Експериментальне і теоретичне порівняння росту бульбашок на початкових етапах горизонтального впорскування

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.204102

Ключові слова:

впорскування, деформація, форма бульбашки, лобова площа

Анотація

Двофазне впорскування рідкого газу являє собою важливий промисловий процес, який використовується в більшості сепараторів. На ранній стадії впорскування утворюється циліндрична бульбашка. З плином часу форма бульбашки стає все більш складною і дуже важкою для аналізу. В даному дослідженні, розроблена проста аналітична модель для пояснення зміни форми бульбашки. Аналітична модель була розроблена на основі інерції потоку води, який безперервно штовхає бульбашку, в той час як сила опору чинить опір йому, так що лобова площа бульбашки збільшується. Розмір бульбашки і його Лобову площу оцінювали з використанням припущення про рівновагу між силою інерції і силою опору, нехтуючи в'язкою силою. Виходячи з оцінки, можна визначити роль вихрового кільця по різниці теоретичних і експериментальних результатів. Аналітичну модель перевіряли за допомогою зібраних експериментальних даних по деформації форми, викликаної рухом бульбашки на початку впорскування. Експериментальні дані, використані в якості перевірки, вимірювали по зображенню носа бульбашки з десятикратним повторенням з похибкою ± 6%. Експериментальний метод проводиться шляхом уприскування бульбашки в горизонтальному напрямку в басейн з водою. Інерційна сила потоку води перед носом бульбашки створює бульбашку. Бульбашка раптово змінює свою форму, рухається у вигляді бульбашкового струменя і зазнає поступові зміни форми. Лобова площа бульбашки збільшується і досягає максимуму в кінцевій точці швидкості. На деформацію форми бульбашки впливає інерційна сила потоку води, яка штовхає бульбашку вперед. Відповідно, бульбашка змінює свою форму з циліндричної на сферичну, а потім на еліпсоїдальний диск. По досягненню бульбашкою граничної швидкості, сила інерції стає рівною силі опору. Край бульбашки у вигляді еліпсоїдального диска демонструє підвищений поверхневий натяг. Різниця між експериментальними даними та аналітичною моделлю обумовлена складним текучим і динамічним потоком, оточуючим бульбашку. Передбачається, що математична база, запропонована в даній роботі, стане важливим інструментом для прогнозування лобової площі бульбашки

Біографії авторів

Tri Tjahjono, Brawijaya University Jl. Mayjen Haryono, 167, Malang, Indonesia, 65145 Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos 1, Pabelan, Kartasura, Surakarta 57102, Indonesia

Doctoral Student in Mechanical Engineering

Department of Mechanical Engineering

Lecturer

Department of Mechanical Engineering

Faculty of Engineering

I. N. G. Wardana, Brawijaya University Jl. Mayjen Haryono, 167, Malang, Indonesia, 65145

Professor in Mechanical Engineering

Department of Mechanical Engineering

Mega Nur Sasongko, Brawijaya University Jl. Mayjen Haryono, 167, Malang, Indonesia, 65145

Associate Professor in Mechanical Engineering

Department of Mechanical Engineering

Agung Sugeng Widodo, Brawijaya University Jl. Mayjen Haryono, 167, Malang, Indonesia, 65145

Associate Professor in Mechanical Engineering

Department of Mechanical Engineering

Посилання

  1. Chu, P., Waters, K. E., Finch, J. A. (2016). Break-up in formation of small bubbles: Break-up in a confined volume. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 503, 88–93. doi: https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.05.037
  2. Movafaghian, S., Jaua-Marturet, J. A., Mohan, R. S., Shoham, O., Kouba, G. E. (2000). The effects of geometry, fluid properties and pressure on the hydrodynamics of gas–liquid cylindrical cyclone separators. International Journal of Multiphase Flow, 26 (6), 999–1018. doi: https://doi.org/10.1016/s0301-9322(99)00076-2
  3. Rosa, E. S., França, F. A., Ribeiro, G. S. (2001). The cyclone gas–liquid separator: operation and mechanistic modeling. Journal of Petroleum Science and Engineering, 32 (2-4), 87–101. doi: https://doi.org/10.1016/s0920-4105(01)00152-8
  4. Bozzano, G., Dente, M. (2001). Shape and terminal velocity of single bubble motion: a novel approach. Computers & Chemical Engineering, 25 (4-6), 571–576. doi: https://doi.org/10.1016/s0098-1354(01)00636-6
  5. Emami, A., Briens, C. (2008). Study of downward gas jets into a liquid. AIChE Journal, 54 (9), 2269–2280. doi: https://doi.org/10.1002/aic.11524
  6. Tomiyama, A., Celata, G. P., Hosokawa, S., Yoshida, S. (2002). Terminal velocity of single bubbles in surface tension force dominant regime. International Journal of Multiphase Flow, 28 (9), 1497–1519. doi: https://doi.org/10.1016/s0301-9322(02)00032-0
  7. Bari, S. D., Robinson, A. J. (2013). Experimental study of gas injected bubble growth from submerged orifices. Experimental Thermal and Fluid Science, 44, 124–137. doi: https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2012.06.005
  8. Rassame, S., Hibiki, T., Ishii, M. (2016). Void penetration length from air injection through a downward large diameter submerged pipe in water pool. Annals of Nuclear Energy, 94, 832–840. doi: https://doi.org/10.1016/j.anucene.2016.04.046
  9. Bai, H., Thomas, B. G. (2001). Bubble formation during horizontal gas injection into downward-flowing liquid. Metallurgical and Materials Transactions B, 32 (6), 1143–1159. doi: https://doi.org/10.1007/s11663-001-0102-y
  10. Mandal, A. (2010). Characterization of gas-liquid parameters in a down-flow jet loop bubble column. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 27 (2), 253–264. doi: https://doi.org/10.1590/s0104-66322010000200004
  11. Liu, Z., Reitz, R. D. (1997). An analysis of the distortion and breakup mechanisms of high speed liquid drops. International Journal of Multiphase Flow, 23 (4), 631–650. doi: https://doi.org/10.1016/s0301-9322(96)00086-9
  12. Liu, L., Yan, H., Zhao, G. (2015). Experimental studies on the shape and motion of air bubbles in viscous liquids. Experimental Thermal and Fluid Science, 62, 109–121. doi: https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2014.11.018
  13. Hinze, J. O. (1955). Fundamentals of the hydrodynamic mechanism of splitting in dispersion processes. AIChE Journal, 1 (3), 289–295. doi: https://doi.org/10.1002/aic.690010303
  14. Han, L., Luo, H., Liu, Y. (2011). A theoretical model for droplet breakup in turbulent dispersions. Chemical Engineering Science, 66 (4), 766–776. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2010.11.041
  15. Cihonski, A. J., Finn, J. R., Apte, S. V. (2013). Volume displacement effects during bubble entrainment in a travelling vortex ring. Journal of Fluid Mechanics, 721, 225–267. doi: https://doi.org/10.1017/jfm.2013.32
  16. Gao, L., Yu, S. C. M. (2010). A model for the pinch-off process of the leading vortex ring in a starting jet. Journal of Fluid Mechanics, 656, 205–222. doi: https://doi.org/10.1017/s0022112010001138
  17. Jiang, X. F., Zhu, C., Li, H. Z. (2017). Bubble pinch-off in Newtonian and non-Newtonian fluids. Chemical Engineering Science, 170, 98–104. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2016.12.057
  18. Tomiyama, A., Kataoka, I., Zun, I., Sakaguchi, T. (1998). Drag Coefficients of Single Bubbles under Normal and Micro Gravity Conditions. JSME International Journal Series B, 41 (2), 472–479. doi: https://doi.org/10.1299/jsmeb.41.472
  19. Vincent, F., Le Goff, A., Lagubeau, G., Quéré, D. (2007). Bouncing Bubbles. The Journal of Adhesion, 83 (10), 897–906. doi: https://doi.org/10.1080/00218460701699765
  20. Walter, J. F., Blanch, H. W. (1986). Bubble break-up in gas – liquid bioreactors: Break-up in turbulent flows. The Chemical Engineering Journal, 32 (1), B7–B17. doi: https://doi.org/10.1016/0300-9467(86)85011-0
  21. Moore, D. W. (1965). The velocity of rise of distorted gas bubbles in a liquid of small viscosity. Journal of Fluid Mechanics, 23 (4), 749–766. doi: https://doi.org/10.1017/s0022112065001660
  22. Aoyama, S., Hayashi, K., Hosokawa, S., Tomiyama, A. (2016). Shapes of ellipsoidal bubbles in infinite stagnant liquids. International Journal of Multiphase Flow, 79, 23–30. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2015.10.003
  23. Hreiz, R., Lainé, R., Wu, J., Lemaitre, C., Gentric, C., Fünfschilling, D. (2014). On the effect of the nozzle design on the performances of gas–liquid cylindrical cyclone separators. International Journal of Multiphase Flow, 58, 15–26. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2013.08.006
  24. Tomita, Y., Robinson, P. B., Tong, R. P., Blake, J. R. (2002). Growth and collapse of cavitation bubbles near a curved rigid boundary. Journal of Fluid Mechanics, 466, 259–283. doi: https://doi.org/10.1017/s0022112002001209
  25. Fei, Y., Pang, M. (2019). A treatment for contaminated interfaces and its application to study the hydrodynamics of a spherical bubble contaminated by surfactants. Chemical Engineering Science, 200, 87–102. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.01.052
  26. Chen, Y., Groll, M. (2006). Dynamics and shape of bubbles on heating surfaces: A simulation study. International Journal of Heat and Mass Transfer, 49 (5-6), 1115–1128. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.07.053
  27. Gharib, M., Rambod, E., Shariff, K. (1998). A universal time scale for vortex ring formation. Journal of Fluid Mechanics, 360, 121–140. doi: https://doi.org/10.1017/s0022112097008410
  28. Canedo, E. L., Favelukis, M., Tadmor, Z., Talmon, Y. (1993). An experimental study of bubble deformation in viscous liquids in simple shear flow. AIChE Journal, 39 (4), 553–559. doi: https://doi.org/10.1002/aic.690390403
  29. Uchiyama, T., Sasaki, S. (2014). Experimental Investigation of the Interaction between Rising Bubbles and Swirling Water Flow. International Journal of Chemical Engineering, 2014, 1–10. doi: https://doi.org/10.1155/2014/358241
  30. Yuan, D., Xiao, Z., Chen, D., Zhong, Y., Yan, X., Xu, J., Huang, Y. (2016). Numerical Investigation on Bubble Growth and Sliding Process of Subcooled Flow Boiling in Narrow Rectangular Channel. Science and Technology of Nuclear Installations, 2016, 1–12. doi: https://doi.org/10.1155/2016/7253907

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-06-30

Як цитувати

Tjahjono, T., Wardana, I. N. G., Sasongko, M. N., & Widodo, A. S. (2020). Експериментальне і теоретичне порівняння росту бульбашок на початкових етапах горизонтального впорскування. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(7 (105), 36–44. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.204102

Номер

Том 3 № 7 (105) (2020): Прикладна механіка

Розділ

Прикладна механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Tri Tjahjono, I. N. G. Wardana, Mega Nur Sasongko, Agung Sugeng Widodo

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.