单个气泡上升行为的可视化实验研究

发布时间：2021-09-06 00:15

　　采用高速摄相机和粒子图像测速技术（PIV技术）对静水中单个气泡的上升行为进行了观测探究。通过分析实验数据发现了气泡的形状变化与其上升速度间的关系:气泡形状越扁平,上升速度越快。此外,随着生成气泡的针头内径变大,生成气泡的尺寸也会随之增大,但其平均上升速度会随针头内径的增大而先减小后增大。通过对比分析不同工况下的实验数据发现:气泡在半径为2.2～2.3mm之间时,具有最小上升速度,约为0.22m/s。通过对气泡上升速度函数进行傅里叶分析发现了气泡上升速度的波动周期与气泡大小之间的关系:气泡越大,速度波动频率越大,波动周期越小。通过PIV技术对静水中上升气泡周围的流场进行逐帧分析,发现气泡周围周期性的出现环状流场,并总结得出了气泡上升方向与流场变化间的联系。 

【文章来源】：核科学与工程. 2019,39(06)北大核心CSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

实验设备简图

PIV技术采集气泡图像及后续实验数据的处理流程如图2所示。在一个工作循环中，高速相机曝光两次：第一帧图像在背光下拍摄，用于分析上升气泡的形态；第二帧图像在激光照射下拍摄，用于分析上升气泡周围的流场。背光灯开启的时间为300us，激光开启时间为2us，二者工作间隙分别为200us和498us。重复上述工作流程并在1.5s内拍摄1 500帧图像。实验环境为常温常压（温度约为27℃，压力约为101kPa）。背光灯开启时，因空气和水的折射率不同，上升气泡的轮廓会清晰呈现在图像中。随后对所得背光图像进行二值化处理，得到图2中所示的黑白像素图。二值化处理过程如图3所示，剔除像素值大于219和小于22的点，并且将像素值变化梯度大于2.98%的位置设定为边界。随后利用DynamicStudio6.2软件中闭合图形的方法，填充偶尔出现的气泡空心（例如图3最终图像中位于气泡中心的白色空心）。此800×1920像素点的黑白图像后续有两方面应用：其一为添加进流场矢量图像中用以表示上升气泡周围的流场，其二为导入MATLAB软件计算气泡上升速度。

背光灯开启时，因空气和水的折射率不同，上升气泡的轮廓会清晰呈现在图像中。随后对所得背光图像进行二值化处理，得到图2中所示的黑白像素图。二值化处理过程如图3所示，剔除像素值大于219和小于22的点，并且将像素值变化梯度大于2.98%的位置设定为边界。随后利用DynamicStudio6.2软件中闭合图形的方法，填充偶尔出现的气泡空心（例如图3最终图像中位于气泡中心的白色空心）。此800×1920像素点的黑白图像后续有两方面应用：其一为添加进流场矢量图像中用以表示上升气泡周围的流场，其二为导入MATLAB软件计算气泡上升速度。在MATLAB构建与图像同样大小的像素矩阵：

【参考文献】：
期刊论文
[1]震动加速度作用下气泡行为数值模拟研究[J]. 曾庆允,蔡杰进,钟明煌.  热力发电. 2013(12)
[2]震动条件下水中气泡上升过程试验研究[J]. 蔡杰进,钟明煌,曾细香,王可,林永成,渡边正.  热力发电. 2013(10)
[3]基于OpenFOAM的气泡上升特性数值模拟[J]. 蔡杰进,曾庆允,渡边正.  热力发电. 2013(09)



本文编号：3386346