ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Основы гидродинамики барботажа и массопередачи кислорода в жидкость из "Системы аэрации сточных вод" Кутателадзе и Стыриковича (1976), простота этой зависимости является следствием допущений, принятых при составлении баланса сил (1). В действительности механизм истечения воздуха из отверстия даже при умеренных скоростях, когда на отверстии формируются отдельные пузырьки, значительно сложнее. Так, при повышенной плотности и вязкости жидкости в области стоксова течения может быть существенной роль гидравлического сопротивления, что вызывает увеличение отрывного диаметра пузырька. [c.5] При увеличении напора воздуха перед отверстием, а следовательно,и его расхода через отверстие происходит стабилизация частоты образования воздушных пузырьков. Формирование воздушного пузырька при значительных скоростях истечения из отверстия показано на рис. 1. Очевидно, что при больших скоростях подачи воздуха пузырек формируется не непосредственно на отверстии, а на конце вытянутой струи. Можно утверждать, что отрывной диаметр пузырька при этом также возрастает. В момент отрыва наблюдается отчетливый скачок скорости перемещения хвостовой зоны пузырька относительно скорости перемещения его лобовой зоны, обусловленный силовым эффектом замыкания пузырька поверхностью контакта фаз. При этом пузырек принимает характерное пулевидное очертание, которое затем быстро переходит в стабильную сферическую форму. [c.5] Геометрия воздушного пузырька и скорость его подъема. Скорость подъема пузырьков воздуха и жидкости находится в непосредственной связи с их размерами и формой. С уменьшением размеров пузырьков, пронизывающих жидкостный слой, их сферическая форма становится более устойчивой. С увеличением размеров пузырьков их форма все более отклоняется от шаровой, наблюдается динамическое сплющивание пузырьков в направлении их движения и возникновение грибовидных пузырьков нерегулярной формы с волнистыми краями и вогнутостью в хвостовой зоне (рис.2). Понятно, что точные теоретические выводы могут быть справедливы только для относительно небольших пузырьков стабильной сферической формы. [c.5] Как ВИДНО из выражения (5), обычно называемого формулой Стокса, скорость движения пузырьков возрастает с увеличением их диаметра. Однако формула Стокса дает удовлетворительную сходимость с опытными данными только в узком интервале значений (рис. 3). Это объясняется изменением формы воздушных пузырьков с увеличением их диаметра, что уменьшает скорость их движения. Сила поверхностного натяжения стремится придать пузырьку шарообразную форму, которая вследствие неравномерности давления по поверхности делается нестабильной. Чем меньше пузырек, тем больше сила поверхностного натяжения и тем устойчивее его форма, поэтому пузырьки малого размера практически шарообразны. Влияние же силы поверхностного натяжения на форму крупных пузырьков мало по сравнению с динамическим воздействием жидкостной среды, и пузырекприобретаетнеустойчивуюформу. Неустойчивость формы крупного пузырька приводит к изменениям скорости и к нарушениям вертикальной траектории его всплывания (рис. 4). [c.6] Как показывает опыт, характер движения одиночного пузырька воздуха в жидкости весьма сложен траектория его всплывания имеет вид сплющенной (эллиптической) спирали с тенденцией к увеличению среднего диаметра ее витка по мере подъема пузырька. Разница скоростях движения жидкости и воздушных пузырьков вызывает коалесценцию мелких и диспергирование крупных пузырьков воздуха. При этом необходимо отметить, что объем пузырька воздуха за время его подъема не остается постоянным в результате диффузии кислорода в жидкость, с одной стороны, и уменьшения гидростатического давления на него по мере его подъема, с другой. Маккоуэн и Окун методом масштабного фотографирования установили, что после перемещения пузырька на 2/3 высоты колонны площадь его поверхности увеличивается на 20%. [c.6] Франк-Каменецкий показал, что относительная скорость движения сплющенного сфероида не зависит от его размера. Это хорошо согласуется с данными, приведенными на рис. 3. [c.8] Для области чисел Ке 50. ..80 теоретическое решение для скорости подъема воздушного пузырька получено В.Г. Левичем . [c.8] Необходимо отметить, что при Ке 2 подвижность поверхности контакта фаз приводит к режиму, отличному от обтекания твердой сферы, так как точка отрыва оказывается смещенной ближе к хвостовой зоне пузырька, что в свою очередь уменьшает гидравлическое сопротивление его движению. [c.8] Воздушный пузырек в вертикальном потоке жидкости. Из многочисленных вариантов столкновения воздушного пузырька и набегающего потока жидкости рассмотрим два наиболее характерных векторы относительного движения газовой и жидкостной сред совпадают (прямоточный режим) и векторы относительного движения сред противоположны (противоточный режим). Следует отметить, что этот вопрос практически не получил освещения в литературе. [c.8] Второй член в правой части равенства (12), характеризующий динамическое воздействие потока на пузырек воздуха, при - 0 стремится к нулю и равенство (12) приближается к выражению (2). Наоборот, при увеличении 1 2 значение второго члена в правой части равенства (12) резко возрастает, что означает, например, при противоточном режиме образования пузцфьков заметное увеличение их размеров - явление для технологии, безусловно, нежелательное. [c.9] Выход воздушных пузырьков на поверхность жидкости. Визуально выход пузырька на поверхность жидкости и момент его разрушения воспринимаются как мгновенное и одностадийное явление. Скоростная киносъемка позволяет разделить это явление на ряд стадий (рис. 7, а). Так, при выходе пузырька на поверхность жидкости поднятая им жидкостная пленка стекает с образовавшегося купола. Затем вершина купола — место концентрации поверхностных напряжений - разрывается и возникающие неуравновешенные силы стремительно расширяют отверстие. В момент разрыва оболочка в верхней части купола имеет малую толщину, а вблизи его основания значительно большую, в связи с чем разрушение оболочки может сопровождаться появлением на ее поверхности ряда разрывов с отделением от массы жидкости частей пленки, свертывающихся в отдельные капли (Кутателадзе, Стырикович, 1976). При отсутствии примесей в жидкости пленочная поверхность втягивается в основную массу жидкости и углубление на поверхности быстро заполняется жидкостью, устремленной к его центру. Образующаяся кольцевая волна, смыкаясь, выплескивает вверх столбик жидкости, от которого отделяется одна или несколько капель. [c.12] Однако при барботаже воздуха через слой жидкости, содержащей специфические примеси, наблюдается иная картина. Так, если примеси замедляют сток жидкости с купола пузырька при достижении пленкой малой толщины, последняя практически перестает истончаться (риа 7,6) и стека-ние жидкости происходит из ее нижних слоев. В момент разрыва пленка достигает очень малой толщины и осколки ее образуют очень мелкие капли. [c.12] Разумеется, сказанное справедливо только при разрушении единичных пузырьков, так как в случае массового барботажа возникает взаимодействие между соседними разрушающимися пузырьками. Это взаимодействие при наличии в жидкости поверхностно-активных веществ, либо при наличии в жидкости крупных молекул белкового происхождения или коллоидных частиц, обладающих вьюокой вязкостью, усиленное как интерференцией образующихся волн, так и разрывом пленок соседних пузырьков, может приводить к образованию и накоплению весьма устойчивой поверхностной пены. [c.13] Двухлленочная теория неоднократно подвергалась серьезной критике, ставившей под сомнение как справедливость ее в целом, так и справедливость отдельных ее положений. Безусловно правомерным является критическое замечание о некорректности третьего допущения пленочной теории относительно преобладания молекулярной диффузии над остальными ее видами. Вместе с тем допущение о квазистационарном характере массопередачи через плоскую границу раздела фаз, положенное в основу большинства моделей массопередачи, не вызывает возражения, и попытки обойти это допущение успеха не имели. [c.15] При - 1 коэффициент к— т.е. если сопротивление одной из фаз является лимитирующим, то общий и частный коэффициенты массопередачи в ней совпадают. [c.15] Теория проникания (пенетрации) Хигби. К началу 30-х гг. стало ясно несовершенство ппеночных теорий, носящих в основном качественный характер. Многочисленные экспериментальные исследования выявили зависимость толщины пленки от коэффициента диффузии и от скорости относительного движения фаз, что указывало на значительную роль гидродинамики в процессах массопередачи. Теория Хигби, являющаяся развитием работ Врублевского (1878), Стефана (1878) и других исследователей, возникла как попытка усовершенствования пленочной теории. Однако. Хигби критиковал пленочную теорию не с позиций гидродинамики, а с позиций стационарности процесса диффузии. [c.15] Данквертс полагает, что вероятность обновления данного элемента жидкости в определенном промежутке времени не зависит от его возраста и поэтому скорость обновления поверхностных элементов данного возраста пропорциональна числу имеющихся элементов, т.е. [c.17] Вернуться к основной статье