Конференция молодых ученых СО РАН, посвященная М.А.Лаврентьеву.
Секция механики, энергетики и горных наук

4-7 декабря 2001 года, Новосибирск, Академгородок

Тезисы докладов


Экспериментальное исследование всплытия пузырька в канале малого размера.

Шамирзаев А.С.

ИТ СОРАН (Новосибирск)

Проводились измерения скорости всплытия одиночных пузырьков в различных органических жидкостях в вертикальном, прямоугольном канале 2х7 мм ,при изотермических условиях.

Канал 2х7 мм изготовлен из стали со стеклянными вставками для оптических измерений. Длина канала составляла 500мм , длина прозрачного окна 220мм . Измерялось поведение пузырька (снаряда) в покоящейся жидкости. Расстояние от входа в канал до оптического окна равно 200мм. Скорость всплытия фиксировалась цифровой видеокамерой и измерялась на протяжение всего оптического окна.

Были проведены эксперименты с ацетоном CH3COCH3,спиртом этиловым C2H5OH, спиртом изопропиловым(2) C3H8O(2), гептаном CH3(CH2)5CH3. Свойства использованных жидкостей представлены в таблице 1.

Таблица 1 Свойства используемых жидкостей.

* справочные данные.

Экспериментально измеренная зависимость скорости всплытия пузырька в канале в зависимости от объёма газа в пузыре представлена на рис 1.

Для ацетона, у которого наименьшее капиллярно поверхностное число Y и наибольшее число Галилея Ga, наблюдается наиболее сильное увеличение скорости всплытия снарядов с дальнейшим увеличением их размера.

Данные по визуализации не показали влияния высоты столба жидкости над снарядом на размер снаряда за время прохождения оптического окна. Поэтому для анализа влияния размеров снаряда на толщину плёнки можно проследить поведение отношения площади сечения канала занятой плёнкой к полному сечению канала выраженном через длину , объём снаряда и размер канала - чем меньше этот комплекс тем тоньше стекающая плёнка , поведение этого комплекса показано на рис. 2. Из рис 2 видно, что для ‘ вязких ’ жидкостей толщина плёнки сформировавшегося снаряда практически не зависит от его длины. Для этилового спирта толщина плёнки практически не изменяется в диапазоне длин снарядов от 20 до 35 мм (объём от 300 до 500 мм3).На этот факт указывалось в работе M. Mond 1990. В то время как для жидкостей с ‘маленькой’ вязкостью толщина плёнки уменьшается с увеличением длинны снаряда, причём толщина плёнки для слабовязких жидкостей существенно меньше чем для вязких , так как одному и тому же объёму газа соответствует разная длина снаряда и для невязких жидкостей она существенно меньше.

Рис. 1. Скорость всплытия пузырьков воздуха в зависимости от объёма пузырька в прямоугольном вертикальном канале 2х7 мм. 1-спирт этиловый,2-спирт изопропиловый,3-ацетон,4-гептан. Жирная линия соответствует Модели Wallis(1969).

Рис 2. Влияние длины снаряда на толщину плёнки. 1-спирт этиловый,2-ацетон,3-гептан.

Данные визуализации показали, что длина сформировавшихся воздушных снарядов тем больше , чем больше вязкость жидкости, в то же время для несформировавшихся снарядов наблюдается обратная картина. Под сформировавшимся снарядом, здесь подразумевается снаряд с таким объемом газа в пузырьке, что диаметр пузырька в свободном пространстве (в предположении сферичности формы) был бы равен максимальной ширине канала. Таким образом в исследуемом канале (2х7мм) этот объём должен соответствовать ~176 мм3. Однако и по достижении этой величины скорость снаряда для всех жидкостей кроме спирта изопропилового(2) C3H8O(2) не полностью стабилизируется. Для ацетона, у которого наименьшее капиллярно поверхностное числоY и наибольшее число Галилея Ga, наблюдается наиболее сильное увеличение скорости всплытия снарядов с дальнейшим увеличением их размера. Из вышеизложенного видно , что в задаче нет одной силы определяющей скорость всплытия снаряда и толщины плёнки жидкости стекающей вдоль снаряда.

В таблице2 Представлены параметры используемых жидкостей и сформировавшихся снарядов для исследуемого канала. Видно, что по классической теории Wallis сформировавшиеся снаряды должны всплывать только в гептане поскольку число Бонда в канале с гептаном больше 4, причём со скоростью много меньше чем 1см/с (приблизительно 1.7 мм/с). Однако, в исследуемом канале, снаряды всплывают для всех жидкостей и число Бонда не является определяющим.

Таблица 2 Параметры используемых жидкостей в канале и сформировавшихся газовых снарядов.

Так для маленьких пузырьков наблюдается наибольшая скорость подъема и витание, как и в большом объеме жидкости. В этом диапазоне, когда диаметр пузырька существенно меньше размеров канала, параметром определяющим скорость всплытия является соотношение вязкости и гравитации. С увеличением объема пузырька он всё больше взаимодействует со стенками канала и его скорость падает ,после чего происходит формирование головной части снаряда и стекающей плёнки жидкости ,здесь по всей видимости включаются силы поверхностного натяжения и после этого его скорость начинает возрастать.Надо заметить что в канале некруглой формы с углами в угле всегда формируется мениск жидкости по которому может передаваться градиент давления вдоль снаряда и поэтому с увеличением размера газового снаряда возрастает выталкивающая сила. По мере утоньшения пленки скорость скольжения газа относительно жидкости возрастает и возможна ситуация когда существенное влияние начинает оказывать напряжение трения на поверхности стекающей пленки становиться существенным и приводит к дальнейшему утоньшению плёнки и замедлению роста скорости всплытия снаряда. Так можно предположить , что в некруглом канале малого размера определяющим параметром для скорости всплытия снаряда скорее всего является Y капиллярно-поверхностное число , число Галилея определяющее соотношение силы тяжести и вязкого трения и комплекс связанный с геометрией канала. Действительно, форма канала будет определять количество менисков , причем величина уголов может влиять на степень влияния капиллярных сил , форма канала так же будет определять форму головной части снаряда на которой формируется стекающая плёнка. К тому же характерный размер канала определяет момент в который начинает оказывать существенное влияние взаимодействие со стенками канала.

Так на рис.3 представлено качественное сравнение скорости всплытия воздушного пузырька в некруглом канале (характерный размер канала больше Dc и Eo<4) с его скоростью в свободном пространстве в зависимости от D где D- диаметр сферы с объёмом газа в снаряде. Характер движения пузырька в свободном пространстве для маловязких жидкостей имеет два основных характерных режима(I.H.Lehrer 1980). В первом режиме,когда D меньше Dc,пузырек имеет почти сферичную форму и его обтекание можно считать потенциальным и скорость всплытия определяется вязкостью.

Рис. 3 Сравнение скорости UB всплытия газового пузырька в свободном пространстве (жирная линия) со скоростью всплытия газового пузырька в канале, для жидкостей с низкой вязкостью.

Во втором режиме , когда D больше Dc,пузырек деформируется, его поверхность сильно осциллирует и движение становится нерегулярным и скорость всплытия не зависит от вязкости.

Понятно что если характерный размер канала h меньше Dc то взаимодействие со стенками должно начаться значительно раньше.Таким образом можно ввести новый безразмерный комплекс Eo* как отношение характерного размера канала к критическому диаметру пузырька в свободном пространстве определяющий скорость всплытия пузырька в маленьком канале некруглой формы. На рис 4 представлена зависимость числа Фруда от этого комплекса. Видно , что с приближением Eo* к единице скорость всплытия пузырьков резко падает. Классическое же построение от числа Бонда не показывает монотонного поведения.

Рис. 4 Безразмерная скорость всплытия пузырьков в прямоугольном и круглом канале в зависимости от Eo* (d/Dc). Темные точки наш эксперимент в прямоугольном канале 2х7 мм ; серый ромб - прямоугольный канал 0.75х1.5, светлые квадраты-квадратный канал 1х1 и 1,5х1,5, данные Bi&Zhao 2001 (H2O).

Заключение.

Проведены измерения скорости всплытия одиночных пузырьков в различных органических жидкостях в вертикальном, прямоугольном канале 2х7 мм ,при изотермических условиях. Показано существенное отличие от круглого канала - в прямоугольном канале пузырьки всплывают даже когда гидравлический диаметр канала меньше капиллярной постоянной. Обнаружено влияние вязкости на скорость всплытия снарядов. Обнаружено, что толщина плёнки жидкости в пузырьке зависит от размеров пузырька.

Литература.

1 M. Mond , Measurement of Liquid Film Thickness Diring Passage of Bubbles in a Vertical Rectangular Channel, ASME Journal of Heat Transfer,1990,Vol.112,p255.

2 Wallis, G.B.,1969 , One Dimensional Two-Phase Flow, McGraw-Hill, New York.

3 Q.C. Bi, T.S. Zhao, Taylor bubbles in miniaturized circular and noncircular channel, Int. J. of Multiphase Flow, 27 (2001) pp561-570.

4 Isaac H. Lehrer, A Theoretical Criterion of Transition in the Free Motion of Single Bubbles and Drops, AIChE Journal, 1980, Vol.26,No.1,pp-170-172.

Примечание. Тезисы докладов публикуются в авторской редакции



Ваши коментарии
Обратная связь

© 1996-2001, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск
© 1996-2001, Сибирское отделение Российской академии наук, Новосибирск