1.Применение технологии измерения и анализа двухфазного потока в исследованиях CSBG

При изучении двухфазного потока газ-жидкость статистическое и динамическое измерение газовой фазы оказывает значительное влияние на моделирование, сопротивление потоку, вопросы тепло- и массопереноса в двухфазном потоке. Точное измерение таких параметров, как размер пузырьков, форма, положение и динамическая скорость в группе пузырьков, может поддержать анализ ключевых параметров в двухфазном потоке, таких как динамические траектории пузырьков, распределение удержания газа и отношение скоростей скольжения. Среди них параметр размера пузырька имеет большое значение для потока пузырьков. Размер пузырька является ключевым параметром для снижения сопротивления микропузырьковой турбулентности, что также ограничено сложностью получения пузырьков разных размеров. Поэтому эффект размера снижения сопротивления микропузырьковой турбулентности требует дальнейшего исследования.

Генератор пузырьков непрерывного спектра (CSBG) — это генератор пузырьков, предложенный командой Шанхайского университета Цзяотун, который может производить пузырьки с непрерывно контролируемыми размерами. Он включает в себя серводвигатель и вращающийся импеллер, регулируя механическую прочность на сдвиг путем управления скоростью импеллера для достижения желаемого размера пузырьков. Его главная особенность — возможность получать пузырьки заданного размера при тех же условиях потока газа и жидкости (с постоянными скоростями потока газа и жидкости), что делает его применимым в различных областях исследований, связанных с двухфазным потоком газа и жидкости.

Команда из Шанхайского университета Цзяотун провела эксперименты по визуализации, исследуя принцип работы генераторов пузырьков непрерывного спектра. Они проанализировали макроскопические характеристики генератора с помощью высокоскоростной камеры Revealer в сочетании с технологией измерения и анализа двухфазного потока, проверив надежность генератора пузырьков непрерывного спектра (CSBG). Соответствующие результаты исследований были опубликованы в известном во всем мире журнале Chemical Engineering Science, формат цитирования: Chen, W., Huang, G., Hu, Y., Yin, J., & Wang, D. (2022). Экспериментальное исследование генератора пузырьков непрерывного спектра с новой техникой обработки изображений перекрывающихся пузырьков. Chemical Engineering Science,117613.doi:https://doi.org/10.1016/j.ces.2022.117613》

2.Экспериментальный процесс

1/2. Экспериментальные методы

Команда из Шанхайского университета Цзяотун разработала метод управления размером образующихся пузырьков с помощью серводвигателей для управления механическим сдвигом, достигая непрерывного контроля над размерами пузырьков. Из-за проблем с контролем размеров пузырьков экспериментальное исследование сначала оценивает требуемые размеры пузырьков, а затем генерирует пузырьки, близкие к желаемому размеру, управляя диаметром отверстия генератора пузырьков. Фактические размеры пузырьков измеряются с помощью таких методов, как высокоскоростное наблюдение камерой и анализ измерения двухфазного потока.

Рисунок 1 – Принципиальная схема экспериментальной цепи

Изображение 1 представляет собой схематическую диаграмму экспериментального исследования макроскопических характеристик CSBG, которая состоит из генератора пузырьков, высокоскоростного резака, секции визуализации измерений, электромагнитного расходомера, регулятора расхода газа, насоса, нескольких клапанов, труб и других компонентов. Для проверки макроскопических характеристик CSBG диаметр отверстия генератора устанавливается на 2 мм. В сценариях, требующих больших или меньших исходных пузырьков, этого можно добиться путем увеличения или уменьшения размера отверстия. Внутри высокоскоростного резака устанавливается режущее рабочее колесо, приводимое в движение серводвигателем с точно контролируемой скоростью вращения до ±3 об/мин. Во время эксперимента интенсивность резки изменяется путем управления скоростью вращения рабочего колеса, тем самым достигая контроля над размером пузырьков. Экспериментальная схема представляет собой круглый канал с внутренним диаметром 50 мм. Чтобы минимизировать влияние показателя преломления на высокоскоростную визуализацию, прямоугольный резервуар для воды размещается снаружи секции визуализации измерений в качестве смотрового ящика. Экспериментальными двухфазными средами газ-жидкость являются вода и воздух соответственно. Расход жидкой фазы измеряется электромагнитным расходомером, в то время как газовая фаза хранится в газовом резервуаре после сжатия компрессором, а ее расход в контуре контролируется контроллером расхода газа. Для обеспечения разделения фаз газ-жидкость в контуре в верхней части контура устанавливается большой резервуар для воды, использующий гравитацию для достижения разделения фаз газ-жидкость и гарантирующий отсутствие влияния предшествующих пузырьков в экспериментальной входной секции.

Три основных фактора, влияющих на размер пузырьков в CSBG, это: скорость потока газовой фазы, скорость потока жидкой фазы и скорость двигателя. Чтобы исследовать влияние скорости двигателя на размер пузырьков при различных условиях потока газовой и жидкой фазы, в этом эксперименте были созданы два экземпляра с общим количеством 23 групп и 460 экспериментальных точек, как показано в Таблице 1.

Таблица 1—Экспериментальные условия

2/2. Измерение визуализации пузырьков

В эксперименте используется высокоскоростная камера Revealer в сотрудничестве с командой из Шанхайского университета Цзяотун для разработки технологии измерения и анализа двухфазного потока. Эта установка устанавливает платформу измерения визуализации пузырьков для дальнейшего наблюдения и анализа процесса движения и размера групп пузырьков в каждой экспериментальной группе CSBG во время эксперимента. Измерение визуализации обрабатывает перекрывающиеся изображения пузырьков на основе обнаружения вогнутых точек и быстрой кластеризации сегментных дуг. Он включает удаление фона, бинаризацию и извлечение границ изображений пузырьков, а также сегментацию вогнутых точек, кластеризацию сегментов дуг и подгонку для получения информации о размере пузырьков.

Изображение 2 — Блок-схема технологии обработки пузырьковых изображений

3/2. Экспериментальное исследование CSBG

Изображение 3 — Исходные изображения пузырьков при разных скоростях вращения

Для изучения предварительных экспериментальных характеристик CSBG было изучено влияние различных скоростей вращения на размер пузырьков при идентичных условиях потока газа и жидкости. Были показаны типичные результаты визуализации окна наблюдения и соответствующее распределение размеров пузырьков при различных скоростях вращения. Как показано на изображении 3, когда CSBG не работает (0 об/мин, 3a), пузырьки, генерируемые распылителем, относительно однородны по размеру. Когда CSBG начинает работать, а скорость вращения низкая (0-600 об/мин, изображения 3b и c), вращение импеллера оказывает ограниченное влияние на размер пузырьков. Хотя на изображении пузырьков разбросано больше мелких пузырьков, более крупные пузырьки по-прежнему доминируют. С увеличением скорости импеллера (более 600 об/мин, изображения 3d по h) вращение импеллера играет важную роль в разрушении пузырьков, значительно уменьшая их размер. В ходе эксперимента можно визуально наблюдать по изображениям пузырьков, что когда скорость вращения превышает 600 об/мин, группа пузырьков быстро уменьшается с увеличением скорости вращения. Как упоминалось выше, распределение размеров исходных пузырьков, генерируемых распылителем, как ожидается, будет близко к равномерному распределению, что облегчит изучение характеристик CSBG через распределение размеров пузырьков на выходе из высокоскоростного сдвигового устройства.

Изображение 4. Различные скорости вращения соответствуют различным распределениям размеров пузырьков.

Как показано на рисунке 4а, исходные пузырьки, генерируемые распределителем, примерно одинаковы по размеру, в основном сосредоточены в диапазоне 0–3 мм. Однако даже когда импеллер не работает, пузырьки все равно должны пройти через сдвиговое устройство и изгибающую трубу от распределителя до наблюдательного резервуара. Поэтому можно объяснить наличие больших и малых пузырьков. С увеличением скорости импеллера лопание больших пузырьков усиливается, и они постепенно исчезают с изображений пузырьков. Подгонка распределения размеров пузырьков с помощью модели логнормального распределения показывает, что степень соответствия между распределением размеров пузырьков и логнормальным распределением увеличивается с увеличением скорости. Это указывает на то, что при относительно высокой скорости вращения распределение размеров пузырьков группы пузырьков, создаваемой CSBG, приблизительно удовлетворяет логнормальному распределению.

Кроме того, еще одним важным параметром генератора пузырьков является распределение пузырьков по размерам. Полная ширина на половине максимума (FWHM) распределения пузырьков по размерам используется здесь для указания концентрации распределения пузырьков по размерам. Тщательный анализ всех экспериментальных результатов относительно распределения пузырьков по размерам показал, что когда скорость вращения превышает 600 об/мин, FWHM всех распределений пузырьков по размерам не превышает 1 мм, что указывает на то, что пузырьки, производимые CSBG, концентрируются в относительно узком диапазоне.

Рисунок 5 — Кривая изменения среднего размера пузырьков в зависимости от скорости вращения (a) Неподогнанная (b) Подогнанная (R относится к скорости вращения)

Чтобы количественно изучить влияние скорости вращения на размер пузырьков, исследовательская группа проанализировала изменения среднего диаметра пузырьков (AMD и SMD) по мере увеличения скорости вращения. Как показано на рисунке 5, как AMD, так и SMD значительно уменьшаются с увеличением скорости вращения. Когда скорость вращения ниже 1500 об/мин, размер пузырьков неуклонно уменьшается с увеличением скорости вращения. Высокоскоростное вращение импеллера обеспечивает энергию для вращения жидкости, а образование вихря усугубляет коалесценцию мелких пузырьков. На этом этапе разрыв и коалесценция конкурируют друг с другом за поддержание динамической стабильности размера пузырьков. Поэтому, когда скорость вращения ниже 1500 об/мин, скорость вращения импеллера играет важную роль в среднем размере пузырьков. Изображение 5(b) показывает, что AMD имеет степенной закон скорости вращения 0,27, в то время как SMD имеет степенной закон скорости вращения 0,37. При изменении объемной доли пустот и массового расхода жидкости влияние CSBG на размер пузырьков существенно различается.

Команда провела подробное обсуждение влияния объемной доли пустот на размер пузырьков с помощью тематических исследований. Рабочий диапазон CSBG разделен на две области: начальную область и стабильную область. В диапазоне 0-500 об/мин результаты при всех условиях объемной доли пустот указывают на то, что AMD и SMD практически не имеют количественной связи с увеличением скорости вращения, только колебания.

Изображение 6 — Примеры исходных изображений пузырьков, визуализированных при различных скоростях газа и вращения

Объединяя результаты высокоскоростного получения исходных изображений пузырьков, как показано на рисунке 6, это явление можно объяснить следующим образом: в начальной области из-за низкой скорости вращения не может быть сформировано устойчивое высокоскоростное поле сдвига. Энергии, обеспечиваемой вращением импеллера, недостаточно для стабильного разрушения пузырьков, что приводит к нестабильной тенденции в среднем размере пузырьков. Поэтому область от 0 до 500 об/мин считается начальной стадией CSBG. Когда скорость вращения импеллера превышает 500 об/мин, средний размер пузырьков неуклонно уменьшается с увеличением скорости вращения. В этой области высокоскоростное вращение импеллера формирует устойчивое поле сдвига, обеспечивая достаточно энергии для разрушения исходных пузырьков, попадающих в поле сдвига. Разрушение пузырьков контролируется вращением импеллера, что приводит к устойчивому уменьшению среднего размера пузырьков. Поэтому область, где скорость вращения превышает 500 об/мин, считается стабильной областью.

Экспериментальный результат

В ходе этого эксперимента был разработан и изготовлен прототип машины CSBG для исследования ее производительности в различных рабочих условиях. Команда проверила возможность генерации CSBG непрерывных пузырьков разных размеров с помощью экспериментов по визуализации и систем измерения двухфазного потока, получив экспериментальную рабочую кривую CSBG и подогнав соотношение между средним размером пузырьков и двумя влияющими факторами: скоростью вращения и скоростью потока газовой фазы.

Экспериментальные результаты показывают, что CSBG способен производить непрерывные пузырьки в миллиметровом диапазоне; стабильная рабочая область находится в диапазоне 500–1500 об/мин, где SMD прямо пропорционален -0,37-й степени скорости вращения в пределах стабильной рабочей области; BMD CSBG увеличивается с увеличением кажущейся скорости потока газовой фазы, а SMD прямо пропорционален 0,263-й степени кажущейся скорости потока газовой фазы в пределах стабильной рабочей области; однако его связь с кажущейся скоростью жидкой фазы незначительна.