水平分布三氣泡運(yùn)動特性研究

1、水平分布三氣泡運(yùn)動特性研究摘要 為研究孔徑、間距對三氣泡運(yùn)動特性的影響規(guī)律，本文利用高速相機(jī)和粒子圖像測速儀觀察三噴嘴 氣泡的運(yùn)動過程，分析間距與孔徑對三氣泡的軌跡、速度、偏移量的影響，并與單氣泡和雙氣泡進(jìn)行對比，獲 得間距與孔徑對氣泡的影響規(guī)律以及流場對氣泡的運(yùn)動影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣泡數(shù)目的增多會使氣泡運(yùn)動軌 跡更加復(fù)雜；氣泡間距和孔徑的增大或減小，對氣泡的速度、流場、偏移量和運(yùn)動軌跡都會產(chǎn)生影響。關(guān)鍵詞 高速攝影法，粒子圖像測速技術(shù)，氣泡行為，兩相流，氣泡軌跡THE MOVEMENT OF THREE BUBBLES IN HORIZONTAL DISTRIBUTIONAbstract

2、In order to study the influence of the aperture and the spacing on the motions of three bubbles, a high-speed camera and the particle image velocimetry technology are used to study the motions of three nozzle bubbles. The effects of the spacing and the aperture on the trajectory, the velocity and th

3、e offset of the three bubbles are analyzed. Compared with the cases of a single bubble and two bubbles, the influences of the spacing and the aperture on the bubbles and the flow are determined, along with the effect of the field on the motion of the bubbles. The experimental results show that the i

4、ncrease of the bubble number will make the bubble trajectory more complex; the increase or decrease of the bubble spacing and the pore size will change the bubble velocity, the flow field, the offset and the trajectory.Key words high speed photography, particle image measurement technology, bubble b

5、ehavior, two phase flow, bubble trajectory由于氣泡在許多自然和工業(yè)應(yīng)用中的相關(guān)性，液 體中氣泡上升的動力學(xué)一直是研究的活躍領(lǐng)域。單氣 泡的運(yùn)動軌跡和速度變化不大，而雙氣泡、多氣泡使 得氣泡運(yùn)動特性更加復(fù)雜。閆紅杰等1采用高速攝 像機(jī)拍攝靜水中的單氣泡，觀察到氣泡運(yùn)動軌跡呈 直線型、之字型、螺旋型3種形態(tài)，球形氣泡終速度 最小，球帽形氣泡終速度最大。Chew等利用高速 攝影技術(shù)研究了兩個振蕩的大小不同的氣泡之間的 相互作用，發(fā)現(xiàn)朝向彼此噴射、彼此遠(yuǎn)離噴射、氣泡 聚結(jié)和稱為催化效應(yīng)的行為這四種行為。Sanada 等3使用高速攝像機(jī)研究了并排上升一對氣泡的運(yùn)

6、 動和尾流，得到了氣泡反彈的臨界雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù), 并且觀察到，氣泡反復(fù)跳動的行為受單個氣泡的尾 部不穩(wěn)定性的影響很大。Rana等囹使用高速攝像機(jī) 觀察三個不同間距和孔徑的水平氣泡，發(fā)現(xiàn)氣泡聚并 之間液膜對聚并的影響。鞏子琦等5利用高速攝相機(jī)和粒子圖像測速儀(particle image measurement, PIV)研究了單氣泡上升過程中形狀變化和速度間 的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氣泡變大，速度波動頻率變大，周期 變小。研究現(xiàn)有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),采用高速攝像機(jī)研究氣泡的 運(yùn)動特性，主要集中在單氣泡I6-7和雙氣泡I8。,三 氣泡研究甚少。以往三氣泡的研究大多集中于利用 不同方法對三氣泡模擬研究，或者是關(guān)于豎直放

7、置 三氣泡間的聚并研究US 一些利用高速攝像機(jī)拍攝 水平放置三氣泡也主要是研究氣泡的碰撞、聚并3, 對于上升過程當(dāng)中的運(yùn)動軌跡變化、速度變化研究 較少。并且PIV研究大多針對單氣泡。因此，本文 采用高速攝像機(jī)和PIV拍攝研究三氣泡，分析其在 上升過程中的運(yùn)動特性，并和單氣泡，雙氣泡運(yùn)動特 性對比，分析不同孔徑及間距對氣泡上升過程中的 運(yùn)動軌跡、速度、流場及偏移量的影響規(guī)律，采用偏 移比對氣泡偏移量定量描述。1實(shí)驗(yàn)方案1.1實(shí)驗(yàn)裝置及系統(tǒng)如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置用來研究水下三氣泡的 生成特性，注射泵處的氣體經(jīng)空心鋼管與噴嘴相連, 在噴嘴處生成氣泡，其中空心鋼管處的止回閥可以 防止液體倒流，通過LED

8、水平光源對水箱進(jìn)行補(bǔ)光 并利用硫酸紙進(jìn)行柔光處理，使用高速攝像機(jī)拍攝 氣泡的運(yùn)動圖像并傳入計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)/實(shí)驗(yàn) 容器/Z水計(jì)算機(jī)/實(shí)驗(yàn) 容器/Z水/O。O弘O o o/光源硫酸紙精密注射泵圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)水箱為有機(jī)玻璃容器，尺寸為80 cm x40 cm x 20 cm，水箱底部開孔，于孔中塞入橡皮 塞，并在橡皮塞中布設(shè)不同孔徑噴嘴，噴嘴高度為 20mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，可以更換三種不同的孔徑, 分別為r = 0.99, 2.46, 3.94 mm三種工況。實(shí)驗(yàn)在室 溫環(huán)境下進(jìn)行，利用空氣作為氣泡中的氣體，容器中 的液體使用純凈水，液體高度為250 mm。為了保證 氣泡的連續(xù)性，注射泵和噴

9、嘴的連接使用空心鋼管。 氣體由精密注射泵提供，額定功率24 W,額定電壓 240 V/50 Hz,排氣量最大可達(dá)80 mL/min。本文所使用的拍攝設(shè)備為IDT公司的Y7-S3型 高速攝像機(jī)，其最大分辨率為1920 x 1080,最大分辨 率下的最大幀數(shù)為12 300 FPS,當(dāng)分辨率為1920 x 8 時(shí)，可以達(dá)到其最大幀數(shù)300000 FPS。利用Motion Studio(圖像采集及處理)軟件對高速攝像機(jī)參數(shù)進(jìn) 行設(shè)置，本文高速攝像機(jī)參數(shù)均設(shè)置為100 FPS,曝 光時(shí)間20 3。為了預(yù)防LED光源照射在有機(jī)玻璃 上形成反光，需要利用硫酸紙貼在有機(jī)玻璃上，硫酸 紙也會使相機(jī)所拍攝的圖片背

10、景光更加均勻、柔和。本文使用PIV系統(tǒng)拍攝，激光器型號為Vlite- 380,熒光粒子粒徑在115 m,密度為0.25 g/mL。 攝像機(jī)最大分辨率為2448 x 2050,采用25 mm光 圈。利用MicroVec軟件設(shè)置參數(shù)，跨幀時(shí)間最小可 以設(shè)置為1 3,工作頻率在115 Hz。本文跨幀時(shí) 間設(shè)置1500 3，工作頻率為5 Hz,利用Tecplot軟 件處理PIV系統(tǒng)拍攝速度場圖片，得到氣泡周圍速 度場。1.2圖像處理圖2的后處理圖像是通過Image-Pro Plus(IPP) 軟件所處理。IPP軟件可以自動識別并分離圖像邊 緣區(qū)域，當(dāng)圖像邊緣區(qū)域過于復(fù)雜時(shí)，也可以通過手 動識別確定。通

11、過IPP軟件，可以測量區(qū)域物體的 坐標(biāo)、距離、面積等數(shù)據(jù)。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2.1氣泡運(yùn)動軌跡2.1.1 氣泡運(yùn)動軌跡分析方法通過高速攝像機(jī)的幀數(shù)可以得到每幀圖片的時(shí) 間間隔，利用IPP軟件可以自動跟蹤氣泡的運(yùn)動軌 跡，并得出氣泡的坐標(biāo)。圖3所示為IPP軟件跟 蹤氣泡自動生成的軌跡圖。圖4所示為兩幀圖片中圖2 IPP軟件選取的AOIOD a a o o o on0DDO 8 nsnnA-圖3 IPP圖2 IPP軟件選取的AOIOD a a o o o on0DDO 8 nsnnA-同一氣泡質(zhì)心位置變化圖，根據(jù)兩幀的質(zhì)心位置變 化和時(shí)間間隔可以算出氣泡的速度Vn+1 = 式中，況為每幀圖片的時(shí)間間

12、隔，d為兩氣泡質(zhì)心 間距。圖4氣泡速度計(jì)算示意圖2.1.2圖4氣泡速度計(jì)算示意圖圖5為通過PIV系統(tǒng)獲取的速度場，對氣泡周 圍區(qū)域局部放大，得到放大的矢量圖。圖中箭頭是利 用熒光粒子顯現(xiàn)出的水流運(yùn)動方向，標(biāo)尺中的每個 顏色對應(yīng)著一個流體運(yùn)動速度大小。分析圖5可知, 上升氣泡會引起流體流速改變；由于氣泡上升過程 中帶動周圍流體運(yùn)動，氣泡的上端和下端存在最大 流體流速，其方向也和氣泡上升方向一致；氣泡的左 右兩側(cè)的流體流速則較小，且方向和氣泡上升方向 相反。由此可知：氣泡在上升過程中，會將氣泡上端流 體排開，這部分被排開的流體則沿著氣泡兩端流向 氣泡下端，最終在氣泡下端匯攏，填補(bǔ)氣泡上升過后 的空

13、位，形成了圖示的速度場。觀察發(fā)現(xiàn)，氣泡上升 過程中，在氣泡的左右兩側(cè)各有一個漩渦，這是流體 從上向下運(yùn)動所產(chǎn)生的。(a) PIV速度場圖圖5 PIV和氣泡速度場圖(a) PIV速度場圖(b)氣泡速度場圖圖5 PIV和氣泡速度場圖(續(xù))2.1.3不同間距情況氣泡運(yùn)動軌跡對于噴嘴內(nèi)徑為2.46 mm,氣體流量為40 mL/min情況，分別拍攝單孔、雙孔間距20 mm以 及噴嘴間距為di = 10, 20, 30 mm這5種實(shí)驗(yàn)情況。 圖5是通過實(shí)驗(yàn)所得圖片利用IPP軟件分析得到的 不同情況氣泡上升軌跡。分析圖6(a)和圖6(b)，發(fā)現(xiàn)單氣泡的運(yùn)動軌跡 并非直線型，還存在著一定幅度的左右震蕩；雙氣

14、泡左右兩個氣泡偏離間距變大，有向外擴(kuò)張的趨勢, 運(yùn)動軌跡相對于單氣泡震蕩幅度更大，為了觀察不 同間距變化對三氣泡的影響，固定中氣泡和右氣泡 的間距為d2 = 20 mm不變，通過改變左氣泡的位 置來調(diào)整左氣泡和中氣泡及右氣泡的間距，來研究 三氣泡的運(yùn)動軌跡變化情況。對圖6(c)6(e)分析, 當(dāng)間距di = 10 mm時(shí)，左氣泡和中氣泡周圍渦流 產(chǎn)生重疊13,間距變小，右氣泡受到重疊渦流影響, 運(yùn)動軌跡表現(xiàn)為向左偏移。當(dāng)間距di = 20 mm時(shí), 右氣泡和左氣泡產(chǎn)生的渦流一致，使得中氣泡的運(yùn) 動受到抑制4,左右震蕩幅度變小，左氣泡和右氣 泡具有向兩邊擴(kuò)張的趨勢。當(dāng)間距di = 30 mm時(shí)，

15、x/mmx/mm(b) d = 20 mmx/mm(c) di / 10 mm, d2 / 20 mmx/mm(d) d1 / 20 mm, d2 / 20 mm圖6不同間距氣泡上升軌跡12040 o o o o o O - 0 8 6 4 2101-02_口左氣泡 O中氣泡右氣泡40120(e) di / 30 mm, d2 / 20 mm圖6不同間距氣泡上升軌跡(續(xù))單獨(dú)的左氣泡運(yùn)動軌跡接近單氣泡運(yùn)動軌跡，中氣 泡和右氣泡運(yùn)動軌跡接近雙氣泡運(yùn)動軌跡?？梢钥闯觯S著氣泡數(shù)的增多，氣泡的運(yùn)動軌跡 更加復(fù)雜。當(dāng)氣泡上升時(shí)，隨著間距減小，氣泡之間 渦流重疊區(qū)域更多，氣泡相互靠攏；間距增大時(shí)，氣 泡

16、之間渦流重疊更少，相互之間影響更小，運(yùn)動軌跡 越接近單氣泡。2.1.4不同孔徑情況氣泡運(yùn)動軌跡當(dāng)噴嘴間距均為20 mm時(shí)，研究孔徑r = 0.99、 2.46、3.94 mm的3種情況，氣泡運(yùn)動軌跡如 圖7所示。當(dāng)噴嘴孔徑r = 0.99 mm時(shí)(圖7(a), 左氣泡對中氣泡和右氣泡的影響不大，中氣泡受到 右氣泡的影響更大，具有向左偏移的趨勢；當(dāng)噴嘴孔 徑r = 2.46 mm時(shí)(圖7(b)，兩邊氣泡孔徑相同，間 距相同，中氣泡受到兩邊氣泡影響一致，因此左右震 蕩的幅度變小，而左氣泡和右氣泡有向外擴(kuò)張趨勢。 當(dāng)噴嘴孔徑r = 3.94 mm時(shí)(圖7(c)，左氣泡渦流 變大使中氣泡向右偏移變大，

17、中氣泡和右氣泡渦流 重疊區(qū)域變大，氣泡間相互吸引，間距逐漸變小，由 于中氣泡和右氣泡渦流重疊區(qū)域變大，反過來使得 左氣泡受到的渦流影響變大，因此左氣泡向右偏移 量逐漸變大。分析可知，當(dāng)氣泡間距不變時(shí)，隨著噴嘴孔徑逐 漸變小，中氣泡和右氣泡受到的影響越小，左氣泡越 接近單氣泡的運(yùn)動軌跡，中氣泡和右氣泡越接近雙 氣泡運(yùn)動軌跡。隨著噴嘴孔徑逐漸變大，中氣泡和右 氣泡受到的影響越大，間距越小。LULU000642。-40120LULULULU10080604020 0.99 mm 氣泡一。一2.46 mm 氣泡 O 2.46 mm 氣泡01-0240r = 0.99 mm一口一左氣泡 一。一右氣泡 -

18、0-中氣泡0-40 -30 -20 -10010203040 x/mm(b) r = 2.46 mm120100806040200 3.94 mm 氣泡一。一2.46 mm 氣泡O 2.46 mm 氣泡-40 -30 -20 -10010203040 x/mm(c) r = 3.94 mm圖7不同孔徑氣泡上升軌跡2.2氣泡偏移比氣泡上升過程中不光在豎直方向受到浮升力和 液體黏性阻力的作用，在水平方向還受到Bernoulli 效應(yīng)和Magnus力的共同作用，因此氣泡會在中心 軸線附近不停震蕩。氣泡左右震蕩時(shí)，會產(chǎn)生向左的最大位移和向右的最大位移，即左最大偏移量和右 最大偏移量。其中，偏移量的大小

19、由偏移比來表示。分析圖8間距20 mm,孔徑2.46 mm的情況。 左氣泡的左最大偏移量為xi，右最大偏移量為X2, 中氣泡的左最大偏移量為X3，右最大偏移量為X40 左氣泡和中氣泡之間的偏移比最小偏移比=x 100%x最大偏移比=X1 + X4 x 100%(3)x式中，x為左氣泡和中氣泡的間距。氣泡上升時(shí)，形狀不停變化，導(dǎo)致氣泡周圍渦流 不停地變化。因此，每個氣泡在上升過程中受到渦流 的影響都不同，氣泡運(yùn)動軌跡也就不一致。為了得到 較為準(zhǔn)確的偏移量值，對單氣泡、雙氣泡、噴嘴間距 d1 = 10，20，30 mm，孔徑 r = 0.99，2.46，3.94 mm 這8種情況分別提取30個氣泡

20、作為分析對象。例 如單氣泡，選取連續(xù)30個氣泡分析，計(jì)算出每個氣 泡上升過程中的向左最大偏移量和向右最大偏移量， 統(tǒng)計(jì)得到30個氣泡的向左和向右最大偏移量的中位 數(shù)，作為單氣泡的計(jì)算偏移量值。表中左最小偏移比 表示左氣泡和中氣泡之間最小偏移比，右最小偏移 比表示中氣泡和右氣泡之間最小偏移比。計(jì)算結(jié)果 如表1所示。圖8氣泡偏移量表1不同情況下氣泡偏移比選取的氣泡單氣泡選取的氣泡雙氣泡左偏移量/mm-2.5632最小偏移比/%25.57右偏移量/mm3.130最大偏移比/%39.91選取的三氣泡不同間距/mm不同孔徑/mmdi = 10di = 20di = 30r = 0.99r = 2.46r

21、 = 3.94左最小偏移比/%100.2734.5232.7939.7334.5239.32左最大偏移比/%66.8140.8525.3033.3340.8540.93右最小偏移比/%44.7134.5145.1736.6034.5149.68右最大偏移比/%36.7239.3730.1129.4739.3723.87從表1可以看出，由于單氣泡主要受到自身和 上個氣泡渦流的影響，所以單氣泡的左偏移量和右 偏移量差距不大；雙氣泡由于互相間渦流的作用，使 得兩個氣泡產(chǎn)生排斥的現(xiàn)象，因此雙氣泡的最大偏 移比大于最小偏移比。三氣泡間距di = 10 mm時(shí)，左最小偏移比超過 了 100%，因此左氣泡和

22、中氣泡有相互碰撞的可能; 對比間距d1 = 20 mm和d1 = 30 mm兩組的左最小 偏移比兩組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴間距的變小，最小偏 移比越大，左氣泡和中氣泡碰撞的可能性越大，并且 左最大偏移比越大，最大間距越大。三氣泡的噴嘴孔徑r = 0.99 mm時(shí)，左氣泡體 積小，受到中氣泡大體積氣泡的影響，逐漸向中氣泡 運(yùn)動，因此左最小偏移比大于r = 2.46 mm時(shí)的左 最小偏移比，左最大偏移比小于r = 2.46 mm時(shí)的 左最大偏移比；當(dāng)r = 3.94 mm時(shí)，左氣泡體積更 大，產(chǎn)生的渦流越大，因此中氣泡受到左氣泡的影響 更大，相互之間的吸引排斥更大，所以左最小偏移比 和最大偏移比幾乎一

23、致，并且中氣泡向右偏移更多, 即右最小偏移比大于r = 2.46 mm時(shí)的右最小偏移 比，右最大偏移比小于r = 2.46 mm時(shí)的右最大偏 移比。2.3氣泡速度氣泡在上升過程中，由于受到很多力的作用, 其形狀會在橢圓形，球形，以及球帽型之間不停變 換，氣泡受其影響在上升過程中速度也會不斷改變。圖9是不同情況下氣泡速度變化圖，以及速度趨勢 線。由于雙氣泡具有對稱性，選取左氣泡作為研究對 象，三氣泡統(tǒng)一選取中氣泡作為研究對象，圖9(a)中 的三氣泡選取孔徑r = 2.46 mm，間距di = 20 mm。54320. 0. .0 0.0.510020030040054320. 0. .0 0.0

24、.5100200300400t/ms(a)氣泡不同個數(shù)單氣泡雙氣泡1三氣泡0.4廠0.3ss0.4廠0.3ss 0.20.1100200300400t/ms(b)氣泡不同間距100200300400t/ms(c)氣泡不同孔徑100200300400t/ms(c)氣泡不同孔徑54320. 0. .0 0.(IS.UI) - P圖9氣泡運(yùn)動速度隨時(shí)間變化圖9(a)表示不同氣泡個數(shù)情況下氣泡上升速度 改變情況。對圖9(a)分析：雙氣泡的終速度大于單 氣泡的終速度，三氣泡的終速度最小。這是由于雙氣 泡的左氣泡左側(cè)生成了一個逆時(shí)針方向的漩渦，右 氣泡的右側(cè)生成了一個順時(shí)針方向的漩渦，使得氣 泡受到向外運(yùn)動的裹挾力，速度增加IM。三氣泡的 中氣泡由于兩側(cè)氣泡的渦流抑制，而速度變小。圖9(b)是