气泡羽流空隙率的计算及其不稳定规律的研究

论文摘要

气泡羽流是曝气过程中产生的一种复杂的气液二相流动,由于其流动带有随机性,变化形式多样,通过对气泡羽流的空隙率参数的计算和其摆动机理的研究,揭示气液两相流流动不稳定性的规律,为提高气液两相流传质效率奠定理论基础。本文在前人的基础上,基于粒子图像测速技术,采用图像处理和数值计算来研究气泡羽流的空隙率参数,测得空隙率值在气泡羽流中的分布,分析空隙率的分布对气泡羽流运动规律及曝气效率的影响；在实验研究的基础上,采用图像处理和快速傅里叶变换,获得气泡羽流不同水深处的摆动频谱和气泡的波动频谱。将计算得到的摆动频谱和波动频谱按工况分类并加以分析,进一步研究气泡羽流的不稳定特性和气泡运动的详细的时间和空间上的运动特点。本文得到的结论有：(1)在图像处理的基础上,采用局部平均灰度和真实的局部空隙率的标定方法更适合用于对气液两相流空隙率的测量,该方法能够更简单更直观的获得高密度气泡下气泡羽流空隙率值的二维分布。(2)空隙率的分布受到纵横比和气相体积的影响。压强和气流量增加,使得气泡羽流的摆动剧烈,气泡增多且在水体中自由运动,气泡羽流的空隙率分布改变。但在纵横比为1.0时,气泡羽流的空隙率最大值沿气泡羽流中心集中分布,空隙率分布未对气泡羽流的结构造成影响,羽流结构稳定且氧传质效率较高。(3)通过对不同工况下气泡羽流摆动频谱和气泡波动频谱的分析发现：随着压强,空隙率的增大,气泡羽流的摆动峰值和频率变小,气泡的波动峰值变小,但波动频率增大；(4)改变压强和空隙率的大小,气泡羽流的结构受到的影响在不同纵横比下也不同：当纵横比为1.0时,气泡羽流的整体结构稳定；纵横比为1.5时,气泡羽流中部的运动形态及结构极不稳定；纵横比为2.0时,气泡羽流的顶端的运动形态及结构极不稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 已完成的工作
• 2 气泡羽流图像预处理
• 2.1 数字图像处理
• 2.2 MATLAB软件简介
• 2.3 图片分割
• 3 空隙率计算结果及分析
• 3.1 空隙率的计算
• 3.1.1 投影空隙率计算原理
• 3.1.2 相关曲线的获得
• 3.2 曝气池中气液两相流流动的基本参数
• 3.3 实验设备及实验条件
• 3.3.1 实验设备
• 3.3.2 实验条件
• 3.4 计算结果分析
• 3.4.1 相同压强下空隙率的分布
• 3.4.2 相同纵横比下空隙率的分布
• 3.4.3. 相同实验空隙率下空隙率的分布
• 4 气泡羽流摆动机理的研究
• 4.1 气泡羽流在曝气池内在时间上的分布情况
• 4.1.1 气泡羽流在曝气池不同水深断面时间连续的形态分析
• 4.1.2 气泡羽流气泡波动频谱
• 4.2 快速傅立叶变化原理
• 4.3 气泡羽流的摆动频谱及气泡波动频谱分析
• 4.3.1 相同压强下气泡羽流频谱分析
• 4.3.2 相同纵横比下气泡羽流频谱分析
• 4.3.3 相同空隙率下气泡羽流频谱分析
• 5 结论及建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录