3D high-speed photography for characterization of drag and lift fluctuations of a single rising bubble

Abstract

Understanding the bubble motion in fluids is a topic of great interest in multiple applications in nature because of the significant impact and influence that this type of phenomenon has in numerous fields of engineering and science. In nuclear reactors, where the heat transfer process is relevant, accurate measurements to characterize the principal parameters involved in bubble hydrodynamics are required. Unfortunately, there is still a lack of pertinent information, specifically, data for large and deformable bubbles regarding drag, lift, and terminal velocity. This information is essential for improving numerical models of processes where bubbles are encountered. In this work, a 3D experimental study using high-speed photography and the PIV technique was performed to characterize the principal parameters of the bubble such as shape, terminal velocity, drag, and lift in distilled water (DW), tap water at 50 ppm (TW1) and 100 ppm (TW2). Bubble diameters ranging from 0.6 to 3.6 mm were released with the help of an experimental setup that was designed and built to have driven-buoyancy bubbles, typically. Dimensionless parameters in the range of 90 <Re< 1500, 0.03 < Eo < 3, 0.02 < We < 5 and Morton number for water of 2.4x1011 were obtained. The software DynamicStudio v6.11 was used to control the image acquisition system and to process the data on the bubble hydrodynamics. Applying the vector projection theory, the resultant force vector was projected onto the bubble relative velocity to compute the drag and lift forces and their coefficients. The inertial, added mass, and buoyancy forces acting on the bubble were considered. It was found that bubble deformation greatly impacted the bubble rising velocity, which mainly affects the bubble drag and lift forces. A small reduction in the terminal velocity of bubbles larger than 1.4mm was observed for TW2 compared to distilled water. The continuous deformation was the main reason for the high fluctuations in the bubble drag force and coefficient. The capability of the correlations used in this work to provide an accurate prediction of the drag coefficient was questioned because of significant differences found between the predicted and experimental values for the drag coefficient. In releases of bubbles of 2.6 mm and 3.6 mm in diameter, high lift generation was observed. This, together with all inertia changes present in the bubble motion, are not taken into account in the correlations. Even though in the literature, it has not been clearly stated the importance of lift forces for freely rising deformable bubbles, to the best of our knowledge, there are no previous correlations for the lift coefficient in these cases. Besides, the PIV results helped identify vortexes, wake structures, and the influence of the fluid, which can be relevant to define possible bubble trajectories along time. A further study is highly recommended to analyze the possible factors affecting the bubble generation and deformation since they play an essential role in the bubble motion, which affects the rising velocity along its trajectory. The results of this study could be of great help to propose a new correlation considering the effect of the fluctuations observed in all datasets and to achieve better predictions for the drag coefficient.

Comprender el movimiento de las burbujas en los fluidos es un tema de gran interés en múltiples aplicaciones en la naturaleza debido al importante impacto e influencia que este tipo de fenómenos tiene en numerosos campos de la ingeniería y la ciencia. En los reactores nucleares, donde el proceso de transferencia de calor es relevante, se requieren mediciones precisas para caracterizar los principales parámetros involucrados en la hidrodinámica de burbujas. Desafortunadamente, todavía hay una falta de información pertinente, específicamente, datos para burbujas grandes y deformables con respecto a la resistencia, la sustentación y la velocidad terminal. Esta información es esencial para mejorar los modelos numéricos de procesos donde se encuentran burbujas. En este trabajo, se realizó un estudio experimental 3D utilizando fotografía de alta velocidad y la técnica PIV para caracterizar los principales parámetros de la burbuja como forma, velocidad terminal, arrastre y levantamiento en agua destilada (DW), agua del grifo a 50 ppm. (TW1) y 100 ppm (TW2). Los diámetros de burbujas que van de 0,6 a 3,6 mm se lanzaron con la ayuda de una configuración experimental que fue diseñada y construida para tener burbujas de flotabilidad impulsadas, típicamente. Se obtuvieron parámetros adimensionales en el rango de 90 <Re <1500, 0.03 <Eo <3, 0.02 <We <5 y un número de Morton para el agua de 2.4x1011. El software DynamicStudio v6.11 fue usado para controlar el sistema de adquisición de imágenes y procesar la información sobre la hidrodinámica de la burbuja. Usando la teoría de proyección vectorial, el vector de fuerza resultante se proyectó sobre la velocidad relativa de la burbuja para calcular las fuerzas de arrastre y sustentación y sus coeficientes. Se consideraron las fuerzas de inercia, masa agregada y flotabilidad que actúan sobre la burbuja. Se encontró que la deformación de la burbuja tuvo un gran impacto en la velocidad de ascenso de la burbuja, que afecta principalmente a las fuerzas de arrastre y elevación de la burbuja. Se observó una pequeña reducción en la velocidad terminal de burbujas de más de 1,4 mm para TW2 en comparación con el agua destilada. La deformación continua fue la razón principal de las altas fluctuaciones en la fuerza y el coeficiente de arrastre de las burbujas. Se cuestionó la capacidad de las correlaciones utilizadas en este trabajo para proporcionar una predicción precisa del coeficiente de resistencia debido a las diferencias significativas encontradas entre los valores predichos y experimentales para el coeficiente de resistencia. En las emisiones de burbujas de 2,6 mm y 3,6 mm de diámetro, se observó una alta generación de sustentación. Esto, junto con todos los cambios de inercia presentes en el movimiento de la burbuja, no se tienen en cuenta en las correlaciones. Aunque en la literatura no se ha establecido claramente la importancia de las fuerzas de sustentación para burbujas deformables que se elevan libremente, hasta donde sabemos, no existen correlaciones previas para el coeficiente de sustentación en estos casos. Además, los resultados de PIV ayudaron a identificar vórtices, estructuras de estela y la influencia del fluido, que pueden ser relevantes para definir posibles trayectorias de burbujas a lo largo del tiempo. Se recomienda un estudio adicional para analizar los posibles factores que afectan la generación y deformación de la burbuja, ya que juegan un papel esencial en el movimiento de la burbuja, lo que afecta la velocidad ascendente a lo largo de su trayectoria. Los resultados de este estudio podrían ser de gran ayuda para proponer una nueva correlación considerando el efecto de las fluctuaciones observadas en todos los conjuntos de datos y lograr mejores predicciones para el coeficiente de arrastre.