第2章　超重力環境下的流體力學、混合與傳遞過程

2.1　流體流動現象及描述

2.1.1　液體在填料中的流動形態

深入認識液體在模擬的超重力環境——旋轉填充床內及填料中的流動狀態，是建立超重力環境下的傳遞和混合理論的物理基礎。利用高速攝像、高速頻閃照相技術、X-ray CT技術、PIV技術等可視化方法揭示液體的流動過程和流動狀態，并基于此建立相關的理論模型。

鄭沖、郭鍇等[1]將電視攝像機直接固定于旋轉填料中，對流體流動進行觀察，其實驗結果表明，在低轉速下（300～600r/min，15～60g），液體在填料中是以填料表面上的液膜（Film Flow）和覆蓋填料孔隙的液膜（Pore Flow）兩種狀態存在；但在高轉速下（>800～1000r/min，>100g），由于液體在填料中的運動速度加快，液體的湍動加劇，觀察不到覆蓋填料孔隙的液膜存在。此外，由于電視攝像機固有攝像速度的限制，很難分清這時填料空間的液體是以絲還是以滴的形式流動。并且，在其實驗范圍內沒有觀察到氣體加入對液體流動形態有明顯的影響。

Burns[2]和張軍[3]分別利用高速頻閃照相的方法，各自研究了液體在填料中的流動形態。實驗結果表明（圖2-1），當轉速在300～600r/min（15～60g）時，液體在填料中主要是以填料表面上的膜與覆蓋孔眼的膜的形式流動（圖2-2）；當轉速達到800～1000r/min（>100g）以上時，填料中的液體主要是以填料表面上的膜與孔隙中的液滴（圖2-3）兩種形式流動。實驗研究所用填料為內徑70mm，外徑320mm，比表面積1500m2/m3的PVC泡沫塑料。

2.1.2　液體在填料中的不均勻分布

Burns等[2]用高速頻閃照相的方法對液體在填料中的不均勻分布問題進行了研究，結果表明（圖2-4），液體在填料中分布很不均勻，液體以放射狀螺旋線沿填料的徑向流動，周向分散很小。

當使用一個固定點的液體分布器分布液體，將填料內圈一些部分用擋板擋住，使液體不能從此部分進入填料，結果發現（圖2-5），遮擋部分對應的扇面區域填料未被潤濕，說明液體基本上是徑向運動，而周向分散很小。從這一結果可看出，液體最初的分布好壞對整個填料層的液體分布質量的影響至關重要。

陳建峰、楊宇成等[4]采用X-ray的CT技術，對金屬絲網填料和泡沫鎳填料內液體流動狀況進行觀測。圖2-6和圖2-7分別為時均狀態下液體在兩種填料層內分布圖。由圖可知，持液量在低轉速下要大于高轉速，泡沫鎳填料內持液量高于絲網填料；液體在填料內緣處存在分布不均的現象，特別是對于泡沫鎳填料；提高轉速能改善液體在填料內的分布。

2.1.3　液體在空腔區中的流動形態

陳建峰、楊曠[5]和孫潤林等[6]使用快門速度1/20000s、拍攝幀率為5000fps的高速攝像機，對旋轉填充床空腔區的液體形態進行拍攝（圖2-8）。結果表明：從填料甩出進入空腔區的液滴直徑隨填料厚度或轉速提高而下降，直徑在0.15～0.9mm；填料絲徑越細，對液體的剪切能力越強；液體穿過一定厚度的填料（約8mm），液體在填料區周向上的分布基本達到均勻。