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矩形窄缝通道近壁汽泡滑移和浮升可视化实验研究
摘要
在石油化工等领域，传质研究一直是一个重要的课题。本研究通过实验探究了矩形窄缝通道存在近壁汽泡滑移和浮升现象对质量传递的影响。实验结果表明，窄缝通道壁面的汽泡滑移和浮升能够明显增加物质的质量传递速率，加快物质相间的混合过程，提高设备的传质效率。此外，本研究还对影响汽泡滑移和浮升的因素进行了分析和探讨，为实际工程应用提供了科学的参考依据。
关键词：矩形窄缝通道；近壁汽泡滑移；浮升；质量传递；可视化实验
Abstract
Masstransferisalwaysanimportanttopicinthefieldsofpetrochemicalandotherrelatedindustries.Thisstudyinvestigatestheeffectsofnear-wallbubbleslipandbuoyancyonmasstransferinarectangularnarrowchannel,throughexperiments.Theexperimentalresultsshowthatnear-wallbubbleslipandbuoyancyinnarrowchannelscansignificantlyincreasethemasstransferrate,acceleratethemixingprocessbetweentwophasesandimprovethemasstransferefficiencyoftheequipment.Additionally,thisstudyanalyzesanddiscussesthefactorsaffectingbubbleslipandbuoyancy,providingscientificreferenceforpracticalengineeringapplication.
Keywords:Rectangularnarrowchannel;Near-wallbubbleslip;Buoyancy;Masstransfer;Visualizationexperiment
正文
1.引言
在石油化工等领域，物质传输的速度和效率常常决定着生产效率和质量。传质过程中的物质相间传递速率则直接关系到设备的传质效率。近年来，研究窄缝通道内质量传递的研究越来越受到人们的关注，因为其在化工装备、电力水处理以及生物制药等领域中具有广阔的应用前景。
在窄缝通道内，由于流动的限制和壁面效应，存在着一些特殊的现象，如近壁汽泡滑移和浮升。这些现象均会影响窄缝通道内物质在相间传输速率。因此，准确分析矩形窄缝通道中近壁汽泡滑移和浮升的影响是提高传质效率和优化装置结构的关键。
2.实验设计
为了研究窄缝通道中的质量传递，我们建立了一套实验系统，如图1所示。
（插图1）
图1实验装置示意图
实验室中采用一块1mm厚的PMMA板作为实验通道，并在通道两端进行密封。通过汽油、水等液体或蒸气作为工质，建立相应的物质传递模型。采用高速相机拍摄传质过程中的汽泡形态，并通过数值分析计算得到窄缝通道中物质的传递速率。
3.实验结果和分析
在实验过程中，对矩形窄缝通道开展了对流传热实验，探究了窄缝通道内的物理现象和质量传递效果。实验结果表明，在窄缝通道内，存在大量的气泡，这些气泡在墙面附近的地方会发生滑移和浮升现象。此外，当流体在窄缝通道中呈现一定角度时，气泡上升的速度会慢于流体物质的运动速度，从而使气泡在流体内发生滑动现象。
为了验证近壁气泡滑移和浮升对物质传递的影响，我们分别进行了两组对照实验。在第一组实验中，我们在矩形窄缝通道内注入水和汽油两种液体，采用蓝色素和红色素给两种液体染色，通过高速摄像仪记录下液体混合过程，并比较不同条件下的质量传递速率。
在第二组实验中，我们在矩形窄缝通道内加入硝酸铜溶液和水，采用紫外灯照射加速提高溶液的反应速率，通过紫外-可见分光光度计测定远离墙面和靠近墙面处的质量传递速率，并与第一组实验结果对比。实验结果表明，通过近壁气泡浮升和滑移等现象，能够显著改善质量传递速率，产生了较好的传质效果。
4.结论和展望
本研究采用实验方法研究了近壁气泡滑移和浮升现象对矩形窄缝通道内的质量传递速率的影响。实验结果表明，近壁气泡浮升和滑移现象能明显促进物质相间的混合，提高传质速率，提高装置的传质效率。此外，在实验过程中，我们还同时探讨了对流传热效应、流体运动方式、气泡尺寸等多种因素对窄缝通道内气泡滑移和浮升现象的影响。未来的研究中可以结合数字模拟等多种方法，深入探究窄缝通道中的气泡运动规律，并将研究结果应用于实际的工程应用中。