全息干涉法对气液流动浓度边界层的实验观测
第57卷 第3期 2006年3月 化 工 学 报 Vol157 No13
Journal of Chemical Industry and Engineering (China) March 2006
研究简报
全息干涉法对气液流动浓度边界层的实验观测
杨祖杰,郭 莹,袁希钢,曾爱武,余国琮
(天津大学化学工程联合国家重点实验室,天津300072)
关键词:显微全息干涉术;浓度分布;浓度边界层厚度;气液传质;干涉条纹
中图分类号:TQ02114 文献标识码:A文章编号:0438-1157(2006)03-0548-05
Observationofconcentrationboundarylayerofflowinggas2liquid
interfacewithlaserholographicinterferometry
YANGZujie,GUOYing,YUANXigangNG,(StateKeyLaboratoryofChemicalEngineeringy,,)
Abstract:Lasertovisualizetheconcentrationprofileswithinthevicinitytundertheco2currentflowingconditionsofgas/liquidtwofluids1onexperimentalconditionswereobtained,andtheconcentrationprofilesaswellasthethicknessoftheconcentrationboundarylayerwerecalculated1FinallytheinfluenceoftheReynoldsnumberoftheliquidphaseontheboundarylayerthicknesswasdiscussed.
Keywords:holographicinterferometry;concentrationprofile;concentrationboundarylayerthickness;interfacialmasstransfer;interferencefringe
引 言
早期的界面浓度分布观测多采用加入示踪剂的方法[124].但由于示踪剂的加入对传质会造成干扰,影响了测量的可靠性.
激光全息干涉测量技术为相界面浓度分布观测的有效方法,由于对界面传质无干扰,因此观测结果更加可靠,研究也可更加深入.Pertler等
[5]
注的流动的自由气液界面附近的浓度分布测量研究
报道很少.
本文用实时激光全息干涉技术测量了并流气液两相近界面浓度的分布,获得了不同条件下液相浓度边界层的变化规律,进而初步讨论了Reynolds数对浓度边界层厚度的影响.
用
1 实验原理与装置
111 实时激光全息干涉系统及其原理
激光全息技术研究了液液传质界面的湍动,发现界面的漩涡加速了传质过程.马友光等[6]利用全息干涉术研究了气泡周围液相内近界面的浓度场分布,发现气泡的泡前区和尾涡区的浓度分布有很大差别.然而由于实验条件所限,迄今对于人们普遍关
2005-03-02收到初稿,2005-09-08收到修改稿.
),男,硕士研联系人:袁希钢.第一作者:杨祖杰(1979—
对一定波长的光,在恒温恒压下,对于二元理想溶液,可由Lorentz2Lorenz方程[7]导出如下关系式
2=a+bX
n2-1
(1)
Receiveddate:2005-03-02.
Correspondingauthor:Prof.yuanxg@tju1edu1cn
Foundationitem:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(20136010).
YUANXigang.E-mail:
究生.
基金项目:国家自然科学基金项目(20136010).
第3期 杨祖杰等:全息干涉法对气液流动浓度边界层的实验观测・549・
式中 X为溶质的摩尔分数;n为溶液折射率.
对于吸收了二氧化碳的乙醇溶液
2=414383+01327X
n2-1
(2)
图1是本实验的光路示意图,氦氖激光器发出的激光束,经过曝光定时器、半波片,由分束镜分为物光(OB)和参考光(RB).物光通过被测流体(模拟盒内),载有流体的位相特征,和参考光
Fig13 Diagramofdeflectionoffringe
在全息干板上会合,通过曝光将携带有流体的初始
状态信息的物光波Σ1记录在全息干板上,然后用参考光再现为Σ13,如果模拟盒中流体的折射率发生了变化,则此时物光波变为Σ2,Σ13和Σ2就会发生干涉,产生干涉条纹.用CCD摄像机记录下干涉条纹图像
.
式中 z为物光垂直通过被测流体的距离;λ为光的波长.
如图4所示,模拟盒中被测流体在z方向上即光垂直穿过方向上的浓度变化较小,因此假设在该方向上液体折射率相等.于是式(3)可以简化为
n(x,nL(4)
.
4
n(x,y),代入式(2),(x,y)处的摩尔分数X.
Fig11 Diagramofholographicinterferometer
1—He2Nelaser;2—reflector;3—exposaltimer;4—halfwaveplate;5—beamsplitter;6—spreadlens;
7—collimator;8—masstransfersimulator;9—magnifier;10—flushbox;11—holographicplate;
12—acceptingplate;13—CCDcamera
当没有气液传质发生时,通过调节扩束镜得到如图2所示的互相平行的参考条纹.其中,XOZ平面为气液界面,S为条纹间距
.
Fig14 Diagramofmasstransfersimulator
112 气液循环系统
本实验装置的被测流体是由气液循环系统提供
的.该系统如图5所示.二氧化碳气体经转子流量计,进入模拟盒.乙醇由恒温槽经泵、高位槽和流量计进入模拟盒,在模拟盒内与气体呈并流流动,同时发生传质.
113 实验材料和检测手段
Fig12 Diagramofreferencefringe
若近界面发生传质,由于近界面的液体内二氧
化碳的浓度发生了变化,液体的折射率也会发生相应的变化.于是如图3所示,近界面的干涉条纹发生偏折.图3中H为B点条纹的偏移量,S为条纹的间距.
对此条纹进行相位分析[7],可以得到
纯度为9917%的无水乙醇由科威公司提供;纯度为9919%的食品级二氧化碳气由天津气体公司提供;显影、定影药品由天津市摄影器材公司提供;全息干板由远大感光材料厂提供.
在标定溶液浓度与溶液折射率关系的标准曲线[式(2)]时,用惠普4890气相色谱仪测定乙醇溶液中二氧化碳的浓度,用WYV2V棱镜折射仪测定乙醇溶液折射率.一旦建立了浓度与折射率关系,便可通过式(2)和式(4)获得干涉条纹偏移
∫
Δn(x,y)dz=S
(3
)
・550・化 工 学 报 第57卷
Fig16 Interreferencefringediagram
Fig15 Experimentalcirculationsystem
1—carbondioxidetank;2—thermostat;3—circulatingpump;4—exaltedtank;5—masstransfersimulator;6—gasometer;7—flowmeter;8—controlvalve;9—overflowpipe;
10—temperaturecontroller
量与浓度的关系.
2 101325Pa(一个大气压),
温度为(22±011)℃.
本实验液相Reynolds数定义为
ReL
Fig17 FourinterferencefringediagramsTable1 Flowconditionoffringediagrams
FringeNo11No12No13No14
uL/m・s-1
ρ=
μL
(5)
ug/m・s-
1
ReLReg
由于二氧化碳在乙醇里平均浓度不到0104%,
μ所以ρL、L皆取无水乙醇在实验条件下的物性,
dL为液相水力直径,uL为液体的平均流速.
气体Reynolds数定义为
Reg=
[***********]010068
[***********]010382
[***********]106108
[***********]6166
ρμg
(6)
Note:dL=55mm,dg=34mm.
ρdg为气g和μg皆为常温下二氧化碳的性质.
相水力直径,ug为气体的平均流速.
为了获得较为稳定的气液界面,本实验中液体流量小于40L・h-1,ReL
由图7可以看出,随着接近界面,条纹间距变
小,条纹偏折的程度也变大,在界面处的条纹偏折最大.在被测液相的主体流动区(即远离界面的区域),干涉条纹基本上互相平行,但呈现一个角度的倾斜,即比较均匀的偏移.这表明在液体主体流动区,存在着较小的浓度梯度.这主要是由于在实验中,被测液体循环使用,模拟盒中流体速度在高度方向上的分布实际并不均匀,导致了一段时间后在液体主体内积累了一个较小的浓度梯度.但是由于这个浓度梯度较小,所以液体主体内的条纹近似为直线.本文主要是研究近界面的浓度分布,因此,可以方便地以一条平行于主体区域干涉条纹的直线作为测量近界面区域干涉条纹偏移量的基准.以此为基准测得的相对偏移量可集中反映液相内近界面的浓度分布规律.
3 实验结果与讨论
311 全息干涉条纹
当没有传质发生时,即溶液中没有CO2溶质时,可以得到图6所示的参考条纹.参考条纹为平行的条纹,没有任何偏折.
当气液两相发生传质时,由于液相内近界面的浓度发生了变化,干涉条纹会发生偏移.图7为不同气液流动条件下的4幅全息干涉条纹图,其条件由表1给出
.
第3期 杨祖杰等:全息干涉法对气液流动浓度边界层的实验观测・551・
312 浓度分布
图7干涉条纹经图像处理,得到了对应的二氧化碳浓度等高线,如图8所示.
Fig19 Concentration
,9外推1:如果近界面某一点的浓度与主体浓度之差小于界面浓度与主体浓度之差的1%,则这一点到界面的距离为浓度边界层厚度.
图10给出了液体浓度边界层厚度随液体和气体Reynolds数的变化情况.可以看出对于同样的气体Reynolds数,液相Reynolds数越大,边界层越薄.根据膜传质理论,相应的传质系数越大.同时也可以看到,气相的Reynolds数对浓度边界层的厚度也有一定影响,故对液相传质系数也会有影响
.
Fig18 ConcentrationprofileofNo11—4fringe
x轴为气液流动方向,其坐标零点为气液开始
接触点;y轴为以界面为零点的距离.
由图8可以看出,浓度边界层是比较稳定的.浓度边界层的厚度在215mm以内.应该指出,边界层厚度值是通过图像处理获得的,由于实验手段的限制,所测的边界层厚度准确度受到一定限制.
图9为图8中x=98mm处二氧化碳浓度随距界面距离的变化情况.
由于在传质过程中,严格的界面难以确定,因此难以得到真实界面处的浓度.但本实验可以得到十分接近界面的浓度分布.
由于浓度在近界面分布
Fig110 DiagramofrelationshipbetweenReLandconcentrationboundarylayerthickness
314 与文献对比
Lee等[8]运用高灵敏度测氧微探针测量了搅拌
槽纯水中氧气的近界面浓度分布,发现距离搅拌中心越近,浓度边界层越厚.Lee等认为这是由于线速度在接近搅拌中心处较小,Reynolds数较小所致.
・552・化 工 学 报
Σ13———再现物光波波函数Σ2———变化后物光波波函数
第57卷
因此,本实验和Lee等的实验结果趋势是一致的.
4 结 论
本文用实时全息干涉术来研究气液界面传质,
获得到了气液并流时近界面的浓度分布,给出了溶质在液相内的浓度变化情况.实验发现同样气体流速下,液相浓度边界层厚度随液体Reynolds数的增加而减小;同时气体Reynolds数对液相浓度边界层厚度也有一定影响,不可忽略.
符 号 说 明
dg,dL———分别为气相、液相水力直径,m
H———条纹偏移量,mmL———模拟盒厚度,mmS———条纹间距,mm
uL,ug———分别为气体、,m・s-1
X———z—,References
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λ——μ——,pa・sg—
μ——无水乙醇黏度,Pa・sL—
ρ——常温下二氧化碳密度,kg・m-3g—
ρ——无水乙醇密度,kg・m-3L—
Σ1———初始物光波波函数
[7] CharlesMVest.HolographicInterferometry1NewYork:
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[8] Young
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