemical Engineering Science에 게재되었으며, 인용형식: Chen, W., Huang, G., Hu, Y., Yin, J., & Wang, D. (2022). 새로운 중첩 버블 이미지 처리 기술을 사용한 연속 스펙트럼 버블 생성기에 대한 실험적 연구입니다. 화학공학과,117613.doi:https://doi.org/10.1016/j.ces.2022.117613》

2.실험과정

1/2. 실험 방법

Shanghai Jiao Tong University의 팀은 서보 모터를 사용하여 기계적 전단을 조작함으로써 생성된 기포의 크기를 제어하는 방법을 개발하여 기포 크기에 대한 지속적인 제어를 달성했습니다. 기포 크기 제어의 어려움으로 인해 실험 연구에서는 먼저 필요한 기포 크기를 추정한 다음 기포 발생기의 구멍 직경을 제어하여 원하는 크기에 가까운 기포를 생성합니다. 실제 기포 크기는 고속 카메라 관찰 및 2상 흐름 측정 분석과 같은 방법을 사용하여 측정됩니다.

이미지 1--실험 회로의 개략도

이미지 1은 기포 발생기, 고속 전단기, 시각화 측정 섹션, 전자기 유량계, 가스 유량 컨트롤러, 펌프, 여러 밸브, 파이프 및 기타 구성 요소로 구성된 CSBG의 거시적 특성에 대한 실험 연구의 개략도입니다. . CSBG의 거시적 특성을 검증하기 위해 발전기 오리피스의 직경을 2mm로 설정했습니다. 더 크거나 작은 소스 버블이 필요한 시나리오에서는 오리피스 크기를 확대하거나 축소하여 이를 달성할 수 있습니다. 고속 전단기 내부에는 절단 임펠러가 설치되어 있으며, 회전 속도는 ±3rpm까지 정밀하게 제어되는 서보 모터로 구동됩니다. 실험 중에 임펠러의 회전 속도를 제어하여 절단 강도를 변경함으로써 기포 크기를 제어할 수 있습니다. 실험회로는 내경 50mm의 원형 채널이다. 고속 이미징에서 굴절률의 영향을 최소화하기 위해 시각화 측정 섹션 외부에 관찰 상자로 직사각형 물 탱크를 배치합니다. 실험적인 기체-액체 2상 매체는 각각 물과 공기입니다. 액상 유량은 전자기 유량계로 측정되는 반면, 기상은 압축기에 의해 압축된 후 가스 탱크에 저장되고 회로로 유입되는 유량은 가스 유량 컨트롤러에 의해 제어됩니다. 회로의 기액 상 분리를 보장하기 위해 회로 상단에 대형 물 탱크를 설치하고 중력을 활용하여 기액 상 분리를 달성하고 실험에서 이전 기포의 영향이 없는지 확인합니다. 입구 섹션.

CSBG의 기포 크기에 영향을 미치는 세 가지 주요 요소는 기체상 유속, 액상 유속 및 모터 속도입니다. 다양한 기체 및 액체상 흐름 조건에서 모터 속도가 기포 크기에 미치는 영향을 조사하기 위해 이 실험은 표 1에 표시된 대로 총 23개 그룹과 460개 실험 지점으로 두 개의 인스턴스를 설정했습니다.

표 1 - 실험 조건

2/2. 버블 시각화 측정

이 실험에서는 Shanghai Jiao Tong University 팀과 협력하여 Revealer 고속 카메라를 활용하여 2상 흐름 측정 및 분석 기술을 개발했습니다. 이 설정은 실험 중에 각 CSBG 실험 그룹의 버블 그룹의 이동 과정과 크기를 추가로 관찰하고 분석하기 위한 버블 시각화 측정 플랫폼을 설정합니다. 시각화 측정은 오목한 점 감지 및 신속한 세그먼트 호 클러스터링을 기반으로 겹치는 버블 이미지를 처리합니다. 여기에는 버블 이미지의 배경 제거, 이진화, 경계 추출뿐만 아니라 오목한 점 분할, 호 세그먼트 클러스터링 및 피팅을 포함하여 버블의 크기 정보를 얻습니다.

이미지 2 - 버블 이미지 처리 기술 흐름도

3/2. CSBG에 대한 실험적 연구

이미지 3-- 다양한 회전 속도의 원본 버블 이미지

CSBG의 예비 실험 특성을 탐색하기 위해 동일한 기액 흐름 조건에서 기포 크기에 대한 다양한 회전 속도의 영향을 연구했습니다. 관찰 창의 일반적인 시각화 결과와 다양한 회전 속도에서의 해당 기포 크기 분포가 표시되었습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 CSBG가 작동하지 않을 때(0rpm, 3a)에는 분무기에서 발생하는 기포의 크기가 비교적 균일합니다. CSBG가 작동하기 시작하고 회전 속도가 낮을 때(0-600rpm, 이미지 3b 및 c) 임펠러의 회전은 기포 크기에 제한된 영향을 미칩니다. 버블 이미지에는 작은 버블이 더 많이 흩어져 있지만 더 큰 버블이 여전히 지배적입니다. 임펠러 속도가 증가하면(600rpm 이상, 이미지 3d ~ h) 임펠러의 회전은 기포 파괴에 중요한 역할을 하여 기포 크기를 크게 줄입니다. 실험에서는 회전속도가 600rpm을 초과하면 회전속도가 증가함에 따라 기포군이 급격하게 감소하는 것을 기포 이미지를 통해 육안으로 관찰할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이 분무기에서 발생하는 소스기포의 기포 크기 분포는 균일한 분포에 가까울 것으로 예상되며, 이는 고속 분사기 출구에서의 기포 크기 분포를 통해 CSBG의 특성을 보다 쉽게 연구할 수 있을 것으로 기대된다. 전단 장치.

이미지 4-- 다양한 회전 속도는 다양한 기포 크기 분포에 해당합니다.

이미지 4a에서 볼 수 있듯이 분배기에 의해 생성된 소스 기포는 크기가 대략 유사하며 주로 0-3mm 범위 내에 집중되어 있습니다. 그러나 임펠러가 작동하지 않는 경우에도 기포는 여전히 전단 장치와 벤딩 파이프를 통과하여 분배기에서 관찰 탱크까지 이동해야 합니다. 따라서 더 큰 기포와 더 작은 기포의 존재를 설명할 수 있습니다. 임펠러 속도가 증가함에 따라 큰 기포의 파열이 심해지고 기포 이미지에서 점차 사라집니다. 로그 정규 분포 모델을 사용하여 거품 크기 분포를 맞추면 속도가 증가함에 따라 거품 크기 분포와 로그 정규 분포 간의 적합도가 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 회전 속도가 상대적으로 높을 때 CSBG에 의해 생성된 버블 그룹의 버블 크기 분포가 대략 로그 정규 분포를 만족함을 나타냅니다.

또한 버블 생성기의 또 다른 중요한 매개변수는 버블 크기 분포입니다. 여기서는 기포 크기 분포의 반치폭(FWHM)을 사용하여 기포 크기 분포의 농도를 나타냅니다. 기포 크기 분포에 관한 모든 실험 결과를 주의 깊게 분석한 결과, 회전 속도가 600rpm을 초과하면 모든 기포 크기 분포의 FWHM이 1mm를 넘지 않는 것으로 나타났습니다. 이는 CSBG에서 생성된 기포가 상대적으로 좁은 범위 내에 집중되어 있음을 나타냅니다.

이미지 5-- 회전 속도에 따른 평균 기포 크기 변화 곡선 (a) 비맞춤 (b) 맞춤 (R은 회전 속도를 나타냄)

연구팀은 회전 속도가 기포 크기에 미치는 영향을 정량적으로 연구하기 위해 회전 속도가 증가함에 따라 평균 기포 직경(AMD 및 SMD)의 변화를 분석했습니다. 이미지 5에서 볼 수 있듯이 AMD와 SMD 모두 회전 속도가 증가함에 따라 크게 감소합니다. 회전 속도가 1500rpm 미만이면 회전 속도가 증가함에 따라 기포의 크기가 꾸준히 감소합니다. 임펠러의 고속 회전은 유체 회전에 에너지를 제공하며, 소용돌이의 형성은 작은 기포의 응집을 악화시킵니다. 이 단계에서는 기포 크기의 동적 안정성을 유지하기 위해 파열과 유착이 서로 경쟁합니다. 따라서 회전속도가 1500rpm 이하일 때 임펠러의 회전속도는 평균 기포크기에 중요한 역할을 한다. 이미지 5(b)는 AMD의 회전 속도 거듭제곱 법칙이 0.27인 반면, SMD의 회전 속도 거듭제곱 법칙은 0.37임을 보여줍니다. 체적 공극률과 액체 질량 유량이 변하면 CSBG가 기포 크기에 미치는 영향이 크게 달라집니다.

팀은 사례 연구를 통해 체적 공극률이 기포 크기에 미치는 영향에 대해 자세히 논의했습니다. CSBG 작동 범위는 초기 영역과 안정 영역의 두 영역으로 나뉩니다. 0~500rpm 범위 내에서 모든 체적 기포율 조건에서의 결과는 AMD와 SMD가 회전 속도 증가와 정량적 관계가 거의 없으며 변동만 있음을 나타냅니다.

이미지 6 - 다양한 가스 속도와 회전 속도에서 시각화된 원본 버블 이미지의 예

원본 버블 이미지의 고속 획득 결과를 결합하면 이미지 6과 같이 이 현상을 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 초기 영역에서는 낮은 회전 속도로 인해 안정적인 고속 전단장이 형성될 수 없습니다. . 임펠러의 회전으로 제공되는 에너지가 기포를 안정적으로 깨뜨리기에 부족하여 평균 기포 크기가 불안정한 추세를 보입니다. 따라서 0~500rpm 영역은 CSBG의 초기 단계로 간주됩니다. 임펠러의 회전 속도가 500rpm을 초과하면 회전 속도가 증가함에 따라 평균 기포 크기가 꾸준히 감소합니다. 이 영역에서는 임펠러의 고속 회전이 안정적인 전단장을 형성하여 전단장으로 들어가는 소스 기포가 부서질 수 있도록 충분한 에너지를 제공합니다. 기포의 파괴는 임펠러의 회전에 의해 제어되어 기포의 평균 크기가 꾸준히 감소합니다. 따라서 회전속도가 500rpm을 초과하는 영역은 안정된 영역으로 간주됩니다.

실험결과

본 실험에서는 다양한 작동 조건에서 성능을 조사하기 위해 CSBG 프로토타입 기계를 설계 및 제작했습니다. 팀은 시각화 실험과 2상 흐름 측정 시스템을 통해 CSBG가 다양한 크기의 연속 기포를 생성하는 타당성을 검증하고 CSBG의 실험 작업 곡선을 얻고 평균 기포 크기와 두 가지 영향 요인인 회전 속도와 기상 흐름 사이의 관계를 맞추었습니다. 비율.

실험 결과는 CSBG가 밀리미터 범위 내에서 연속 기포를 생성하는 능력을 가지고 있음을 보여줍니다. 안정적인 작업 영역은 500~1500rpm 사이이며, 여기서 SMD는 안정적인 작업 영역 내 회전 속도의 -0.37승에 정비례합니다. CSBG의 BMD는 기체상의 겉보기 유속이 증가함에 따라 증가하며, SMD는 안정된 작업 영역 내에서 기체상의 겉보기 유속의 0.263승에 정비례합니다. 그러나 액상의 겉보기 속도와의 관계는 중요하지 않습니다.