Гидродинамика двухфазных потоков

При движении 2-х фаз 1-я распределяется во второй в виде частиц, капель, пузырей, пленок. 1-я называется дисперсной, 2-я – сплошной, дисперсионной.

Направление движения фаз может быть противоточным, прямоточным, перекрестного тока, комбинированным. В аппаратах картина взаимного движения более сложная.

Двухфазные потоки классифицируются по виду границы раздела фаз:

1. потоки, в которых дисперсная фаза – твердая;

2. без твердой фазы (системы Ж-Ж, Ж-Г, Ж-П).

Различие в том, что у системы 1-го рода твердая фаза не меняет площади поверхности, а у 2-го рода – изменяется форма и масса частиц, а так же площадь потока.

Для характеристики двухфазных потоков используют критерий Вебера – отношение сил инерции к силам межфазного натяжения:

(30)

σ – межфазное натяжение.

Рассмотрим основные характеристики двух распространенных процессов: барботажа газа (пара) через слой жидкости и пленочные течения жидкости, соприкасающиеся с газом (паром).

Барботаж

Газовая фаза, распределяемая через отверстия различных устройств, диспергируется в жидкости в виде пены.

Пена является нестабильной и разрушается после подачи газа (для стабильности используется ПАВ). Пена может быть охарактеризована газосодержанием и удельной поверхностью контакта.

Под газосодержанием понимают долю объема газовой фазы ε в общем объеме пены (газонаполнение). Определяется по разности уровня пены и «светлой жидкости» (после прекращения подачи).

Удельной поверхностью а (м²/м³) называют площадь поверхности контакта фаз в единице объема пены.

По этим характеристикам определяют средний поверхностно-объемный диаметр пузыря d_ср.

Допустим, что в объеме V содержится n пузырей. Тогда:

(31)

При свободном движении пузырей (через одиночное отверстие) отрыв происходит в момент, когда подъемная (архимедова) сила и сила сопротивления отрыву, определяющаяся поверхностным натяжением, равны, т.е.:

(32)

d₀ – диаметр отверстия; σ – поверхностное натяжение (н/м).

Отсюда определим диаметр пузыря в момент отрыва:

(33)

Т.о. диаметр пузыря при свободном движении не зависит от расхода, а определяется диаметром отверстия и свойствами жидкости.

С увеличением расхода возрастает частота отрыва пузыря:

При V=V_кр пузыри не успевают отрываться и движутся в виде цепочки.

При V>V_кр диаметр пузырей зависит от V:

(34)

w_п – скорость подъема;

w_п определяется аналогично w_ос:

Режим движения пузырей определяется по критерию Рейнольдса:

(35)

Закономерности движения пузырей большого диаметра отличаются из-за изменения формы. При малых диаметрах сила поверхностного натяжения обеспечивает шарообразную форму пузыря.

С увеличением размера пузыря из-за неравномерности движения по окружности пузырь деформируется, принимая сначала эллипсоидальную (1-5 мм), затем грибообразную форму.

(рисунок)

На движение больших пузырей влияет изменение их формы, что приводит к колебаниям скорости движения пузырей и отклонением направления движения от вертикального.