水下上升气泡对浮体稳定性的影响研究

发布时间：2020-08-28 10:00

　　 近年来,随着湖库、河流的下穿工程、水下管道输送工程以及海洋的海底资源开发等活动的迅猛发展,水下工程的主动排气、被动泄露以及自然界本身存在的水底有机物分解后的气体排放等现象也随之增多。在这一过程中,存在一个并未引起广泛关注的潜在危险,即:水下气体在排放至接近水面时,如果在气泡出露区域水面存在浮体,则浮体受大量上升气泡影响可能存在失稳或倾覆的危险。本研究即是在这种背景下,通过理论分析及物理模型试验等方法,对水下上升气泡对水面浮体稳定性的影响机理进行研究,以期为未来此类问题的风险评估和预防提供一定的基础数据支撑。首先,本文进行了水中气泡产生和上浮运动的理论基础研究,根据气泡的体积对气泡进行受力平衡的分析,分析了孔口气泡产生时所受的几种力。研究了在气泡生成的过程中,影响其直径的主要因素有孔口直径、气体流量以及液体的物理性质等,并分析了气泡的形状及影响因素和气泡的上浮运动规律。其次,本文进行了水下上升气泡运动规律的试验研究,通过试验得出:在气体流量一定时,通过改变气孔内径,气泡脱孔直径随着气孔内径的增大而变大;在气孔一定时,通过改变气体流量,气泡脱孔直径随着气体流量的增大而变大,而气泡脱离时间随着气体流量的增大而变短;当气体流量为定值时,气泡脱孔直径随着水温的升高而变小,气泡脱离时间随着水温的升高而变短;气泡在上浮的过程中,仅在刚刚脱离的一瞬间发生急加速,之后做近似匀速运动,而气泡的上浮速度与其直径有关;通过软件提取气泡在上浮运动中不同时刻的坐标点,做出气泡的轨迹线图,发现其以“螺旋”状上升。最后,本文进行了水下上升气泡对浮体稳定性影响的试验研究,通过试验得出:气体引入液体形成气泡,会导致气液混合物的平均密度降低,影响气液混合物的平均密度的主要因素是气体流量;对于密度相同的正方体浮体,体积越小失稳倾角越大,其晃动的越剧烈;对于大小相同的正方体浮体,密度越小失稳倾角越大,其晃动的越剧烈,但是密度越大吃水深度相对变化量越大;对于同一正方体浮体,气体流量越大浮体失稳倾角越大,其晃动的越剧烈,吃水深度相对变化量也越大;对于同一正方体浮体,在气体流量一定时,生成的气泡直径越大浮体失稳倾角越大,其晃动的越剧烈。由此可知影响浮体稳定性的主要因素是气体流量、气泡大小、浮体的体积以及浮体的密度,而当气体流量大到一定量时,可以使浮体下沉。
【学位单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U661.3
【部分图文】：

技术路线图

图 2-1 气泡在孔口膨胀和脱离Fig. 2-1 Bubble expansion and detachment at orifice的过程中，可以根据气泡的体积对气泡进行受力平衡的有以下四种[37-38]：f ：由气体、液体之间的密度差产生的，FVgfg()1 V 为气泡的体积，1 ，g 分别为液体和气体的密度。力 F ： 0F d0d 为孔口的直径。

图 2-2 气体体积流量和孔口直径对生成气泡体积的影响2 The influence of gas volume flow rate and orifice diameter on bubble性质对气泡生成的大小也有影响，这里主要考虑到液体的。液体的表面张力对气泡的产生以及缩颈的全过程都能产气体流量非常小时其对气泡生成体积的影响才更大，当气体表面张力对气泡生成体积的影响就忽略不计了，见图 2-3。

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本文编号：2807436