鼓泡塔反应器作为一种常见的气-液接触与反应装置,具有结构简单、操作方便、传热传质好等优点,广泛应用于化工、环境、生化、能源等领域。以往的研究者针对影响鼓泡塔流体力学的因素开展了大量研究,比如操作条件(空塔气速)、几何参数(分布器结构、塔径、高径比和内构件)、物性参数(气液相物性)等。这些研究多采用常温常压条件,然而实际的工业过程大都在高温高压下运行。文献中关于高温高压下流体力学的研究不多,且大部分针对流体的宏观性质::如平均气含率、流型转变速度等,对高温高压鼓泡塔中微观性质(气泡尺度)的研究还很缺乏,对气泡的微观流动机理与运动规律还没有得到清晰的认识。高温高压下物性变化交互耦合,影响复杂,了解苛刻条件下气泡的运动规律对理解两相鼓泡流动机理具有重要意义。同时鼓泡塔多在较高气速下运行,气泡间存在强烈的相互作用和介尺度结构,影响着宏观的两相流体力学行为,然而针对气泡团聚体的实验研究还很缺乏。鉴于此,本文将针对高温高压鼓泡塔中气泡的运动以及聚集状态进行研究,采用实验测量以及计算流体力学(CFD)两种方法研究气泡运动规律,考察温度、压力、气速、液体黏度等多种因素的影响,建立相应的流动模型。论文内容主要包括以下几个方面:1.温度压力对单孔气泡生成过程的影响采用高速摄像法在内径50 mm的高温高压鼓泡塔可视化实验装置中,针对不同的液体体系(高黏度高沸点硅油、低黏度高沸点十四烷以及低黏度低沸点水),观察不同孔口气速(0～1500cm·s-1)、温度(283～473 K)、压力(0～6MPa)与孔径(1.12、2.5 mm)下气泡生成过程,定量测量气泡参数,考察上述因素对气泡生成直径、脱离时间、形状以及生成模式的影响。实验表明,在三种不同物性的液体体系下,压力对于气泡生成模式的影响呈现相同的规律::压力增加,不同气泡生成模式之间的过渡速度减小。压力对气泡直径的影响随温度不同而有所不同:总的趋势是气泡直径随压力增加而减小,但低温下压力影响较小,高温下压力影响较大。温度对气泡直径的影响在高压下三种液体体系呈现出相同的规律:气泡直径随温度增加而减小。常压时三种体系则呈现不同规律:对于硅油体系,饱和蒸气压相对操作压力可忽略,气泡直径随温度增加而减小;对于十四烷和水体系,低温时气泡直径随温度增加而减小,而高温时液体的汽化影响不可忽略,汽化使气泡直径随温度增加而增大。高温高压下气泡的生成不同于常温常压条件,高压下气体具有较高的密度,产生较大的气体动量力,影响其生成方式;高温下饱和蒸气压不可忽略,存在液体汽化现象,使气泡直径随温度的变化与常温下不同。根据实验结果修改了 Gaddis提出的孔口气泡直径关联式,加入温度与压力影响项,使其既适用于常温常压情况,又适用于高温高压条件。2.温度压力对单气泡形状和浮升速度的影响采用高速摄像法在内径50 mm的高温高压鼓泡塔中测量不同温度(293～483 K)、不同压力(0～6 MPa)下气泡浮升速度以及气泡形状的变化。实验表明:温度压力通过改变气液物性(黏度、气体密度以及气泡表面性质)影响气泡的浮升速度。压力增加,气泡浮升速度减小,纵横比增加;温度增加,气泡浮升速度增加,纵横比减小。根据实验结果修正了 Fan提出的气泡速度关联式,使之适用于高温高压黏性液体中气泡浮升。针对气泡纵横比,根据无量纲参数划分为三个部分,提出气泡纵横比关联式。当We>12,气泡纵横比通过Morton数相关联;当We<12且Mo>3,气泡纵横比通过Reynolds数相关联;当We<12且Mo<3,气泡纵横比通过Eotvos数与Reynolds数相关联。所提出的气泡纵横比关联式与高温高压下的实验数据符合良好。3.黏性流体中双气泡相互作用实验与数学模拟采用高速摄像法在内径50 mm的高温高压鼓泡塔中测量不同温度(293～473 K)下等直径气泡纵向排列时的相互作用,并采用流体体积元(VOF)模型对纵向排列的等直径双气泡相互作用进行数值模拟,以考察黏度、表面张力以及气体密度对不同尺寸气泡的相互作用的影响。结果表明,对于等直径双气泡体系,大小气泡呈现不同规律。对于大气泡(d:4,6,8,10mm),物性对先行气泡影响较小,尾随气泡速度以及气泡纵横比则随液体黏度、表面张力与气体密度增加而减小;对于小气泡(d:1,2 mm),双气泡之间相互作用变得复杂,气泡受压力梯度排斥力以及尾涡吸力共同作用,双气泡倾向于共同浮升。黏度较大时,双气泡经历数次加速与减速过程,最终双气泡发生碰撞。通过与文献中尾随气泡速度关联式比较,得出气泡变形在气泡相互作用中具有重要作用,不可忽略。4.气泡群运动形态观察在常温常压二维鼓泡塔中采用高速摄像法观察低气速下气泡群空间分布,考察液体黏度、空塔气速以及孔径对气泡尺寸分布、气泡群空间分布的影响。随后在内径50 mm的高温高压鼓泡塔中采用高速摄像法拍摄高气速、不同温度和压力下气泡尺寸分布以及气泡聚集状态。常温常压二维鼓泡塔实验表明::对于低黏度体系气泡群分布的非均匀性不太明显;对于黏性体系,低气速时,气泡群的非均匀分布比较明显,气泡倾向于横向团聚。随着气速增加,产生尺寸接近的小气泡组成的气泡团聚体或大气泡尾涡夹带小气泡形成的气泡团聚体。高温高压鼓泡塔高气速实验表明,高气速下气泡群的非均匀分布较普遍存在两种形态:一类是大气泡的尾涡夹带着大量小气泡一起浮升;,另一类是大气泡之间在聚并-分散过程中短时间形成的动态聚集状态。