О МЕХАНИЗМЕ ЦИРКУЛЯЦИЙ В БАРБОТАЖНОЙ КОЛОННЕ

Великодный В.Ю., Воротилин В.П., Еремеев А.В., Яновский Ю.Г.

Институт прикладной механики РАН

В предлагаемом докладе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований газожидкостных потоков в поле силы тяжести. Теоретическое рассмотрение задачи основано на представлениях теории плавучих турбулентных струй. Экспериментальная часть работы посвящена вопросам визуализации поля течения турбулентной газодисперсной струи микропузырьками с d≤10мкм и красящими веществами. Цель работы – описать механизм и получить оценку скорости крупномасштабных циркуляций в барботажной колонне, возникающих в ней при неравномерной подаче пузырьков газа по площади ее нижнего сечения. Рассмотрен тот случай, когда движение в газожидкостном факеле происходит в турбулентном режиме. Барботирование жидкости газовыми пузырьками используется в различных химико-технологических и сохраняющих экологию процессах, связанных с насыщением жидкой фазы реагентами, переходящими в жидкость из газовой фазы. В частности, одной из задач, стоящей перед коммунальным хозяйством, является обеспечение населения качественной питьевой водой. Наиболее перспективной является обработка воды озоном. Данная технология является пока единственной, которая наряду с обеспечением высокого уровня чистоты по параметрам наличия патогенных микроорганизмов, дает приемлемые органолептические показатели и цветность воды. Одним из основных устройств на линии озонирования воды является барботажная колонна. На практике в связи с конструктивными и технологическими ограничениями работы подобных установок площадь диспергатора, из которого подается газовая фаза, составляет малую долю всей площади дна резервуара. В этом случае более тяжелая жидкость у стенок будет опускаться, а более легкая (с пузырьками) в центре колонны подниматься вверх. Механизмы динамического взаимодействия областей подъема и опускания жидкости, уравнения, описывающие движение в каждой из них, существенно различаются для ламинарного и турбулентного режимов. При ламинарном режиме задача решается однозначно на основе уравнений вязкого движения и условий сопряжения скоростей и касательных напряжений на границе областей, т.е. можно сказать, что закономерности движения в указанных областях между собой причинно взаимосвязаны. В том случае, когда течение в области подъема газожидкостной струи происходит в турбулентном режиме подобная взаимосвязь утрачивается. Данный вывод явился следствием представленной в работе теории свободных струйных течений, основанной на механизме захвата (турбулизации) ламинарной среды крупномасштабными порциями на возмущенной границе между областями ламинарного и турбулентного течения. Отправным пунктом для построения новой теории турбулентных струй явился факт существования сильно возмущенной и нерегулярной границы раздела между областью турбулентного движения внутри струи и внешней зоной ламинарного течения, никак не учитываемый в рамках существующих полуэмпирических моделей турбулентной вязкости [1,2]. Следствием этого недостатка явилось то, что теория пути смешения Прандтля в ее классическом варианте оказалась не в состоянии описать процессы захвата и турбулизации внешней среды, происходящие на границе области турбулентного течения и внешнего ламинарного потока, а также связанные с ними процессы смешения при рассмотрении струйных потоков, плотность которых существенно отличается от плотности внешней среды. В данной работе при построении теории используется естественное допущение, что обтекание внешним потоком возмущенной границы турбулентной струи происходит в отрывном режиме, характерным признаком которого является квадратичный закон сопротивления и образование отрывных застойных зон. Отсюда полагая, что импульс, который струя отдает во внешнюю ламинарную среду, целиком возвращается в нее вместе с захваченной жидкостью, легко выводится выражение для скорости захвата (турбулизации) внешней среды и соответствующее уравнение баланса “турбулентной” жидкости, являющееся замыкающим уравнением для системы интегральных уравнений баланса массы, состава и импульса турбулентной струи. В докладе приводятся результаты анализа решений этой системы, показавшие ее полноту и непротиворечивость при рассмотрении различных вариантов предельных режимов течений, в том числе с учетом сил плавучести. Для конкретной экспериментальной установки получены оценки параметров струйного потока и скорости крупномасштабных циркуляций. В докладе приводятся результаты экспериментальных исследований развития газожидкостной струи по высоте колонны, подтвердившие выводы теории о механизме захвата и турбулизации внешней ламинарной среды и обусловленного ими крупномасштабных циркуляций жидкости вне зоны пузырькового течения. Показано, в частности, что именно с помощью вихрей обеспечивается перемешивание реагентов в гидробассейне.