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Destabilisation of homogeneous bubbly flow in an annular gap bubble column

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Abstract

Experimental results are presented to show that there are very significant differences in the mean gas void fractions measured in an open tube and a annular gap bubble column, when operated at the same gas superficial velocity, using a porous sparger. Measurements were carried out in a vertical 0.102 m internal diameter column, with a range of concentric inner tubes to form an annular gap, giving diameter ratios from 0.25 to 0.69; gas superficial velocities in the range 0.014–0.200 m/s were investigated. The mean gas void fraction decreases with increasing ratio of the inner to outer diameter of the annular gap column and the transition to heterogeneous flow occurs at lower gas superficial velocities and lower void fractions. Two reasons are proposed and validated by experimental investigations: (1) the presence of the inner tube causes large bubbles to form near the sparger, which destabilise the homogeneous bubbly flow and reduce the mean void fraction; this was confirmed by deliberately injecting large bubbles into a homogeneous dispersion of smaller bubbles, and (2) the shape of the void fraction profiles changes with gap geometry and this affects the distribution parameter in the drift-flux model. Both of these effects serve to reduce the mean gas void fraction in an annular gap bubble column compared to an open tube at the same gas superficial velocity.

Abstract

Des résultats expérimentaux sont présentés pour montrer qu'il existe de très grandes différences dans les fractions de vide gazeux moyennes mesurées dans un tube ouvert et une colonne à bulles à espace annulaire, lorsqu'ils sont utilisés à la même vitesse superficielle de gaz, au moyen d'un aérateur poreux. On a effectué des mesures dans une colonne verticale avec un diamètre interne de 0.102 m, avec une portée de tubes internes concentriques pour former un espace annulaire, procurant des rapports de diamètre de 0.25 à 0.69; des vitesses superficielles de gaz de 0.014 à 0.200 m/s ont été étudiées. La fraction de vide gazeux moyenne diminue avec le rapport croissant du diamètre interne à externe de la colonne à espace annulaire et la transition à la circulation hétérogène se produit à des vitesses superficielles de gaz et fractions de vide plus basses. Deux raisons sont proposées et validés par les vérifications expérimentales: (1) la présence du tube interne provoque la formation de grandes bulles près de l'aérateur, ce qui déstabilize l'écoulement à bulles homogène et réduit la fraction de vide moyenne; cet état a été confirmé en injectant délibérément de grandes bulles dans une dispersion homogène de plus petites bulles et, (2) la forme des profils de fraction de vide change avec la géométrie de l'espace qui les sépare, ce qui a des conséquences sur le paramètre de distribution du modèle à flux de dérive. Ces deux effets servent à réduire la fraction de vide gazeux moyenne dans une colonne à bulles à espace annulaire, en comparaison avec un tube ouvert à la même vitesse superficielle de gaz.

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