气泡诱导湍流：动力学、界面现象及应用

科学讲座2（2022）100022从气泡诱导搅拌的基础到实用Hyungmin Park首尔国立大学机械工程系，韩国首尔08826A R T I C L E I N F O A B S T R A C T保留字：气泡尾流流体混合传热两相流PIV浮力驱动的气泡在液体中的上升过程看似简单，但气泡的动力学、界面现象以及上升过程中气泡与周围液流的相互作用却十分复杂，长期以来一直是多相流研究的热点。例如，气泡的上升动力学由气泡后面的尾流结构控制，该尾流结构也被认为是液体湍流上的气泡诱导搅动（湍流）的起源。对这种相互作用的理解是至关重要的，因为有些人希望将气泡用于各种工程目的，而另一些人则希望检测和去除气泡。在这里，我们将首先简要讨论我们所了解到的气泡诱导湍流或扰动的基本性质，然后讨论我们最近的一些努力，即利用上升的气泡作为湍流控制的策略，如流体混合增强和传热增强。本文的视频可以在j.sctalk.2022.100022上找到。https://doi.org/10.1016/图和表图1.一、沿垂直直线上升气泡后静止尾流的涡结构。其中db和Re分别表示气泡的等效直径和雷诺数左边的是一个[1]。通讯作者。h tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。2022. 1 0 0 02 2接收于2022年4月17日;接受于2022年4月21日27 7 2 - 56 93/©2022TheA ut h or r. 由E lsevier L td提供。 这是一个操作过程，需要遵循C CBY指令（http：//c re ati ve c mmo ns. 或g/li ce nss/by/4. 0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkH. 公园科学讲座2（2022）1000222图二、二维之字形上升轨迹（左，取自[2]）和在这种路径不稳定性下气泡后面的旋涡结构（右，取自[3]）。图3.第三章。链中气泡的重叠轨迹取决于气泡释放频率（f b）。从[4]。H. 公园科学讲座2（2022）1000223图四、由气泡链引起的时间平均垂直液体速度，取决于气泡释放频率（f b）：圆，测量;线，通过考虑气泡尾流之间的相互作用建模。相应的气泡轨迹也以灰色一起示出从[4]。图五、使用多分辨率小波分解对气泡管道湍流（雷诺数为5，300，空隙率为1.8%）进行尺度分解：瞬时湍流场（顶部）和根据小波水平（WL）分解的湍流场（底部）。从[5]。H. 公园科学讲座2（2022）1000224图六、瞬时气泡群绕圆柱运动的速度矢量和涡量等值线。从[6]。图7.第一次会议。椭球气泡上升轨迹随到垂直壁面距离变化的调制。这里，req是气泡的等效半径从[2]。H. 公园科学讲座2（2022）1000225图8.第八条。沿二维锯齿形轨迹上升的气泡周围的旋涡结构。从[3]。图9.第九条。靠近壁面上升的气泡周围的旋涡结构。如果没有壁，气泡最初沿着二维之字形轨迹上升（见图1）。8）。从[3]。H. 公园科学讲座2（2022）1000226图10个。在加热壁面附近上升的气泡周围的瞬时旋涡结构（右），以及壁面努塞尔数（Nu）的相应变化（左）。这里Nu被无量纲化（Nu）为没有气泡的Nu。从[1]。图十一岁无量纲壁Nusselt数（Nu）（顶部）和气泡周围相应的旋涡结构（底部）的顺序变化。这里，气泡与壁之间的距离是等效气泡直径的2.4倍从[1]。H. 公园科学讲座2（2022）1000227图12个。上升气泡增强努塞尔数的垂直范围的时间变化（Δzε= Δz/d eq）。每种情况下标注的数字表示由气泡直径（deq）归一化的气泡壁距离从[1]。图13岁努塞尔数变化的归一化气泡壁距离的时空积分。 当气泡与壁面的距离约为气泡尺寸的2.4倍时，单个气泡的强化传热效果最大。从[1]。图十四岁在加热壁面附近上升的气泡周围的瞬时旋涡结构和相应的壁面努塞尔数（Nu）的变化。这里，气泡沿着直线路径上升，并且S表示由气泡尺寸归一化的气泡壁距离。从[1]。H. 公园科学讲座2（2022）1000228图十五岁在壁面附近上升的气泡周围的旋涡结构，它沿着曲折（左）和直线（右）的路径。通过夹带较冷的大体积液体，气泡有效地破坏了热边界层，这在气泡沿直线路径上升时不会发生从[1]。图十六岁 根据弗劳德数（Fr sys）和罐与分布器的尺寸比（H/D）绘制的气泡羽流状态图。这里，Qb是供应的空气流速，g是重力加速度，a是喷射气泡的喷射器的长度尺度从[7]。图十七岁由两种不同的气泡羽流（BP）引起的液相的时间平均垂直速度（左）和湍流动能（右），由激光多普勒测速仪测量。气泡羽流中心位于r=0处，垂直距离（z）由BP的浮力长度尺度（Dm）归一化从[7]。H. 公园科学讲座2（2022）1000229图十八岁总动量参数（Mt）随气泡羽流界面动量传递参数（I）的变化（Uc：羽流中心液相速度; Uz：时均垂直液体速度; u'z：垂直液体速度脉动;u' r：径向液体速度脉动;α：体积空隙率; VR：相对气泡速度）。从[7]。图十九岁基于可视化的气泡羽流对两层液体混合过程的量化：常规气泡羽流（顶部）和搅拌湍流气泡羽流（底部）。从[7]。H. 公园科学讲座2（2022）10002210图20. 混合时间（Tm）与弗劳德数（Fr I）的分析相关性。从[7]。署名贡献表朴亨民：概念化，方法论，调查，监督，写作&致谢H. Park感谢MFFV（多相流和流可视化实验室）的所有过去和现在的成员，他们多年来为这项工作做出了贡献：Hyeonju Jeong，HwiyoungMaeng ， Joohyun Lee ， Jun Ho Lee ， Jubeom Lee 和 HyunseokKim。资金来源：这 项 工 作 得 到 了 韩 国 国 家 研 究 基 金 会 [ 授 权 号 2016 R1 C1B2012775，2020 R1 A2 C2014510，2021 R1 A4 A1032023];韩国海岸警卫队[授权号20210584];和首尔国立大学工程研究所的支持。申报利益作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] H. Maeng，H.Park，单气泡尾流换热的实验研究。 J. 他在M ASST RA NS F。 1 6 5（2021），1 2 0 5 90. http：//doi.org/10.1016/j.ijphysically.2021.103620。[2] H. 郑，H。Park，在高Reynolds数下可变形气泡的近壁上升行为，J. Fluid Mech.771（2015）564 https://doi.org/10.1017/jfm。 2015.191。[3] J. Lee，H.帕克，尾流结构后面的振荡气泡上升接近垂直墙，我。 J.M ulti p ha seFlow91（201 7）22 5- 2 4 2，h t t p s：/ / d o i. 或g/10。1016/j。 ow.2017.02.004.[4]J.李，H. Park，取决于气泡释放频率的单气泡链引起的流动，物理流体34（2022），033312。 https://doi.org/10.1063/5.0083281.[5] J.H. Lee，H.金，J.Lee，H.Park，上升湍流泡状湍流的尺度分析：一个 实验 室研 究，Phys 。Flu ids33 （ 20 21 ） ， 0 53 3 16 。h tt ps ： //d oi. 或 g/10 。1063/5.0048199。[6]J.李，H. Park，在小到中等空隙率下均匀气泡群通过圆柱体时的气泡动力学和气泡诱导 搅 动 ， Phys 。Rev.流 体 5 （ 2020 ） ， 054304 。https ： //doi.org/10.1103/PhysRevFluids. 5.054304[7] H. 金，气泡羽流诱导湍流混合的实验和理论研究，博士。首尔国立大学，2021。Hyungmin Park教授获得学士学位。和博士分别于2000年和2010年获得韩国首尔国立大学机械和航空航天工程系的学位。2013年，他加入SNU机械与航空航天工程系，担任助理教授，目前担任教授。在加入首尔国立大学之前，他曾在韩国现代重工特种和海军造船部门工作（2000-2003年），并在美国加州大学洛杉矶分校担任博士后研究员（2011-2012年）。教授Park的主要研究兴趣包括多相流的基础和应用研究，功能（湿稳定性控制）表面上的流，以及多相流-结构相互作用，主要基于实验方法。