Experimental and theoretical investigation of the effect of dissolved surfactant on the dynamics of gas bubble floating-up

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

We present the results of an experimental and numerical investigation of the floating-up of a solitary gas bubble in the presence and absence of dissolved surfactant at Reynolds numbers Re > 1. An original numerical technique is proposed, which makes it possible to investigate the dynamics of a solitary bubble with account for the effects occurring when a surfactant is introduced into the fluid. The effect of the surfactant concentration on the bubble dimensions, shape, and rise velocity are analyzed. Three stages of the bubble rise in the presence of a surfactant are established; they characterize its accumulation and distribution over the free surface of the bubble.

作者简介

E. Borzenko

National Research Tomsk State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: borzenko@ftf.tsu.ru
俄罗斯联邦, Tomsk

A. Usanin

National Research Tomsk State University

Email: borzenko@ftf.tsu.ru
俄罗斯联邦, Tomsk

G. Shrager

National Research Tomsk State University

Email: borzenko@ftf.tsu.ru
俄罗斯联邦, Tomsk

参考

  1. Бошенятов Б.В. Гидродинамика микропузырьковых газожидкостных сред // Изв. ТПУ. 2005. Т. 308. № 6. С. 156–160.
  2. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматлит, 1959. 700 с.
  3. Фрумкин А.Н., Левич В.Г. О влиянии поверхностно-активных веществ на движение на границе жидких сред // ЖФХ 1947. Т. 21, Вып. 10. С. 1183–1204.
  4. Palaparthi R., Papageorgiou D.T., Maldarelli C. Theory and experiments on the stagnant cap regime in the motion of spherical surfactant-laden bubbles // J. Fluid Mech. 2006. Vol. 559. P. 1–44. doi: 10.1017/S0022112005007019
  5. Clift R., Grace J.R., Weber M.E. Bubble, drops, and particles. New York. Academic press. 1978. 380 p.
  6. Воинов О.В., Петров А.Г. Движение пузырей в жидкости // Итоги науки и техники. МЖГ. 1976. Т. 10. С. 86–147.
  7. Духин С.С., Буйков М.В. Теория динамического адсорбционного слоя движущихся сферических частиц // ЖФХ. 1964. Т. 38, № 12. С. 3011–3013.
  8. Духин С.С., Буйков М.В. Теория динамического адсорбционного слоя движущихся сферических частиц. II Теория динамического адсорбционного слоя пузырька (капли) при числе Рейнольдса Re<<1 и сильной заторможенности поверхности // ЖФХ. 1965. Т. 39. № 4. С. 913–920.
  9. Fdhila R. Bel, Duineveld P.C. The effect of surfactant on the rise of a spherical bubble at high Reynolds and Peclet numbers // Phys. Fluids. 1996. V. 8. P. 310–321. doi: 10.1063/1.868787
  10. Zhang Y., Finch A. A note on single bubble motion in surfactant solutions // J. Fluid Mech. 2001. V. 429. P. 63–66. doi: 10.1017/S0022112000002755
  11. Almatroushi E., Borhan A. Surfactant effect on the buoyancy-driven motion of bubbles and drops in a tube // Ann. N. Y Acad. Sci. 2004. № 1027. P. 330–341. doi: 10.1196/annals.1324.028
  12. Hessenkemper H., Ziegenhein T., Lucas D., Tomiyama A. Influence of surfactant contaminations on the lift force of ellipsoidal bubbles in water // Int. J. Multiphase Flow. 2021. V. 145. P. 103833. doi: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103833
  13. Li Shao-bai, Fan Jun-geng, Li Run-dong, Wang Lei, Luan Jing-de. Effect of surfactants on hydrodynamics characteristics of bubble in shear thinning fluids at low Reynolds number // J. CENT SOUTH UNIV. 2018. V. 25. P. 805–811. doi: 10.1007/s11771-018-3785-9
  14. Takemura F., Yabe A. Rising speed and dissolution rate of a carbon dioxide bubble in slightly contaminated water // J. Fluid Mech. 1999. V. 378. P. 319–334. doi: 10.1017/S0022112098003358
  15. Архипов В.А., Васенин И.М., Усанина А.С. Динамика всплытия пузырька в присутствии поверхностно-активных веществ // Изв. РАН. МЖГ. 2016. № 2. С. 142–151. doi: 10.7868/S0568528116020067
  16. Бушуева К.А., Денисова М.О., Зуев А.Л., Костарев К.Г. Развитие течения на межфазной поверхности пузырьков и капель в присутствии ПАВ // Конвективные течения. 2007. С. 139–154.
  17. Донцов В.Е. Процессы растворения и гидратообразования за ударной волной в жидкости с пузырьками из смеси азота и углекислого газа при наличии поверхностно-активного вещества // Ти А. 2009. Т. 16. № 1. С. 89–101.
  18. Tagawa Y, Takagi S., Matsumoto Y. Surfactant effect on path instability of a rising bubble // // J. Fluid Mech. 2014. Vol. 738. P. 124–142. doi: 10.1017/jfm.2013.571
  19. Horowitz M., Williamson C.H.K. The effect of Reynolds number on the dynamics and wakes of freely rising and falling spheres // // J. Fluid Mech. 2010. V. 651. P. 251–294. doi: 10.1017/S0022112009993934
  20. Wu M., Gharib M. Experimental studies on the shape and path of small air bubbles rising in clean water // Phys. Fluids. 2002. Vol.16. No 7. P. 49–52. doi: 10.1063/1.1485767
  21. Козелков А.С., Ефремов В.Р., Дмитриев С.М., Куркин А.А., Пелиновский Е.Н., Тарасова Н.В., Стрелец Д.Ю. Исследование особенностей всплытия пузырьков воздуха и твердых сфер // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2018. Т. 11. № 4. С. 73–80. doi: 10.7868/S2073667318040093
  22. Ryskin G., Leal L.G. Numerical solution of free-boundary problems in fluid mechanics. Part 3. Bubble deformation in an axisymmetric straining flow // J. Fluid Mech. 1984. V. 148. Р. 37–43. doi: 10.1017/S0022112084002238
  23. Rusche H. Computational fluid dynamics of dispersed two-phase flows at high phase fraction. PhD Thesis, 2002.
  24. Griffith R. The effect of surfactants on the terminal velocity of drops and bubbles // Chem. Eng. Sci. 1962. Vol. 17. P. 1057–1070. doi: 10.1016/0009–2509(62)80084–0
  25. Harper J. Stagnant-cap bubbles with both diffusion and adsorption rate-determining // J. Fluid Mech. 2004. V. 521. P. 115–123. doi: 10.1017/S0022112004001843
  26. Dukhin S.S., Kovalchuk V.I., Gochev G.G., Lotfi M., Krzan M., Malysa K., Miller R. Dynamics of rear stagnant cap formation at the surface of spherical bubbles rising in surfactant solutions at large Reynolds numbers under conditions of small Marangoni number and slow sorption kinetics // Adv. Colloid Interface Sci. 2015. V. 222. P. 260–274. doi: 10.1016/j.cis.2014.10.002
  27. Manikantan H., Squires T.M. Surfactant dynamics: hidden variables controlling fluid flows // J. Fluid Mech. 2020.V. 892. P. 1–115, doi: 10.1017/jfm.2020.170
  28. Pesci C., Weiner A., Marschall H., Bothe D. Computational analysis of single rising bubbles influenced by soluble surfactant // J. Fluid Mech. 2018. V. 856. P. 709–763. doi: 10.1017/jfm.2018.723
  29. Определение критической концентрации мицеллообразования. Межгосударственный стандарт. М.: Издательство стандартов. 2004. 7 с.
  30. Chen J., Hayashi K., Legendre D., Lucas D., Tomiyama A. Effect of surfactant on lift coefficient of ellipsoidal bubbles in the viscous-force dominant regime // Multiphase Science and Technology. 2023. V. 35. № 1. P. 55–68. doi: 10.1615/MultScienTechn.2023046718
  31. Aoyama S., Hayashi K., Hosokawa S., Tomiyama A. Shapes of single bubbles in infinite stagnant liquids contaminated with surfactant // Exp. Therm Fluid Sci. 2018.V. 96. P. 460–469. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2018.03.015
  32. Hayashi K., Tomiyama A., Effects of surfactant on lift coefficients of bubbles in linear shear flows// Int. J. Multiphase Flow. 2018. V. 99. P. 86–93. doi: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2017.10.003
  33. Langmuir I. The constitution and fundamental properties of solids and liquids. II. Liquids // ACS. 1917. V. 38, 1848–1906. doi: 10.1021/ja02254a006
  34. Chang C.-H. Franses E.I. Adsorption dynamics of surfactants at the air/water interface: a critical review of mathematical models, data, and mechanisms // Coll. Surf., A: Physicochem., Eng. Aspects. 1995. V. 100. P. 1–45. doi: 10.1016/0927–7757(94)03061–4
  35. Scriven L.E. Dynamics of a fluid interface Equation of motion for Newtonian surface fluids // Chem. Eng. Sci. 1960. V. 12. I. 2. P. 98–108. doi: 10.1016/0009-2509(60)87003-0
  36. Stone H.A. A simple derivation of the time‐dependent convective‐diffusion equation for surfactant transport along a deforming interface // Phys. Fluids A: Fluid Dynamics. 1992. V. 2. P. 111–112. doi: 10.1063/1.857686
  37. Langmuir I. The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum // ACS. 1918. V. 40. I. 9. P. 1361–1401. doi: 10.1021/ja02242a004
  38. Борзенко Е.И., Шрагер Г.Р. Течения неньютоновской жидкости со свободной поверхностью. Томск: Издательство ТГУ, 2022. 208 с.
  39. Patankar S.V. Numerical heat transfer and fluid flow. New York: Hemisphere Publishing Corporation. 1980. 197 p.
  40. Васенин И.М., Сидонский О.Б., Шрагер Г.Р. Численное решение задачи о движении вязкой жидкости со свободной поверхностью // Доклады АН СССР. 1974. V. 217. № 2. P. 295–298.
  41. Wakao N. Particle-to fluid transfer coefficients and fluid diffusivities at low flow rate in packed beds // Chem. Eng. Sci. 1976. V.31. P. 1115–1122. doi: 10.1016/0009-2509%2876%2985021-x.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024