Дослідження механізму розриву на межі розділу бульбашки внаслідок кутового моменту

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.208333

Ключові слова:

інерційна і в'язка сила, кутовий момент, стояча вода, щільність енергії, межа розділу бульбашки

Анотація

Двофазний потік з газорідинним компонентом широко застосовується в промисловості, зокрема в процесі переробки рідких продуктів. Нафтопродукти з вмістом бульбашок небажані в процесі виробництва. У даній роботі описується дослідження механізму процесу, пов'язаного з розривом бульбашок при двофазному уприскуванні в стоячу воду. Розроблено аналітичну модель на основі силового механізму потоку води на межі розділу бульбашки. Інерційна сила потоку води безперервно штовхає бульбашку, в той час як сила опору чинить опір йому. Бульбашка змінює форму, що впливає на гідродинамічний потік навколо бульбашки. Вихори з високою щільністю енергії вдаряють і створюють межу розділу напруг понад міцності, внаслідок чого межа розділу розривається. Експеримент проводився шляхом спостереження в середній частині уприскуваного потоку. Було встановлено, що процес утворення бульбашкового розриву можна пояснити наступними етапами:

1) модель розгортки, бульбашка, що штовхається інерційною силою потоку води. В'язка сила води зрушує поверхню бульбашки. Під дією обох сил бульбашка змінює свою форму. Потім поблизу хвоста бульбашки починає з'являтися кінцевий вихор. Другий потік води знаходиться навколо бульбашки, що підсилює щільність вихрової енергії, яка змушує фрагменти відділятися від вихідної бульбашки;

2) модель розтягування, бульбашка має високу імпульсну силу при проникненні в стоячу воду, і кінці бульбашки розтягуються інерційної силою бульбашки і в'язкою силою води. Поверхня бульбашки зазнала розтягнення і розрив і стала розщеплюватися. Виходячи з отриманих результатів, процес розриву сильно залежить від імпульсу потоку води, який запускає вторинний потік як початковий процес вихрового потоку, що викликає розрив поверхні бульбашки за рахунок кутового моменту

Біографії авторів

Tri Tjahjono, Brawijaya University Jl. Mayjend 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. Mayjend Haryono, 167, Malang, Indonesia, 65145

Professor in Mechanical Engineering

Department of Mechanical Engineering

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

Associate Professor in Mechanical Engineering

Department of Mechanical Engineering

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

Associate Professor in Mechanical Engineering

Department of Mechanical Engineering

Посилання

  1. 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
  2. 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
  3. Chen, Z., Ata, S., Jameson, G. J. (2015). Break-up of bubble clusters in turbulent flow – Theory. Powder Technology, 279, 228–232. doi: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.04.016
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. Xing, C., Wang, T., Guo, K., Wang, J. (2014). A unified theoretical model for breakup of bubbles and droplets in turbulent flows. AIChE Journal, 61 (4), 1391–1403. doi: https://doi.org/10.1002/aic.14709
  8. 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
  9. 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
  10. Wichterle, K., Wichterlová, J., Kulhánková, L. (2005). Breakup of Bubbles Rising in Liquids of Low and Moderate Viscosity. Chemical Engineering Communications, 192 (5), 550–556. doi: https://doi.org/10.1080/00986440590495034
  11. Lima Neto, I. E., Zhu, D. Z., Rajaratnam, N. (2008). Bubbly jets in stagnant water. International Journal of Multiphase Flow, 34 (12), 1130–1141. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2008.06.005
  12. Zhang, C., Sa, R., Zhou, D., Jiang, H. (2017). Effects of gas velocity and break size on steam penetration depth using gas jet into water similarity experiments. Progress in Nuclear Energy, 98, 38–44. doi: https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2017.02.006
  13. 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
  14. Al-Hayes, R. A. M., Winterton, R. H. S. (1981). Bubble diameter on detachment in flowing liquids. International Journal of Heat and Mass Transfer, 24 (2), 223–230. doi: https://doi.org/10.1016/0017-9310(81)90030-2
  15. Yang, B., Prosperetti, A., Takagi, S. (2003). The transient rise of a bubble subject to shape or volume changes. Physics of Fluids, 15 (9), 2640–2648. doi: https://doi.org/10.1063/1.1592800
  16. 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
  17. Lee, H. S., Merte, H. (1996). Spherical vapor bubble growth in uniformly superheated liquids. International Journal of Heat and Mass Transfer, 39 (12), 2427–2447. doi: https://doi.org/10.1016/0017-9310(95)00342-8
  18. Nguyen, V. T., Song, C.-H., Bae, B.-U., Euh, D.-J. (2013). Modeling of bubble coalescence and break-up considering turbulent suppression phenomena in bubbly two-phase flow. International Journal of Multiphase Flow, 54, 31–42. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2013.03.001
  19. Shi, W., Yang, X., Sommerfeld, M., Yang, J., Cai, X., Li, G., Zong, Y. (2019). Modelling of mass transfer for gas-liquid two-phase flow in bubble column reactor with a bubble breakage model considering bubble-induced turbulence. Chemical Engineering Journal, 371, 470–485. doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.04.047
  20. Chen, Y., Ding, J., Weng, P., Lu, Z., Li, X. (2019). A theoretical model describing bubble deformability and its effect on binary breakup in turbulent dispersions. European Journal of Mechanics - B/Fluids, 75, 352–360. doi: https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2018.09.004
  21. Zhang, H., Yang, G., Sayyar, A., Wang, T. (2020). An improved bubble breakup model in turbulent flow. Chemical Engineering Journal, 386, 121484. doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.04.064
  22. 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
  23. Sosinovich, V. A., Tsyganov, V. A., Kolovandin, B. A., Puris, B. I., Gertsovich, V. A. (1995). Model of gas bubble breakup in a turbulent liquid flow. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 68 (2), 164–175. doi: https://doi.org/10.1007/bf00862856
  24. 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
  25. Clanet, C., Lasheras, J. C. (1997). Depth of penetration of bubbles entrained by a plunging water jet. Physics of Fluids, 9 (7), 1864–1866. doi: https://doi.org/10.1063/1.869336
  26. 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
  27. Das, S., Weerasiri, L. D., Yang, W. (2017). Influence of surface tension on bubble nucleation, formation and onset of sliding. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 516, 23–31. doi: https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.12.010
  28. Jo, D., Revankar, S. T. (2011). Investigation of bubble breakup and coalescence in a packed-bed reactor – Part 2: Development of a new bubble breakup and coalescence model. International Journal of Multiphase Flow, 37 (9), 1003–1012. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2011.06.015
  29. Wang, X., Zhu, C., Wu, Y., Fu, T., Ma, Y. (2015). Dynamics of bubble breakup with partly obstruction in a microfluidic T-junction. Chemical Engineering Science, 132, 128–138. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2015.04.038
  30. Mortuza, S. M., Gent, S. P., Kommareddy, A., Anderson, G. A. (2012). Investigation of Bubble and Fluid Flow Patterns Within a Column Photobioreactor. Journal of Fuel Cell Science and Technology, 9 (3). doi: https://doi.org/10.1115/1.4006052
  31. Kajero, O. T., Abdulkadir, M., Abdulkareem, L., Azzopardi, B. J. (2018). Experimental study of viscous effects on flow pattern and bubble behavior in small diameter bubble column. Physics of Fluids, 30 (9), 093101. doi: https://doi.org/10.1063/1.5045160
  32. 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
  33. Han, R., Wang, S., Yao, X. (2016). Dynamics of an air bubble induced by an adjacent oscillating bubble. Engineering Analysis with Boundary Elements, 62, 65–77. doi: https://doi.org/10.1016/j.enganabound.2015.09.009
  34. Ellingsen, K., Risso, F. (2001). On the rise of an ellipsoidal bubble in water: oscillatory paths and liquid-induced velocity. Journal of Fluid Mechanics, 440, 235–268. doi: https://doi.org/10.1017/s0022112001004761
  35. 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
  36. Rodríguez-Rodríguez, J., Gordillo, J. M., Martínez-Bazán, C. (2006). Breakup time and morphology of drops and bubbles in a high-Reynolds-number flow. Journal of Fluid Mechanics, 548, 69–86. doi: https://doi.org/10.1017/s002211200500741x
  37. Ratajczak, H., Orville‐Thomas, W. J. (1973). Charge‐transfer properties of hydrogen bonds. III. Charge‐transfer theory and the relation between the energy and the enhancement of dipole moment of hydrogen‐bonded complexes. The Journal of Chemical Physics, 58 (3), 911–919. doi: https://doi.org/10.1063/1.1679344
  38. Zivkov, E., Yarusevych, S., Porfiri, M., Peterson, S. D. (2015). Numerical investigation of the interaction of a vortex dipole with a deformable plate. Journal of Fluids and Structures, 58, 203–215. doi: https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2015.08.009
  39. Egger, D. A., Zojer, E. (2013). Anticorrelation between the Evolution of Molecular Dipole Moments and Induced Work Function Modifications. The Journal of Physical Chemistry Letters, 4 (20), 3521–3526. doi: https://doi.org/10.1021/jz401721r
  40. Joshi, S., Kumari, S., Bhattacharjee, R., Sarmah, A., Sakhuja, R., Pant, D. D. (2015). Experimental and theoretical study: Determination of dipole moment of synthesized coumarin–triazole derivatives and application as turn off fluorescence sensor: High sensitivity for iron(III) ions. Sensors and Actuators B: Chemical, 220, 1266–1278. doi: https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.07.053
  41. Starikov, V. I., Petrova, T. M., Solodov, A. M., Solodov, A. A., Deichuli, V. M. (2019). Study of the H2O dipole moment and polarisability vibrational dependence by the analysis of rovibrational line shifts. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 210, 275–280. doi: https://doi.org/10.1016/j.saa.2018.11.032
  42. Ngafwan, N., Wardana, I. N. G., Wijayanti, W., Siswanto, E. (2018). The role of NaOH and papaya latex bio-activator during production of carbon nanoparticle from rice husks. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 9 (4), 045011. doi: https://doi.org/10.1088/2043-6254/aaf3af

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-08-31

Як цитувати

Tjahjono, T., Wardana, I. N. G., Sasongko, M. N., & Widodo, A. S. (2020). Дослідження механізму розриву на межі розділу бульбашки внаслідок кутового моменту. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(8 (106), 37–47. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.208333

Номер

Том 4 № 8 (106) (2020): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

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.