第2章　超重力環(huán)境下的流體力學(xué)、混合與傳遞過程

2.1　流體流動(dòng)現(xiàn)象及描述

2.1.1　液體在填料中的流動(dòng)形態(tài)

深入認(rèn)識(shí)液體在模擬的超重力環(huán)境——旋轉(zhuǎn)填充床內(nèi)及填料中的流動(dòng)狀態(tài)，是建立超重力環(huán)境下的傳遞和混合理論的物理基礎(chǔ)。利用高速攝像、高速頻閃照相技術(shù)、X-ray CT技術(shù)、PIV技術(shù)等可視化方法揭示液體的流動(dòng)過程和流動(dòng)狀態(tài)，并基于此建立相關(guān)的理論模型。

鄭沖、郭鍇等[1]將電視攝像機(jī)直接固定于旋轉(zhuǎn)填料中，對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行觀察，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低轉(zhuǎn)速下（300～600r/min，15～60g），液體在填料中是以填料表面上的液膜（Film Flow）和覆蓋填料孔隙的液膜（Pore Flow）兩種狀態(tài)存在；但在高轉(zhuǎn)速下（>800～1000r/min，>100g），由于液體在填料中的運(yùn)動(dòng)速度加快，液體的湍動(dòng)加劇，觀察不到覆蓋填料孔隙的液膜存在。此外，由于電視攝像機(jī)固有攝像速度的限制，很難分清這時(shí)填料空間的液體是以絲還是以滴的形式流動(dòng)。并且，在其實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)沒有觀察到氣體加入對(duì)液體流動(dòng)形態(tài)有明顯的影響。

Burns[2]和張軍[3]分別利用高速頻閃照相的方法，各自研究了液體在填料中的流動(dòng)形態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（圖2-1），當(dāng)轉(zhuǎn)速在300～600r/min（15～60g）時(shí)，液體在填料中主要是以填料表面上的膜與覆蓋孔眼的膜的形式流動(dòng)（圖2-2）；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到800～1000r/min（>100g）以上時(shí)，填料中的液體主要是以填料表面上的膜與孔隙中的液滴（圖2-3）兩種形式流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)研究所用填料為內(nèi)徑70mm，外徑320mm，比表面積1500m2/m3的PVC泡沫塑料。

2.1.2　液體在填料中的不均勻分布

Burns等[2]用高速頻閃照相的方法對(duì)液體在填料中的不均勻分布問題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明（圖2-4），液體在填料中分布很不均勻，液體以放射狀螺旋線沿填料的徑向流動(dòng)，周向分散很小。

當(dāng)使用一個(gè)固定點(diǎn)的液體分布器分布液體，將填料內(nèi)圈一些部分用擋板擋住，使液體不能從此部分進(jìn)入填料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（圖2-5），遮擋部分對(duì)應(yīng)的扇面區(qū)域填料未被潤濕，說明液體基本上是徑向運(yùn)動(dòng)，而周向分散很小。從這一結(jié)果可看出，液體最初的分布好壞對(duì)整個(gè)填料層的液體分布質(zhì)量的影響至關(guān)重要。

陳建峰、楊宇成等[4]采用X-ray的CT技術(shù)，對(duì)金屬絲網(wǎng)填料和泡沫鎳填料內(nèi)液體流動(dòng)狀況進(jìn)行觀測(cè)。圖2-6和圖2-7分別為時(shí)均狀態(tài)下液體在兩種填料層內(nèi)分布圖。由圖可知，持液量在低轉(zhuǎn)速下要大于高轉(zhuǎn)速，泡沫鎳填料內(nèi)持液量高于絲網(wǎng)填料；液體在填料內(nèi)緣處存在分布不均的現(xiàn)象，特別是對(duì)于泡沫鎳填料；提高轉(zhuǎn)速能改善液體在填料內(nèi)的分布。

2.1.3　液體在空腔區(qū)中的流動(dòng)形態(tài)

陳建峰、楊曠[5]和孫潤林等[6]使用快門速度1/20000s、拍攝幀率為5000fps的高速攝像機(jī)，對(duì)旋轉(zhuǎn)填充床空腔區(qū)的液體形態(tài)進(jìn)行拍攝（圖2-8）。結(jié)果表明：從填料甩出進(jìn)入空腔區(qū)的液滴直徑隨填料厚度或轉(zhuǎn)速提高而下降，直徑在0.15～0.9mm；填料絲徑越細(xì)，對(duì)液體的剪切能力越強(qiáng)；液體穿過一定厚度的填料（約8mm），液體在填料區(qū)周向上的分布基本達(dá)到均勻。