Computational and Experimental Study of Bubble Size in Bubble Columns

Rolf Hansen

Research output: Book/ReportPh.D. thesis

3666 Downloads (Pure)

Abstract

I denne afhandling præsenteres en Eulerisk tofaset numerisk fluiddynamik model til modellering af boblekolonner. Modellen kan beregne boblestørrelse ved brug af en grænsearealskoncentrationsligning (IACE), der er koblet til den spredte fase som en skalær transportligning. IACEmodellen kan beregne sammenklumpning og opbrydning af bobler, hvorved en Sauter gennemsnitsdiameter (SMD) beregnes i domænet.


Boblestørrelsesfordelingen måles i en kvadratisk boblekolonne med ”Interferometric Particle Imaging” (IPI), som er en ikke-indtrængende optisk laserbaseret metode. Boblehastigheden måles samtidig med ”Particle Tracking Velocimetry” (PTV). Målingerne udføres for tre superficielle gashastigheder i en plan i midten af boblekolonnen. IPImålingerne viser en SMD på omkring 6.0mm for hele måleområdet, hvilket også er observeret visuelt. Lokale boblestørrelseshistogrammer præsenteres for at få data, der kan sammenlignes med beregningerne.

Den eksperimentelle SMD synes at være konstant lodret gennem boblekolonnen, men faldende fra midten ind mod væggen horisontalt. Den eksperimentelle SMD synes også at falde med stigende superficiel gashastighed.  En beregningsanalyse af flowmønstret i den kvadratiske boblekolonne er udført uden brug af IACE-modellen. Forskellige grænsefladekræfter og turbulensmodeller er testet, og simulerede hastighedsprofiler er sammenlignet med eksperimentelle PIV data fra litteraturen. Simuleringerne viser god enighed med eksperimentelle data. Det er observeret at løftekraften er essentiel for at modellere den fluktuerende opførsel af den opstigende boblekaskade.

To forskellige kerner, der kan beregne sammenklumpning og opbrydning af bobler er implementeret i IACE-modellen. Begge kerner er testet på den kvadratiske boblekolonne ved tre forskellige superficielle gashastigheder. Simuleringerne viser nogen enighed med de eksperimentelle IPI data. Den simulerede SMD falder med stigende højde i boblekolonnen, hvor den eksperimentelle SMD synes at være konstant. Fra midten af boblekolonnen ud mod væggene viser den simulerede SMD en faldende tendens, hvilket den eksperimentelle SMD også gør. Den simulerede SMD stiger med stigende superficiel gashastighed. Dette er ikke observeret ud fra de eksperimentelle IPI data, hvor SMD synes at være konstant eller endda faldende med stigende superficiel gashastighed. Alt i alt synes kernen fra Moilanen et al. (2008) at give bedre resultater end kernen fra Wu et al. (1998). Inkludering af boblestørrelsesafhængig løftekraft giver ikke gode resultater, hvilket er ret overraskende.

En flad psudo-2D boblekolonne modelleres med IACE-modellen, og resultaterne er sammenlignet med data fra litteraturen. Kernen fra Wu et al. (1998) er ikke i stand til at beregne en tilfredsstillende SMD. SMD falder med stigende højde i boblekolonnen, hvilket er den modsatte tendens sammenlignet med eksperimentelle data. Kernen fra Moilanen et al. (2008) er bedre til at beregne SMD i boblekolonnen sammenlignet med eksperimentelle data, især hvis den boblestørrelsesafhængige løftekraft samt bobleinduceret turbulens er inkluderet i modellen. Med disse indstillinger viser simuleringen den samme tendens i SMD som de eksperimentelle data med stigende højde i boblekolonnen, dog er den simulerede SMD ca. 50 % højere end den eksperimentelle værdi.

Original languageEnglish
Place of PublicationEsbjerg
PublisherEsbjerg Institute of Technology, Aalborg University
Number of pages158
ISBN (Print)978-87-90033-64-4
Publication statusPublished - 2009

Cite this