第2章　超重力环境下的流体力学、混合与传递过程

2.1　流体流动现象及描述

2.1.1　液体在填料中的流动形态

深入认识液体在模拟的超重力环境——旋转填充床内及填料中的流动状态，是建立超重力环境下的传递和混合理论的物理基础。利用高速摄像、高速频闪照相技术、X-ray CT技术、PIV技术等可视化方法揭示液体的流动过程和流动状态，并基于此建立相关的理论模型。

郑冲、郭锴等[1]将电视摄像机直接固定于旋转填料中，对流体流动进行观察，其实验结果表明，在低转速下（300～600r/min，15～60g），液体在填料中是以填料表面上的液膜（Film Flow）和覆盖填料孔隙的液膜（Pore Flow）两种状态存在；但在高转速下（>800～1000r/min，>100g），由于液体在填料中的运动速度加快，液体的湍动加剧，观察不到覆盖填料孔隙的液膜存在。此外，由于电视摄像机固有摄像速度的限制，很难分清这时填料空间的液体是以丝还是以滴的形式流动。并且，在其实验范围内没有观察到气体加入对液体流动形态有明显的影响。

Burns[2]和张军[3]分别利用高速频闪照相的方法，各自研究了液体在填料中的流动形态。实验结果表明（图2-1），当转速在300～600r/min（15～60g）时，液体在填料中主要是以填料表面上的膜与覆盖孔眼的膜的形式流动（图2-2）；当转速达到800～1000r/min（>100g）以上时，填料中的液体主要是以填料表面上的膜与孔隙中的液滴（图2-3）两种形式流动。实验研究所用填料为内径70mm，外径320mm，比表面积1500m2/m3的PVC泡沫塑料。

2.1.2　液体在填料中的不均匀分布

Burns等[2]用高速频闪照相的方法对液体在填料中的不均匀分布问题进行了研究，结果表明（图2-4），液体在填料中分布很不均匀，液体以放射状螺旋线沿填料的径向流动，周向分散很小。

当使用一个固定点的液体分布器分布液体，将填料内圈一些部分用挡板挡住，使液体不能从此部分进入填料，结果发现（图2-5），遮挡部分对应的扇面区域填料未被润湿，说明液体基本上是径向运动，而周向分散很小。从这一结果可看出，液体最初的分布好坏对整个填料层的液体分布质量的影响至关重要。

陈建峰、杨宇成等[4]采用X-ray的CT技术，对金属丝网填料和泡沫镍填料内液体流动状况进行观测。图2-6和图2-7分别为时均状态下液体在两种填料层内分布图。由图可知，持液量在低转速下要大于高转速，泡沫镍填料内持液量高于丝网填料；液体在填料内缘处存在分布不均的现象，特别是对于泡沫镍填料；提高转速能改善液体在填料内的分布。

2.1.3　液体在空腔区中的流动形态

陈建峰、杨旷[5]和孙润林等[6]使用快门速度1/20000s、拍摄帧率为5000fps的高速摄像机，对旋转填充床空腔区的液体形态进行拍摄（图2-8）。结果表明：从填料甩出进入空腔区的液滴直径随填料厚度或转速提高而下降，直径在0.15～0.9mm；填料丝径越细，对液体的剪切能力越强；液体穿过一定厚度的填料（约8mm），液体在填料区周向上的分布基本达到均匀。