《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》：The rising behavior of a bubble loaded by a single particle in various liquids
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粒子负载气泡（PLB）在牛顿和非牛顿流体中的运动特性及其对终端速度、形变抑制和滑移行为的影响，通过高速摄像实验研究，发现粒子加速振荡频率、抑制气泡形变、降低终端速度，并建立考虑流体粘度、表面张力和粒子特性的拖拽系数与终端速度预测模型。
蒋晓峰|陈世星|刘廷伟|崔静|白家成|孟显亮|徐恩乐|唐芙蓉
中国矿业大学焦煤资源绿色开采国家重点实验室，江苏省徐州市221116
摘要
背景
含有颗粒的气泡（PLB）在气-液-固系统中的行为非常重要，因为颗粒的存在不仅改变了气-液界面的性质，还显著影响了气泡的上升运动。研究单个上升的PLB是理解复杂气-液-固化学过程的基本机制的重要基础，同时也为了解PLB的整体群集提供了重要见解。
方法
本研究使用高速摄像机实验观察了PLB在各种牛顿流体和非牛顿流体中的运动特性，定量评估了它们的滑移行为和轨迹演变。关键参数包括颗粒大小和密度、流体粘度、流体流变学、表面张力以及气泡大小。
重要发现
颗粒的存在加速了轨迹的振荡频率，抑制了气泡的变形并降低了最终速度。吸附在气-液界面的表面活性剂分子阻碍了颗粒的滑移运动。此外，随着牛顿流体粘度的增加，PLB的上升轨迹变为直线，颗粒在气泡表面的滑动减少。在具有高粘性力的非牛顿流体中，气泡轨迹变得笔直，颗粒始终停留在气泡底部，没有明显的滑动。另外，基于颗粒大小、颗粒密度、流体粘度、流体流变学和流体表面张力等参数，推导出了PLB的拖曳系数和最终速度的预测关系。
引言
气泡在流体中的上升行为在许多工业过程中非常普遍，如化学工程、环境工程、食品加工等。这些过程中不仅存在气-液两相系统中的气泡[1,2]，还存在复杂的气-液-固三相系统中的气泡。例如，在化学过程中：催化氢化[3,4]、重油蒸馏[5,6]、浆液起泡[7][8][9]、空气浮选用于水净化[10,11]等。气-液-固三相特性决定了气泡的行为、颗粒和气泡的相对运动、停留时间、化学反应等，因此对整个系统的传热、传质、动量传递和反应性能有重要影响。系统中的含颗粒界面，特别是含颗粒的气泡（PLB），不仅改变了气-液界面的性质，还影响了气泡的上升运动特性。这使得研究单个上升的PLB成为更好地理解气-液-固化学过程的基础，同时也为了解PLB的整体群集提供了重要见解。
之前已经研究了气泡在两相流中的运动特性，气泡在上升过程中的形状和轨迹是一个直观的结果，这受到流体特性参数、气泡大小、气泡运动速度等因素的综合影响[12][13][14]。在牛顿流体中，气泡的形状是各种力（如粘性力、表面张力、浮力、惯性等）平衡的结果[15,16]。根据先前的研究，在去离子水中，小气泡或大气泡的上升轨迹是直线，而中等大小的气泡则呈之字形或螺旋形上升，这主要是由于气泡表面边界层分离产生的尾流涡旋的不对称性[17,18]。同时，当气泡在含有表面活性剂的流体中上升时，表面活性剂分子会引起马兰戈尼效应，这也影响了气泡的形状和轨迹[19,20]。此外，还广泛研究了气泡在非牛顿流体中的上升行为，基本上气泡的形状和轨迹因不同的流变行为而有所不同[21][22][23][24]。
然而，在气-液-固三相流中，气泡上升行为的动力学受到颗粒存在的显著影响。Eskanlou等人[25]发现，纯气泡的上升轨迹是不规则的，而含有颗粒的气泡的上升轨迹几乎是直线的，并且气泡速度降低了20%，这表明颗粒的存在抑制了气泡的变形并提高了稳定性。Prithvi等人[26]发现，颗粒的疏水性力比气泡的惯性力、剪切力等其他力更强，当颗粒覆盖率达到50%时，颗粒层抑制了气泡的振荡。Wang等人[27]观察到，颗粒覆盖率越高，气泡的球形度越大，被多微米颗粒覆盖的气泡的拖曳系数也发生了变化，这表明当颗粒覆盖率为60%时，PLB的拖曳系数是纯气泡的1.74倍。Wang等人[28]还发现，加载颗粒后气泡的初始加速过程变短，最终速度下降，并修改了Schiller-Nauman拖曳系数模型来测量加载颗粒的影响。Wang等人[29]进一步研究了单个气泡加载单个颗粒时的上升轨迹，发现颗粒和气泡的相对位置直接决定了颗粒的脱落模式。
之前关于颗粒对气泡上升过程影响的研究主要集中在含有大量颗粒的气泡的整体运动行为上。然而，在气-液-固多相流中，颗粒和气泡的相对运动非常普遍，这影响了气泡的上升运动。据我们所知，很少有人关注单个颗粒对气泡上升行为的影响，这对于理解颗粒对界面演变和相互作用的确切机制非常重要。我们之前的研究[30]已经表明，单个加载的颗粒会影响气泡的断裂动力学。本研究旨在进一步探讨单个圆形颗粒附着在单个气泡上的上升动力学以及相对运动过程。将探索加载颗粒对不同液体中气泡上升动力学和形态演变的影响，这有望为气-液-固多相流（如多相反应器或浆液气泡柱）的设计优化和过程强化提供一些理论建议。
部分摘录
材料
实验中使用了聚甲基丙烯酸甲酯颗粒（PMMA，密度1.10～1.20 g/cm3，东莞新苗新材料有限公司）和聚氧甲基丙烯酸甲酯颗粒（POM，密度1.39～1.43 g/cm3，义乌洪洲贸易有限公司）作为固体圆形颗粒，其尺寸分别为DPMMA = 1.28 ± 0.02 mm 和 DPOM = 1.50 ± 0.01 mm。颗粒表面的灰尘和污染物经过多次去离子水清洗后干燥，然后密封储存。
十二烷基钠
去离子水中的纯气泡和PLB
为了获取纯气泡和PLB的运动行为，图3(a-d)展示了它们的上升图像和特性。同样，图3(a, b)中的纯气泡和PLB在从毛细管释放后最初都是直线上升，然后沿着“S”形轨迹运动。然而，PLB在每个周期后更早地改变上升方向（如绿线所示），并且其上升轨迹宽度比纯气泡小。更重要的是，纯气泡表现出对称性
结论
本研究旨在通过高速摄像机研究单个颗粒负载的气泡在各种液体中的上升机制。PLB在牛顿流体中的上升特性与三相气-液-固系统的性质有关。在去离子水中，颗粒的存在抑制了气泡的变形并降低了气泡的最终速度。当加入表面活性剂时，表面活性剂会吸附在气-液界面，阻碍颗粒的滑移运动
CRediT作者贡献声明
蒋晓峰：写作 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。陈世星：写作 – 原稿撰写，概念构思。刘廷伟：方法学，形式分析。崔静：方法学，形式分析。白家成：形式分析，方法学。孟显亮：验证，方法学。徐恩乐：写作 – 审稿与编辑，资金获取。唐芙蓉：资源，项目管理。
