CN115046728B - 一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置及方法。本发明涉及气液鼓泡流化技术领域，本发明选择一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡湍流流动聚并和破碎事件，进行气泡流动聚并和破碎事件的测量；进行气泡聚并和破碎事件的测量和计算；进行气泡流态图中气泡聚并和破碎的分析；建立气泡流动流态图；建立直管气流分布器气泡流动形态唯象模型。本发明在不同射流入口速度、射流孔直径、孔间距和射流孔数量和直管分布器直径条件下，揭示气泡聚并和破碎事件和气泡均匀和非均匀湍流流动的关联特性，优化气液鼓泡床气液湍流流动特性，实现小尺寸气泡分布的离散气泡的均匀流动，以增强传热和传质性能。
Description
技术领域
本发明涉及气液鼓泡流化技术领域，是一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置及方法。
背景技术
气液鼓泡流化床反应器广泛应用在化工、生物制药、清洁燃烧和低碳可持续能源领域。其优点在于结构简单、无明显的运动构建、运行和操作费用成本较低、气液相间接触面积较大及较强的传热和传质能力，在生物细胞培育工程及制药过程领域得到大量应用。
鼓泡床内气泡尺寸分布、上升速度以及其聚并和破碎行为直接影响床内流动形态、气含率分布等气液流体动力学特性，进而影响过程的传递行为以及产品的转换率和获取收率。
尽管以前进行了大量的研究，但由于实验装置、操作条件和测试手段不同，导致结果存在较大差异，无法得到统一的规律和唯象模型。
气液鼓泡流化床的气液流动分为3个典型流动状态，为表观气速和流化床直径两个主要参数。流动分为均匀气泡流动、过渡流动区域和非均匀湍流流动区域。在均匀气泡流动区域，气泡呈现离散气泡运动状态，气泡之间没有发生碰撞和聚并以及破碎事件，气泡尺寸分布均匀。
伴随着表观气速的增加，气泡聚并和破碎的事件开始发生，此时的流动处于过渡流动状态。在非均匀湍流流动中，气泡与气泡之间存在强烈的碰撞、聚并和破碎效应，气泡尺寸分布变为双峰值或者多峰值特性。此时，气泡尺寸均匀分布状态已经被打破。
虽然大多数鼓泡反应器表观气速值并不高，但对于直管式气流分布器经过直径非常小的射流口之后，气泡射流速度值是非常之高的。在射流孔附近，气泡聚并和破碎事件发生概率极高。
基于运行参数而言，确保气泡尺寸分布并保证气泡直径不小于1.0mm，也就是没有极小尺寸气泡的存在，这样便于降低培育细胞的死亡率。小气泡的存在当气泡聚并和破碎发生时尽管无法避免。与此同时，高性能传质能力的要求气泡尺寸分布状态为集中小尺寸均与分布的特性，通过增加全部气泡表面积而提高总传质系数。
尽管大量的研究对于气液湍流反应器已经开展，但因缺少对于复杂气液两相湍流流动本质机理上的认知，例如气泡和液体相间相互作用、湍流流态的转变、气泡运动过程中的聚并和破碎以及气泡各向异性弥散特性等机理认知，目前尚未完全掌握和理解，其原因大多基于经验和半经验的积累，对于反应器的优化、放大和商业化，缺乏理论和唯象模型的指导。
如果在整个流化床高度范围内，采用远离气流分布器的均匀气泡尺寸(假定没发生聚并和破碎事件)的假定会导致误差很大。当前研究中。认为沿着鼓泡床高度变化的液体粘性和表面张力物性参数，将会影响气泡尺寸分布，并建议最低高度应该位于分布器上面3.0～5.0cm处。
反应器入口初始气泡的不同尺寸分布将导致不同气泡-液体的表面积密度比值，对从而影响传热传质的效率。发生在气力分布器表面气泡的初始尺寸取决于分布器集合设计参数、入口射流速度、液体物性和局部能量耗散等因素。伴随着气泡尺寸沿着床高度变化，当最初的气泡表面张力和破碎受力平衡态被打破，将会导致更多的气泡变会参与此过程。
为了预报和优化反应器内气泡尺寸的变化趋势，必须准确获得气泡的初始尺寸分布，例如，在离开气流分布器表面之后在附近区域的尺寸分以及各种反应器几何形状、气流分布器几何设计参数、射流孔设计响、射流入口流动速度等影响。
目前，大多数研究认为沿着气流分布器射流孔的气流速度分布假定为均匀的。但实际上是非均匀分布特性，取决于气流分布器许多平特性参数包括气体压力、运动动能和摩擦力沿着管路损失，及射流孔的直径、孔间距、数量和空位置等。均匀射流气体进入液相会导致较高的气液交互液面而提高传质系数、较低水平和液体返混和降低出现射流气体“死区”概率。此外，也会导致某些射流孔堵塞和较高的压力降。
预测在第一个和最后一个射流孔之间均匀射流分布的百分率军基于实验测量的数据基础。与此同时，由基于入口速度、直管管径或射流孔直径与分布器管径之比的动能控制和摩擦力控制流动的差异，或者如上所述参数没有给出具体信息。每个射流孔的流动状态取决于局部压力驱动力和动量守恒定律。但是如何选取动量恢复系数、射流孔径系数和摩擦因子非常困难。基于经验关联式预报射流孔临界直径(确保95％射流均匀分布率)最关键因素是射流孔排放系数，其取决于射流孔几何类型、孔压力测点的位置。
研究表明，气流分布器附近气泡聚并和破碎和湍流流动特性，极大程度受到射流管直管管径、射流孔直径及孔间距以及射流入口速度的影响，从而改变其湍流流动特性而改变反应器传热和传质性能。缺乏合理的气泡流破碎和聚并唯象模型的外推预报和数据积累，严重制约深入优化和放大反应器的设计。
迄今为止大多数研究，均集中于远离气流分布器表面之后距离的气泡运动和尺寸分布。缺乏对于近射流分布器表面气泡聚并和破碎事件和尺寸分布研究甚少直管气流分布其设计参数，如直管直径、射流孔直径和数量、射流孔之间孔间距和气流射流入口速度，对近分布器区域气泡尺寸影响的判别和唯象模型研究，未见报道。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，本发明提供了一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法。本发明采用非接触式高速摄像机测量直管式气流分布器附近区域气泡聚并和破碎事件，判定与射流入口流速、射流孔直径、孔间距和直管直径等几何参数的关联，及提出气泡流动形态流型图，构建唯象模型。
本发明提供了一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置及方法，本发明提供了以下技术方案：
一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，所述方法包括：
步骤1：选择一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡湍流流动聚并和破碎事件，进行气泡流动聚并和破碎事件的测量；
步骤2：进行气泡聚并和破碎事件的测量和计算；
步骤3：进行气泡流态图中气泡聚并和破碎的分析；
步骤4：建立气泡流动流态图；
步骤5：建立直管气流分布器气泡流动形态唯象模型。
优选地，所述步骤1具体为：
步骤1.1：压缩空气经过质量流量控制仪，进入到直管气流分布器；
步骤1.2：射流气体经射流孔进入鼓泡流化床反应器，在气流分布器上方经历气泡发生、脱离分布器表面、向反应器上液面运动；
步骤1.3：气泡运动流态可能性：保持离散气泡流动状态，气泡之间不发生碰撞等相互作用；
步骤1.4：另一方面气泡上升过程中发生碰撞、聚并和破碎过程；
步骤1.5：向上运动的气泡一方面向下返混以及左右摇荡，形成复杂非均匀湍流流动结构；
步骤1.6：另一部分气泡运动到反应器上液面表面，排除反应器，完成气体排出；
步骤1.7：重复步骤1.1，形成往复循环流动。
优选地，所述步骤2具体为：
步骤2.1：采用高速摄像机和选择测量高度位置，确定射流孔直径和孔间距，改变射流入口速度；
步骤2.2：射流孔直径的取值为0.4mm、0.6mm和0.8mm；
步骤2.3：测量气泡Sauter直径分布和观察气泡流动的拓扑结构；
步骤2.4：判定气泡聚并和破碎的准则判别式；
步骤2.5：确定射流入口速度和射流孔直径，改变孔间距，重复步骤2.2-步骤2.3；
步骤2.6：确定射流入口速度和孔间距，改变射流孔直径，重复步骤2.2-步骤2.3。
优选地，所述步骤3具体为：
步骤3.1：分析分别采用射流孔数量2个、3个和4个和射流孔直径1.1mm，1.5mm和1.9mm在不同孔间距和射流速度下，在气流分布器上方6.0cm处气泡流动形态的捕捉；
步骤3.2：分析离散小尺寸气泡的流动状态和变化趋势；
步骤3.3：分析气泡聚并诱发大尺寸气泡和破碎诱发小尺寸气泡的流动形态和分布趋势；
步骤3.4：提出多参数气流分布器耦合气流入口射流速度参数的优化策略。
优选地，所述步骤4具体为：
步骤4.1：基于步骤2数据分析结果，提出无量纲准则数韦伯数We、雷诺数Re和弗朗德数Fr，建立气泡尺寸与直管气流分布器直径为函数的关联式；
步骤4.2：预报气泡尺寸分布与射流孔直径的函数变化趋势；
步骤4.3：给出气泡流动形态识别的流态图。
优选地，所述步骤5具体为：
步骤5.1：基于步骤3的气泡流动形态数据和预报模型，引入气流入口速度和孔间距为目标参数的关联式；
步骤5.2：首次提出气泡尺寸分布与射流入口速度和孔间距函数关系的唯象模型；
步骤5.3：完成实验验证和模型的修正。
优选地，反应器内液体为室温自来水，压缩空气作为气泡气体来源，通过直管式气流分布器形成气泡循环再反应器内循环流动；射流进口速度范围为2.0m/s～20.0m/s，射流孔直径范围为0.4mm～1.9mm，射流孔间距范围为3.0mm～42.0mm。
一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置，所述装置包括压缩空气气瓶、质量流量控制阀、汽水分离器、气液鼓泡床反应器、直管射流分布器、照明灯、高速摄像机和数据采集系统；
所述直管射流分布器表面分布射流孔，压缩空气气瓶中的压缩空气经质量流量控制阀进入直管射流分布器，测量测试孔沿着床高均匀布置；高速摄像机和照明灯分布在气液鼓泡床反应器测试点前部和后部位置，高速摄像机连接数据采集系统。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于非接触式测量方法开展一系列的实验研究工作，采用高速摄像机和不同较低气流入口速度(<20.0m/s)、射流孔直径(0.4～1.9mm)和孔间距-射流孔直径比(<42.0)。在不同操作条件和直管气流分布器的几何构型参数条件下，预报和揭示射流孔附近气泡的聚并和破碎的湍流流动特性和其关联关系，建立基于实验结果的唯象模型，实现均匀小尺寸分布气泡湍流流动。此研究对于实现大规模商业化传热传质功能和能力，提高产品产量和降低商业运行和维护的成本，意义重大。
本发明利用非接触测量的高速摄像机以及通过改变直管气流分布器的设计参数和射流空入口射流速度，准确获取气液鼓泡床气流分布器附近区域气泡聚并和破碎事件，以及均匀和非均匀湍流流动，探究其湍流运动机理和优化控制机制。通过建立考虑气泡均匀和非均匀流动的气泡尺寸分布的唯象模型，外推预报未来设计和运行参数，为直管式气流分布器气液鼓泡床反应器的商业规模放大和优化，提供实验和理论基础。
本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：所采用的非接触式测量方法可以准确获得气泡的聚并和破碎事件，并进一步在改变射流孔入口速度、射流孔直径、孔间距、射流孔等条件下，判断在直管气流分布器鼓泡床内靠近分布器区域气泡均匀和非均匀湍流流动状态。首次构建包含射流入口速度和孔间距参数的气泡流动尺寸唯象模型。使用此方法可以对气液生物鼓泡床反应器气泡均匀和非均匀流动特性进行预报以及铺垫气泡湍流聚并和破碎、气液相间相互作用机理，以及为反应器放大和优化的基础理论研究。
本发明结合实验测量结果及其唯象理论模型，目的在于克服现有技术的不足。在不同射流入口速度、射流孔直径、孔间距和射流孔数量和直管分布器直径条件下，揭示气泡聚并和破碎事件和气泡均匀和非均匀湍流流动的关联特性，优化气液鼓泡床气液湍流流动特性，实现小尺寸气泡分布的离散气泡的均匀流动，以增强传热和传质性能。
本发明的重点在于实验测量近直管气流分布器区域气泡运动的聚并和破碎、均匀和非均匀气液湍流流动规律，获得含有直管气流分布器设计参数与气流入口射流速度的气泡均匀和非均匀流动的唯象模型，为追求商用反应器放大和优化提供基础数据和规律。
附图说明
图1是实验方案和流程示意图；
图2是本发明的实验装置和测量系统图；
图3是直管气流分布器设计参数示意图；
图4是射流孔直径0.4mm,0.6mm,0.8mm和射流孔入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s条件下，孔间距为3.0mm，5.0mm和8.0mm的气泡Sauter平均直径的比较。
图5是2个射流孔直径1.9mm在孔间距为14.0mm和28.0mm射流孔入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s条件下，气泡流动的聚并和破碎的实验测量结果。
图6是2个射流孔直径1.5mm在孔间距为9.0mm和11.0mm射流孔入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s条件下，气泡流动的聚并和破碎的实验测量结果。
图7是2个射流孔直径1.1mm在孔间距为7.0mm和9.0mm射流孔入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s条件下，气泡流动的聚并和破碎的实验测量结果。
图8是3个射流孔直径0.8mm在孔间距为3.0mm和5.0mm射流孔入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s条件下，气泡流动的聚并和破碎的实验测量结果。
图9是4个射流孔直径0.8mm在孔间距为3.0mm射流孔入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s条件下，气泡流动的聚并和破碎的实验测量结果。
图10是射流孔直径0.4mm,0.6mm,0.8mm以射流孔入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s条件下，孔间距为3.0mm，5.0mm和7.0mm为函数的实验测量值。
图11是射流孔直径0.4mm,考虑以射流孔入口射流速度和孔间距为函数的唯象模型的预报结果。
图12是考虑射流孔直径、孔间距和射流孔入口射流速度为函数的气泡均匀流动、过渡区和非均匀流动流动形态识别的唯象模型预报结果。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图12所示，本发明为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：
一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，所述方法包括：
步骤1：选择一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡湍流流动聚并和破碎事件，进行气泡流动聚并和破碎事件的测量；
步骤2：进行气泡聚并和破碎事件的测量和计算；
步骤3：进行气泡流态图中气泡聚并和破碎的分析；
步骤4：建立气泡流动流态图；
步骤5：建立直管气流分布器气泡流动形态唯象模型。
具体实施例二：
本申请实施例二与实施例一的区别仅在于：
所述步骤1具体为：
步骤1.1：压缩空气经过质量流量控制仪，进入到直管气流分布器；
步骤1.2：射流气体经射流孔进入鼓泡流化床反应器，在气流分布器上方经历气泡发生、脱离分布器表面、向反应器上液面运动；
步骤1.3：气泡运动流态可能性：保持离散气泡流动状态，气泡之间不发生碰撞等相互作用；
步骤1.4：另一方面气泡上升过程中发生碰撞、聚并和破碎过程；
步骤1.5：向上运动的气泡一方面向下返混以及左右摇荡，形成复杂非均匀湍流流动结构；
步骤1.6：另一部分气泡运动到反应器上液面表面，排除反应器，完成气体排出；
步骤1.7：重复步骤1.1，形成往复循环流动。
气液生物鼓泡流化床制备和测量方案的布置：矩形反应器和气液分离器均由聚氯乙烯PVC材料制造，直管式气流分布器由不锈钢材料制造，表面分布不同设计要求条件下的射流孔，压缩空气经质量流量控制仪进入气流分布器。测量测试孔沿着床高均匀布置。高速摄像机和照明灯分布在反应器测试点前部和后部位置，测量位置高度为距离射流孔上方6.0cm处。如图2所示。
液体为室温自来水及气体为压缩空气。实验台构造、几何参数和操作条件如表1所示。
表1气液鼓泡流化床参数和操作条件
具体实施例三：
本申请实施例三与实施例二的区别仅在于：
所述步骤2具体为：
步骤2.1：采用高速摄像机和选择测量高度位置，确定射流孔直径和孔间距，改变射流入口速度；
步骤2.2：射流孔直径的取值为0.4mm、0.6mm和0.8mm；
步骤2.3：测量气泡Sauter直径分布和观察气泡流动的拓扑结构；
步骤2.4：判定气泡聚并和破碎的准则判别式；
步骤2.5：确定射流入口速度和射流孔直径，改变孔间距，重复步骤2.2-步骤2.3；
步骤2.6：确定射流入口速度和孔间距，改变射流孔直径，重复步骤2.2-步骤2.3。
高速摄像机对准直管气流分布器射流孔垂直上方获取并完成气泡聚并、破碎和湍流流动气泡尺寸分布的测量。实验在环境温度为10～20℃，1个大气压力的条件下进行。空气流率由智能流量控制仪控制(美国Brooks,5853S，量程1000L/min)，射流孔入口射流速度设定范围0～20m/s.高速摄像机采用美国TSI公司,高速相机像素分辨率4096×3072，像素大小5.5μm×5.5μm及帧速率180帧/秒.以及图像采集和分析系统(ProAnalyst软件)计算气泡运动速度和尺寸分布。测量位置在每个射流孔该高正上方6.0cm.
具体实施例四：
本申请实施例四与实施例三的区别仅在于：
所述步骤3具体为：
步骤3.1：分析分别采用射流孔数量2个、3个和4个和射流孔直径1.1mm，1.5mm和1.9mm在不同孔间距和射流速度下，在气流分布器上方6.0cm处气泡流动形态的捕捉；
步骤3.2：分析离散小尺寸气泡的流动状态和变化趋势；
步骤3.3：分析气泡聚并诱发大尺寸气泡和破碎诱发小尺寸气泡的流动形态和分布趋势；
步骤3.4：提出多参数气流分布器耦合气流入口射流速度参数的优化策略。
计算气泡Sauter平均直径d32分布
式中，n为气泡数量，di为气泡直径
具体实施例五：
本申请实施例五与实施例四的区别仅在于：
所述步骤4具体为：
步骤4.1：基于步骤2数据分析结果，提出无量纲准则数韦伯数We、雷诺数Re和弗朗德数Fr，建立气泡尺寸与直管气流分布器直径为函数的关联式；
步骤4.2：预报气泡尺寸分布与射流孔直径的函数变化趋势；
步骤4.3：给出气泡流动形态识别的流态图。
在高速相机获取气泡运动的几何图形之后，如果气泡与周围1个或以上数量的气泡发生重叠情况，并且重叠面积大于自身面积的15％，便判定聚并事件发生。计算公式如公式(2)所示。之所以确定15％的范围，是应为要考虑到气泡发生形变，但并没有真正的发生聚并情况。
式中，A为气泡面积，overlap为重叠，bubble为气泡，nb为周围相邻气泡
具体实施例六：
本申请实施例六与实施例五的区别仅在于：
所述步骤5具体为：
步骤5.1：基于步骤3的气泡流动形态数据和预报模型，引入气流入口速度和孔间距为目标参数的关联式；
步骤5.2：首次提出气泡尺寸分布与射流入口速度和孔间距函数关系的唯象模型；
步骤5.3：完成实验验证和模型的修正。
气泡-气泡之间发生破碎事件拓扑结构分析和判定
式中，A为气泡面积，break为气泡破碎，bubble为气泡
对于气泡发生破碎事件，定义为气泡的几何图形面积如果损失大于自身面积的15％时，气泡分裂成一个或者多个小气泡，便判定破碎事件发生，计算公式如公式(3)所示。之所以确定15％的范围，是考虑到气泡可能发生形变，并没有真正意义发生破碎情况。
依次改变直管气流分布器的射流孔直径、孔间距和射流孔数量，并调整射流空入口射流速度，按照表1的参数。利用高速相机和ProAnalyst图像分析软件，获得气泡流动特尺寸分布和判定聚并和破碎全部基础实验数据。
基于实验测量数据，构建气泡平均Sauter直径与射流孔直径、直管气流分布器设计参数的关联式，如方程(4)所示。
式中，雷诺数
弗朗德数/>
韦伯数/>
基于实验测量数据，首次提出含有射流孔入口射流速度和孔间距2个参数为函数的气泡平均Sauter直径与射流孔直径、直管气流分布器设计参数的关联式，如方程(5)所示。
式中，ujetting为射流孔入口射流速度。
基于上述实验结果和经验关联式的实验验证，尝试构建气泡平均尺寸与射流孔直径为函数的唯象模型，用于判断气泡湍流流动状态流型。
式中，d0为射流孔直径。
具体实施例七：
本申请实施例七与实施例六的区别仅在于：
反应器内液体为室温自来水，压缩空气作为气泡气体来源，通过直管式气流分布器形成气泡循环再反应器内循环流动；射流进口速度范围为2.0m/s～20.0m/s，射流孔直径范围为0.4mm～1.9mm，射流孔间距范围为3.0mm～42.0mm。
具体实施例八：
本申请实施例八与实施例七的区别仅在于：
本发明提供一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置，所述装置包括压缩空气气瓶、质量流量控制阀、汽水分离器、气液鼓泡床反应器、直管射流分布器、照明灯、高速摄像机和数据采集系统；
所述直管射流分布器表面分布射流孔，压缩空气气瓶中的压缩空气经质量流量控制阀进入直管射流分布器，测量测试孔沿着床高均匀布置；高速摄像机和照明灯分布在气液鼓泡床反应器测试点前部和后部位置，高速摄像机连接数据采集系统。
具体实施例九：
本申请实施例九与实施例八的区别仅在于：
本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法。
具体实施例十：
本申请实施例十与实施例九的区别仅在于：
本发明提供一种车辆，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法。
具体实施例十一：
本申请实施例十一与实施例十的区别仅在于：
本发明提供一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法。其包括以下步骤：
步骤1.
1.1选择净化后的自来水和压缩空气作为气液工质，根据图2实验装置和测量系统图布置测量和运行操作方案。
1.2在直管气流分布器的气液鼓泡床内，以气流分布器附近气泡运动聚并和破碎及气泡均匀和非均匀湍流流动为研究对象，构建其与射流入口速度和分布器设计参数为函数的气泡尺寸分布唯象模型，并完成实验验证。
1.3直管气流分布器设计参数如图3所示，包括射流孔直径、孔间距、直管分布器直径。实验过程中射流孔直径在0.4～1.9mm-、孔间距3.0mm～42.0mm以及射流孔数量2～4个区间选择实验设定参数。
步骤2：进行2个射流孔直径均为0.4mm，0.6mm和0.8mm条件下，分别取孔间距3.0mm,5.0mm和7.0mm和改变射流孔入口射流速度为5.0m/s,9.0m/s和13.0m/s操作参数，在直管气流分布器上方6.0cm处测量气泡平均直径的分布。
2.1用射流孔直径为0.4mm，分别改变孔间距和射流孔入口射流速度，利用高速摄像和图像分软件及判定聚并和破碎的准则式(见方程2和3)获取气泡流动流动图像并计算平均分布直径。
2.2用射流孔直径为0.6mm，重复步骤2.1，获得气泡平均直径分布；
2.3用射流孔直径为0.8mm，重复步骤2.1，获得气泡平均直径分布；
2.4图4是射流孔直径0.4mm,0.6mm,0.8mm和射流孔入口射流速度为5.0m/s、9.0m/s和13.0m/s条件下及孔间距为3.0mm，5.0mm和7.0mm的气泡Sauter平均直径结果的比较。图中可见气泡平均尺寸分布是孔间距、射流孔直径、射流孔数量和射流孔入口射流速度的复杂函数关系。气泡平均尺寸伴随着射流孔入口射流速度和射流孔直径的增加而加大。当孔间距小于4.0mm时，大尺寸气泡将会产生。在同样孔间距条件下，气泡平均尺寸伴随着射流孔入口射流速度增加而增大。
步骤3：气泡聚并和破碎事件的判断和流动特性形态表征。
3.1图5表示2个射流孔直径均为1.9mm条件下，分别取孔间距14.0mm和28.0mm及入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s条件操作参数，在直管气流分布器上方6.0cm处获得气泡流动的流动形态图片。图中可见，在14.0mm孔间距时，在9.0m/s是会产生许多小气泡，类似情况也发生在28.0mm孔间距时在9.0m/s和13.0m/s的情况下。当孔间距为42.0mm和射流速度2.0m/s时，没有细小气泡发生。而对于其他条件，呈现出非常明显的因气泡聚并和破碎而制造的微小气泡。总而言之，此情况均发生因气泡聚并和破碎诱发的微小尺寸气泡。当射流速度小于2.0m/s时，才可以避免此事件发生。
3.2图6表示2个射流孔直径均为1.4mm条件下，分别取孔间距8mm和10mm及入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s操作参数，在直管气流分布器上方6.0cm处获得气泡流动的流动形态图片。在9.0mm孔间距和5.0m/s及9.0mm孔间距和2.0m/s与5.0m/s时，没有显著的小气泡出现。而对于其他条件，呈现出非常明显的因气泡聚并和破碎而制造的微小尺寸气泡。
3.3图7表示2个射流孔直径均为1.1mm条件下，分别取孔间距7.0mm和9.0mm及入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s条件操作参数，在直管气流分布器上方6.0cm处获得气泡流动的流动形态图片。孔间距为7.0mm射流速度为5.0m/s，以及孔间距为9.0mm射流速度为5.0m/s，9.0m/s时，没有微小气泡发生。而对于其他条件，呈现出非常明显的因气泡聚并和破碎而制造的微小尺寸气泡。
3.4图8表示3个射流孔直径均为0.8mm条件下，分别取孔间距3.0mm和5.0mm及入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s操作参数，在直管气流分布器上方6.0cm处获得气泡流动的流动形态图片。孔间距为3.0mm射流速度为4m/s，以及孔间距为5.0mm射流速度为5.0m/s，9.0m/s时，没有微小气泡发生。而对于其他条件，呈现出非常明显的因气泡聚并和破碎而制造的微小尺寸气泡。
由此可见，射流孔入口射流速度和孔间距都是影响气泡聚并和破碎以及气泡均匀和非均匀流动分布的重要参数。
3.5图9表示4个射流孔直径均为0.8mm条件下，分别取孔间距3.0mm及入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s操作参数，在直管气流分布器上方5cm处获得气泡流动的流动形态图片。孔间距为3.0mm射流速度为5.0m/s，没有微小气泡发生。而对于其他条件，呈现出非常明显的因气泡聚并和破碎而制造的微小尺寸气泡。
步骤4：气泡平均尺寸的实验测量和唯象模型比较。
4.1图10表示2个射流孔直径均为0.4mm、0.6mm和0.8mm条件下，分别取孔间距3.0mm、5.0mm和7.0mm及入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s操作参数条件下，气泡平均尺寸分布与射流孔入口射流速度为函数的测量结果。图中可见，在0.4mm射流孔直径下，气泡平均尺寸随着射流孔直径增大以及孔间距增加而增大。在同等孔间距下，平均直径伴随入口射流增加而增大。在0.6mm射流孔直径下，当射流速度小于9.0m/s时，气泡平均直径随着入口流速增加而降低。其原因在于发生气泡的聚并和破碎事件导致系统中产生大量破碎的微小气泡，并且较大的孔间距产生较大尺寸气泡。在0.8mm射流孔直径下，当射流速度小于13.0m/s时，气泡平均直径随着入口流速增加而降低。其原因在于发生气泡破碎并事件比例较高，系统中产生大量破碎的微小气泡。伴随射流速度增加，气泡聚并事件比例较高，产生较多大尺寸气泡。
4.2上述条件下，气泡尺寸和孔间距实在同一个数量级水平。由此可见应构建合理的孔间距与射流孔直径比例，避免发生气泡聚并和破碎事件的发生。
4.3对于固定的射流孔直径，较低的射流入口速度和较大的孔间距都是避免发生气泡聚并和破碎的重要优化手段。
4.4迄今为止，综合考虑射流孔入口射流速度、射流孔直径、射流孔孔间距的唯象模型，以及预报气泡尺寸分布的直管式气液鼓泡床反应器还没有报道。一部分原因是是对于复杂多相湍流流动的机理认知不够，另一方面对于实验和理论研究的基础数据积累不足，无法构建合理的经验关联式和唯象模型。
4.5本发明基于首先基于实验测量结果建立经验关联式，用于区别湍流流动的形态。然后首次提出包含射流孔入口射流速度为参数和直管射流分布器参数的气泡尺寸分布唯象模型，为反应器的优化的放大，提供重要的基础理论和实验研究。
4.6图11表示2个射流孔直径均为0.4mm，分别取孔间距3.0mm、5.0mm和7.0mm及入口射流速度为5.0m/s，9.0m/s，13.0m/s和16.0m/s操作参数条件下，气泡平均尺寸分布实验测量结果和基于数据构建经验关联式的预报结果的比较。图中单独关联式是不考虑射流孔入口射流速度和孔间距参数的预报结果，见方程(4)。通用关联式是考虑射流孔入口射流速度和孔间距参数的预报结果。最大误差均小于5％。唯象模型的局限在入口射流速度小于32.0m/s。
4.7基于基础实验数据和实验测量结果验证，图12给出示气泡平均尺寸分布为射流孔直径函数的预报结果。射流孔直径的增加会导致气泡平均尺度的加大。离散气泡流动为均匀流动区域，气泡尺度较小。大尺度气泡对应于非均匀流动区域，复杂系统存在着大量的气泡聚并和破碎事件，为优化气流分布器和反应器应该避开的此设计参数范围。
以上所述仅是一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置及方法的优选实施方式，一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置及方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，所述方法基于一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量装置，所述装置包括压缩空气气瓶、质量流量控制阀、汽水分离器、气液鼓泡床反应器、直管射流分布器、照明灯、高速摄像机和数据采集系统；
所述直管射流分布器表面分布射流孔，压缩空气气瓶中的压缩空气经质量流量控制阀进入直管射流分布器，测量测试孔沿着床高均匀布置；高速摄像机和照明灯分布在气液鼓泡床反应器测试点前部和后部位置，高速摄像机连接数据采集系统，其特征是：所述方法包括：
步骤1：选择一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡湍流流动聚并和破碎事件，进行气泡流动聚并和破碎事件的测量；
步骤2：进行气泡聚并和破碎事件的测量和计算；
步骤3：进行气泡流态图中气泡聚并和破碎的分析；
步骤4：建立气泡流动流态图；
所述步骤4具体为：
步骤4.1：基于步骤2数据分析结果，提出无量纲准则数韦伯数We、雷诺数Re和弗朗德数Fr，建立气泡尺寸与直管气流分布器直径为函数的关联式；
步骤4.2：预报气泡尺寸分布与射流孔直径的函数变化趋势；
步骤4.3：给出气泡流动形态识别的流态图；
步骤5：建立直管气流分布器气泡流动形态唯象模型。
2.根据权利要求1所述的一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，其特征是：所述步骤1具体为：
步骤1.1：压缩空气经过质量流量控制仪，进入到直管气流分布器；
步骤1.2：射流气体经射流孔进入鼓泡流化床反应器，在气流分布器上方经历气泡发生、脱离分布器表面、向反应器上液面运动；
步骤1.3：气泡运动流态可能性：保持离散气泡流动状态，气泡之间不发生碰撞等相互作用；
步骤1.4：另一方面气泡上升过程中发生碰撞、聚并和破碎过程；
步骤1.5：向上运动的气泡一方面向下返混以及左右摇荡，形成复杂非均匀湍流流动结构；
步骤1.6：另一部分气泡运动到反应器上液面表面，排除反应器，完成气体排出；
步骤1.7：重复步骤1.1，形成往复循环流动。
3.根据权利要求2所述的一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，其特征是：所述步骤2具体为：
步骤2.1：采用高速摄像机和选择测量高度位置，确定射流孔直径和孔间距，改变射流入口速度；
步骤2.2：射流孔直径的取值为0.4mm、0.6mm和0.8mm；
步骤2.3：测量气泡Sauter直径分布和观察气泡流动的拓扑结构；
步骤2.4：判定气泡聚并和破碎的准则判别式；
步骤2.5：确定射流入口速度和射流孔直径，改变孔间距，重复步骤2.2-步骤2.3；
步骤2.6：确定射流入口速度和孔间距，改变射流孔直径，重复步骤2.2-步骤2.3。
4.根据权利要求3所述的一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，其特征是：所述步骤3具体为：
步骤3.1：分析分别采用射流孔数量2个、3个和4个和射流孔直径1.1mm，1.5mm和1.9mm在不同孔间距和射流速度下，在气流分布器上方6.0cm处气泡流动形态的捕捉；
步骤3.2：分析离散小尺寸气泡的流动状态和变化趋势；
步骤3.3：分析气泡聚并诱发大尺寸气泡和破碎诱发小尺寸气泡的流动形态和分布趋势；
步骤3.4：提出多参数气流分布器耦合气流入口射流速度参数的优化策略。
5.根据权利要求4所述的一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，其特征是：所述步骤5具体为：
步骤5.1：基于步骤3的气泡流动形态数据和预报模型，引入气流入口速度和孔间距为目标参数的关联式；
步骤5.2：首次提出气泡尺寸分布与射流入口速度和孔间距函数关系的唯象模型；
步骤5.3：完成实验验证和模型的修正。
6.根据权利要求2所述的一种气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法，其特征是：反应器内液体为室温自来水，压缩空气作为气泡气体来源，通过直管式气流分布器形成气泡循环再反应器内循环流动；射流进口速度范围为2.0m/s～20.0m/s，射流孔直径范围为0.4mm～1.9mm，射流孔间距范围为3.0mm～42.0mm。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求1-6任意一项所述的气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征是：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6任意一项所述的气液生物鼓泡流化床直管气流分布器气泡聚并和破碎事件的测量方法。
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