13高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究

发布时间：2016-10-15 16:31

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第29卷第10期光子学报Vol129No110；2000年10月ACTA；PHOTONICASINICAOctober；2000；高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究；张建生1吕青1孙传东2卢笛2陈良益2；(1西安工业学院,西安710032)；(2中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710；摘要气泡在许多不同过程中起着重要作用1,即；基于对气泡的特性研究,

第29卷第10期　　　　　　　　　　　　　　　　　光子学报　　　　　　　　　　　　　　　Vol129No110

2000年10月　　　　　　　　　　ACTA

PHOTONICASINICA　　　　　　　　　October

2000　

高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究

张建生1　吕　青1　孙传东2　卢　笛2　陈良益2

(1西安工业学院,西安　710032)

(2中国科学院西安光学精密机械研究所,西安　710068)

摘　要　气泡在许多不同过程中起着重要作用1,即

基于对气泡的特性研究,气泡,具有直观、低费用的优点,,量1实验结果表明,,,它,并与高速摄影所得到的,;气泡

0　引言

　　在很多实验和工程问题中,水中的气泡起着重要作用,对于这些问题的求解必然依赖于对水中气泡的分布、气泡的特性的掌握1比如,海洋表面附近的气泡在许多不同过程中起着重要作用,这些过程包括水下声波的传播、气象学、海洋表面化学、空化、大气2海洋气体交换、液滴喷射、有机粒子的形成、细菌传播、化学物质分馏、激光在水下的传输等1气泡广泛存在于海水、河水、湖水等各种条件的水中,气泡的生成可能有多种原因,如波浪的破碎产生的气泡、浮游生物产生的气泡、各种尘埃产生的气泡、各种微扰(包括大气流动、各种振动、声波、湍流等)产生的气泡、存在于舰船尾流中的气泡11舰船尾流中的气泡提供了这样一个线索,即基于对气泡的特性研究,并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法1

由于存在附加压强、浮力、介质的粘滞阻力以及压差阻力,还有不同温度、风力和光照下介质表面蒸发速率的影响,加之在运动过程中气泡的形变、分裂、结合、熄灭以及位移,每个气泡的运动规律和衰减情况大不相同1对于气泡的研究基本有两类方法,即声学和光学技术,其中光

学技术主要有照相技术、激光散射技术和激光全息技术2,31用高速摄影技术来研究气泡,具有直观、低费用的优点,配合以半自动胶片判读仪,可获得较为详细的关于气泡的参量1

1　气泡动力学

关于气泡的运动和动力学问题,Garrettsong给出了一种基于牛顿运动定律的较为直观的理论4,这一理论考虑了水中气泡的受力情况、气泡表面活性物质及水流的影响,得到了气泡加速度的表达式1

111　气泡的加速度

对于单个气泡而言,它在水中的运动情况受很多因素的影响,这些因素包括水的流速、水的粘滞特性、气泡的尾流特性、气泡的惯性等1如果分别用v、V(r,t)来表示气泡速度和水的流速(其中r表示位置矢量,t表示时间),气泡体积Ρ、气体密度Θ、水的密度Θ0,如果气泡完全被水支配,气泡将受到一个力Θ0ΡdV??dt1对于更为一般的情况,如果气泡内气体的密度与其所在流体的密度可能相等或者不等1如果Θ≠Θ0即气泡不

国防科技重点实验室基金试点项目(编号:99JS2613111ZK1801)

收稿日期:2000203210

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为流体所完全支配,此时气泡相对于流体的速度为u=v-V,气泡将受到一个拉力FD,这一力下面进一步讨论1

在气泡运动过程中,它将要带着一部分水(用Β表示所带水量与气泡的体积比)共同运动,根据牛顿第三定律,这一附加质量将引起一个附加项(-ΒΡΘ0du??dt),这一项使得气泡的有效惯性质)k,在量增加1此外,气泡受到一浮力Ρg(Θ-Θ∧

此k表示竖直向上方向的单位矢量1考虑到所有这些因素,根据牛顿第二定律,气泡的加速度可表示为

+a=

ΡΘ??ΘΒ+Θ??Θ0(Β+Θ0)0

∧

Β+Θ??Θ0

其中

(2)dV??dt=5)V112∧

至气泡的尾流区,水流为紊流或湍流,这一部分的

阻力可由下式给出

(4)FT=-0.5DcΘ0s1uu式中Dc是阻力系数,对200<Re<1000的气泡,

0.55≤Dc≤0.651

在没有表面活性物质的情况下,s1非常小(对于Reμ1的情况,s1～12??Re)流过气泡的水流基本不被分开,此时阻力可由式(3)给出,其中取k=12Π1另一方面,当气泡的一部分表面积s0覆盖有单层的表面活性物质时,于零,(4)中0,与式(3)一起给1

21,气泡在水中的运动得以被研究1气泡可以根据雷诺数(Reynoldsnumber)Re=uΘ0??Γ进行划分,其中Γ为水的粘滞系数1观察和实验表明,小(Re<1)气泡和中等尺寸(1<Re<700)的气泡保持为球形,而大(Re>700)气泡要发生形变而变为椭球形,特大(Re>4500)气泡则不稳定且易破裂1

对于水中的小气泡(气泡线度l≤100Λm),所受力为粘滞阻力,可表示为

(3)FV=-kΓlu其中k为比例系数,对于表面为理想球面,干净,

具有流动双流界面的气泡,k=4Π1然而,在大多数情况下,其表面包含有表面活性物质,这会破坏其界面的流动性,在这种情况下,气泡表面的水的相对速度趋近于零,气泡的行为象固体球一样,这时k=6Π1

而对于中等尺寸(100Λm≤l≤2000Λm)的气泡,通过它的水流会被分开,在气泡表面的下游这一分开区域的面积我们用s1表示1在分开点以上,气泡所受的阻力为粘滞力,作为合力的一部分由式(3)给出,其中取k=12Π1而在分开点以下直

使用棱镜补偿式高速摄影机(f:300mm,LBS

-500),借助于气泡模拟器,在实验环境下我们对清洁淡水中气泡模拟器所产生的气泡进行了拍摄,利用中科院西安光机所设计制造的HJ991半自动通用胶片判读仪对所拍摄的胶片进行了判读1实验在室内进行,所温27°C,风力0～1级,人工强光源,气泡模拟器位于水槽底部(水深016m),所拍摄气泡位于水面下013m实验系统如图1所示

图1　实验系统框图

Fig.1　Schemeofexperimentalapparatus

212　实验结果

利用半自动胶片判读仪对所拍摄的部分气泡进行判读,经数据处理得到其中六个气泡的速度变化规律如图2所示1图中横坐标为时间,纵坐标为气泡上升速度,所对应的气泡直经分别为0136mm、0130mm、0146mm、0185mm、0137mm、0195mm1气泡末速度与气泡直经的关系绘于图31

　光子学报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷95　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4

图2,06分别表示六个不同的气泡

～Bubble06expresssixbubblesrespectivelyF

2versustime.Bubble01

拟器所产生的,也就是说,气泡从模拟器表面脱离

时具有较大的初速度v0,而且具有很小的初始线度l0,此时它的整体行为类似于刚性粒子,在刚进入水中的短时间内会受到水对它的冲力作用,所以速度有一个快速减小的过程1第二,在气泡上升过程中,由于气泡内外压强差的增加,它的线度在逐渐增大,由于尾流的形成以及可能的表面吸附物质,使得气泡所受阻力的增加超过浮力的增

图3　气泡末速度与气泡直径的关系

Fig.3　Terminalrateandbubbleradius

3　分析与讨论

实验条件下,水的粘滞系数为11002×1023

(Pa.s),水的密度为110×103kg??m,空气的密度

为1120kg??m1利用这些参量,再考虑到实验时气泡运动的初始条件(初速度、初始线度大小、初始位置),利用上述气泡动力学规律,容易计算得到气泡的速度变化规律1

实验时气泡运动的初始条件表示为t=0,l=l0,v=v0,r=r0,根据加速度的定义a=dv??dt,有dv=adt,根据气泡加速度表达式(1),可得速度表达式

v=v(t,l0,l,r0,r,V)由此计算的结果与实验是一致的,而且与文献1所给出的结果是一致的1

从图2可以看出,气泡上升速度的大小都在随着时间减小1之所以有这一结果,是因为两方面的原因:其一,在实验条件下,气泡是由气泡模

加,从而使其速度逐渐减小1

图3给出的结果表明,不同大小的气泡在上升过程中速度的变化并不相同1虽然在上升过程各气泡所受阻力的增加超过浮力的增加,但每个气泡所受的这两个力的大小关系不同1由图可以看出,较小和较大的气泡末速度小于中等大小气泡的末速度;水中气泡的末速度存在一极大值,这一极值所对应的气泡直径为0146mm

4　结论

通过对采用高速摄影技术拍摄的气泡图象数据进行计算分析,并与气泡动力学理论相对照,可归纳出以下结论:

1)水中气泡上升速度的大小都在随着时间减小;

2)不同大小的气泡在上升过程中速度的变化并不相同,水中气泡的末速度当气泡直径为0146mm时存在一极大值1

　　3)利用高速摄影机与胶片判读仪配合来研

10期　　　　　　　　　　　　　　张建生等1高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究955

究气泡的运动和动力学规律是一种可行的方法1参考文献

1　张建生,孙传东,冀邦杰等1气泡的运动规律及光学特性1鱼雷技术,2000,8(1):11～15

2　JinWU.Bubblepopulationsandspectrainnear2surfaceocean:summaryandreviewoffieldmeasurements.JGeoph

～463Res,1981,86(C1):457

3　.MedvinH,BreitsND.Ambientandtransientbubblespectraldensitiesinquiescentseasandunderspillingbreakers

～12759JGeophRes,1989,94(C9):12751

4　GarrettsonGA.Bubbletransporttheorywithapplicationtotheupperocean.JFluidMech,1973,59(1):187～206

THEMOMENTOFAIRBUBBLESWATERBYUSEOFHIGH1122

ZhangJiansheng,LuQingLiLiangyi

1of,X′an710032

2XiandPMechanics,AcademiaSinica,Xi′an710068

Receiveddate:2000-03-10

Abstract　irbubblesplayimportantrolesinlotsofprocesses.Studyingofbubblesinshipwakes

makesitfeasibletoshadowthetarget.Highspeedphotography(HSP)asadirectandcheapmeansofresearchingairbubblescangetthedetailwiththecoordinationofsemi2automaticfilmjudgmentandreadinginstrument.Theascentratedecreaseswithtimeandtheterminalvelocityhasanextremevaluecorrespondingtobubbleswithfixeddiameteraccordingtotheexperiment.Bubbledynamics,discussedindetailinthispaper,comparedwiththedataofbubbleimagesgotofHSP,givestheimportanceforusingHSPtostudyingthemomentofairbubblesalongoftheconsistenceofresults.Keywords　Highspeedphotography;Airbubble

ZhangJiansheng　wasbornin1966,graduatedfromtheNormalUniversityofShaanxi(NUS)is1988andreceivedhismaster’sdegreeinPhysicsDepartmentfromNUS.NowheisaPhDcandidateinXi’anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofScience.HeiscurrentlyalecturerinXi’anInsti2tuteofTechnologytoo.HisresearchinterestsincludeSERSandopticalengineer2ing.

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