表面活性剂对中尺度气泡形状及速度的调控研究_刘艳艳

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为 了定 量 比较 气 泡 的 变 形 程 度 , 图 泡 高宽 比随时 间 的变化 从 图 泡 的高 宽 比由初始 时段 至 一 后 又在 一 一 的 降至
绘 出 了气 迅 速 降低 后 又在
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可 以看 到 纯 水 中气
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范 围 内振荡 曲拉通 溶液 中
曲拉通 溶 液 中 气 泡 上 升 初 期 形 状 变 化 的 可 视 化 结 果 图中照 片序列 的时 间 间隔是
直径 为
,采 用 的 喷 嘴
, 生成 气 泡 的 当量直 径 约 为
从 图 可 以看 到 在纯 水 中气 泡 脱 离 喷 嘴后 呈 现 近似球 形 一球 帽 形 一扁 椭球 形 的变 化 过 程 在 曲 拉通 溶液 中气 泡呈 现 出近 似球 形 一球 帽形 一椭 球形
大 显然 , 上 升气 泡 的形 状 影 响 着 气 泡 的 瞬 时速 度 ,
主要 原 因是 气泡 受 到 的附加 质量 力 随气泡 形状 的 改
变 而变 化
说 明此 时段表 面 活性 剂对 气 泡 的变 形 影 响 很 小 也
就 是说 , 表 面 活性 剂 的吸 附过程 不是 一跳 而 就 的 , 需
第
卷
年
第
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报
表 面 活 性 剂 对 中尺 度气 泡 形 状 及 速 度 的调 控 研 究
刘 艳艳 , 李 彦鹏 , 朱 婷婷
长安大学环境科学 与工程学院 , , 西安
摘要
为 了有效 调控 中尺 度 气泡 的行 为 , 在 纯 水 中通过 添 加 不 同 浓度 的
种 表 面 活性 剂 实验研 究
行为 的效果
二、 ,
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, 和 二。,
。分别表示气
泡质 心在 时刻 右 、 和初 始 时刻 。的位置 中尺 度 气泡 的形 状通 常 为 椭球 形 , 这里 参 照 前 人 的处 理方 法压 〕, 分 别采 用 当量 直 径 表示 气泡 大小 和气泡 变形 程度 。 且` 式中 、和 分 别表 示 气 泡 在 平 行 和 垂 直 于 运 动 和高宽 比
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图 纯水与 曲拉通水溶液 中气泡高宽 比随时间的变化
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曲拉通溶液 。 曲 拉 通一 图 单 个气 泡上升过程 中形状 变化 的可视化 比较
气 泡 的 高 宽 比 由初 始 时 段 的
范 围内振荡 , 相 比纯水 的 变 形程 度减 小 了 实验 中使用 正 戊 醇 和 聚 乙二 醇 也 得 到 了相 似
不同浓度的曲拉通溶 液中气泡高宽 比
随时间的变化
的趋 势 , 表 明在纯 水 中添 加 表 面 活性 剂 可 以有 效 调 控 气泡 的形状 , 抑 制气 泡变 形 根据 文献 「 〕 的气 泡 变 形机 理 知 , 气泡 上 下 表 面 的 压差 诱 导 出方 向 向上 的射 流 , 该 射 流挤 压气 泡底 部 , 使得 气泡 形状 趋 向 于 椭 圆 在 含有 表 面活性 剂 的非纯 水 中 , 气 泡上 升 时受 到 了水 流 的作 用 , 使 得 表 面 活性 剂 主要 聚集 在 气 泡 底 部 , 形成 了 表 面 张 力 梯 度 , 从 而 生 成 所 谓 的 切 应 力仁 '。 〕 该 切 应力 与压 差 的作 用 反 向 , 进 而导 致气 泡 变形 的 净 作 用 力 减小 , 最 终起 到 了 阻碍 气 泡变 形 的作 用 图 最 初 时段 中一 个需 要 注 意 的现 象 是 , 气泡 在上 升 的 一巧 内 , 其 高 宽 比变 化 基 本 一 致 ,
种 中尺 度 气泡 , 再 利 用
了气泡 上升 过程 中的形状 与速 度 的 变化 在 一 个方 截 面柱形 容 器 内生成 了
高速摄 影仪记 录 了气泡 的瞬 时运 动过程 , 通 过 图像 处 理软 件 分 析 了气 泡 的形 状 和 速度 结 果 表 明 , 由于 幅度 缩减 了 效应 , 适 量的表 面活性 剂 可 以有 效抑 制 中尺 度 气泡 的 变形 , 减 小 气泡 的 形状 变化
下进 行 ,所 有 实验均 在室 温 由高速 摄 影 仪 终 由图像处 理软 件
士 ,
下 完成 拍摄气
泡运 动 , 并 通过 千兆数 据线 将数 据 传送 到计算 机 , 最 进 行逐 帧分 析 分 析 中 , 气 泡特 征尺 寸是 由气 泡处 于 同一 焦 平 面 的标 尺 刻度 与像素 点距 离 的 比值 来 确 定 为 了优 化 拍 摄效 果 , 白色漫反 射板 将 配 合 金 属 卤 化灯 卫二一 一 起 使用 , 以使 光在容 器 中均匀 分 布 , 从 而避 免气 泡表 面反 光 为 了提 高数 据分 析 的可靠 性 , 每一 实验 条件 均重 复拍摄 次 , 取 其平 均值 作为 计算 所需 参数
气泡 的瞬时 速度 和局部 速度 定 义如 下
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二 一 二。
的 中尺度气 泡 ,其 在 表 面 张 力起 主 导 作 用下 的变 形 行 为不 能忽 略 表 面 活性 剂 对 中尺 度气 泡 的速 度 和 变 形 的影响势 必 与 小气 泡 的有所 不 同 , 目前 这 方 面 的研究仍 然较 少 鉴 于此 , 本 文采用 高速摄 影技 术记 录了 种 表面 活性 剂在 不 同浓 度条 件下 的 中尺 度气 泡 的上升 运动 ,并 通 过 图像 处 理 软件 分 析 了气 泡 的 变形 与速度 , 探 索 了用 表 面 活性 剂调 控 中尺寸 气 泡
测试 容 器
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兰 撇 浦 日 瀚 ︸ 能
计算 机
泡 的局 部 和终 端 速度 的变 化 , 并 指 出表 面 活性 剂 可 以明显 降低气 泡 的速度
图
流量
实验装置示 意图
性 剂对 泡状 流动结 构 的影 响 , 发 现 表 面活 性 剂 可 以 引 起气 泡的横 向迁 移 杜建伟 等 口` 〕 研 究 了表 面 活性 剂 对 甲烷 生成 速率 和 储 气 密 度 的影 响 上 述研 究 主 要针对 的是直 径 小 于 的小 气 泡 , 此 时 的气 泡 一 式中 变形很 小 , 而实 际 中广泛 存 在着 直 径 为
—
第
期
刘艳艳 ,等 表面活性剂对中尺度气泡形状及速度的调控研究
的 变化 过程 显 然 , 当水 中添 加 曲 拉通 时 , 气泡 变形
程度 减 小
高 宽 比逐渐 增大 , 气 泡 的变形 程度 逐 渐缩 小 ,但 表 面 活 剂浓 度增 加 到一 定 程 度 时 , 气 泡 的 高 宽 比及 变 形 程 度趋 于恒 定 这 可 能 与气泡 的吸附 容量 有关 , 需要 进 一步 深人 研究
时 , 气泡 高宽 比的 变化 幅 度 , 降低 气泡 的上升 速 度 相 比于 纯水 , 当 曲拉 通 的浓 度 为
当 曲拉 通 的 浓 度 为 。
时 , 气泡 终 端上 升 速度 降低 了
实验 中还
发现 , 气泡 的形状 变化 影 响 着 气泡的 瞬 时速度 , 气泡 高度 比越 小 , 上 升得 越 快 在 实验 条 件 范 围 内 , 不 同表 面 活性 剂对 气泡 的调控 效果 有所 不 同 , 曲拉 通 的调控 效 果优 于聚 乙二 醇 和 正戊醇 关键 词 表 面 活性 剂 中尺度 气泡 气泡调 控 高速摄 影
实验装置与方法
实验 装 置 如 图 柱形有 机玻 璃 容 器 所 示 该 装 置包 括 一个 方 截 面 火
方 向上 的直径 , 由图像 处 理软件 得 到
结果 与讨 论
表面 活性 剂对气 泡 形状 的调 控 图 比较 了在 纯 水 和 浓 度 为 的
, 容 器 内盛有 高度 为 的纯 净水 实验 所 用 气体为 空 气 , 由蠕 动 泵 提 供 空 气 通 过 转 子 流 量 计 、 经位 于容器 内中 央浸 没 于 液 体 中 的喷 嘴 产 生气 泡 实 验 中表 面活性 剂分 别是 曲拉通 、 正戊 醇和 聚 乙 二醇 , 中尺度气 泡 种 尺 度 是 通 过采 用 不 同 内径 的喷 嘴生成 的 为 了保 证 气 泡在 稳 定 状 态 下 的运 动 与实验 一致 , 测试 均 在 静 止 液体 中及 避 免周 围扰 动
文 献标 志码 文 章编 号 一 一 一 中 图分 类号
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收稿 日期 资助项 目
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百度文库
作 者简介 刘艳艳
一 , 女 , 硕士生 李彦鹏 联系人 , 男 , 教授
基金项 目 国家 自然科学基 金
气 泡形 状 与瞬 时速 度 的关 系 最近 有研 究 , “〕 指 出 , 纯 水 中气 泡 形状 的变 化 与 瞬时 速 度 相 关 图 分别 给 出 了直 径 为 、 中 发现 对 的气泡 在 曲拉 通溶 液 。 曲 拉 通一 。 其 高宽 比和 瞬 时速度 随 时 间的 变化 从 图
于不 同 尺寸 的 中尺 度 气 泡 , 当气 泡 高 宽 比的 变 化 达 到 波峰 时 , 气 泡 瞬 时速度 的变 化接 近 波谷 当气 泡 高 宽 比的变化 接 近波 谷 时 , 气 泡 瞬 时 速 度 的 变 化 达 到 波 峰 这 说 明 , 当上 升 气 泡 的形 状 接 近球 形 时 , 瞬 时 速度 小 当上 升气 泡 的形 状接 近扁 球形 时 , 瞬 时速 度
图
为 气 泡 的 瞬时 速 度 与 高宽 比之 间 的关 系 中直径 为 的气 泡在 一
要 一段 时 间才 能在 气 泡表 面 实现 非 均 匀 分 布 对 于 不 同浓 度 的表 面 活性 剂 , 这种 现象 也是 存在 的 , 如 图 所 示 从 图 可 以看 到 , 在 种不 同浓 度 的 曲拉 通 溶 液 中 , 气 泡初 始 变形 时 的高宽 比变化 基本 一致 , 大 约 巧 后 , 高宽 比变化 出现 异 同 从 图 还 可 以看 到 , 在 实验 浓 度范 围 内增加 表 面活性 剂 浓度 , 气 泡 的
图中数 据取 自图
时 的瞬 时 速 度 和 高 宽 比 从 图 看 出 , 气 泡 在 上升 过程 中 , 高 宽 比相 同 的气 泡 其 瞬 时 速 度 不 一 定相 同 这 表 明 , 气 泡 的瞬 时 速 度 除 了 与 高 宽 比有 关 , 还可 能 与流场 的历史 、 表 面活性 剂 的吸 附动 力特 性有 关 , 相关 内容将 在 以后进 一 步研 究
中央高校基 本科研 业务专项基金资 助项 目
一 一 网络 出版地址 。 `
流体动 力与机 电系统 国家重点 实验室 开
放基金 资助项 目 网络 出版时 间
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大
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报
第
卷
气液 两相泡 状 流 广 泛存 在 于 能 源 、动力 和化 工 等工 程领域 系 统 中 的气 体通 常 以气 泡 的形 式 分 散 在液体 中 , 其在 上升 过 程 与周 围气 泡 和 液流 发 生作 用 , 从 而影 响系统 的传 质 、 传 热或 反应特 性 因此 ,深 人 研究气 泡 的界 面动力 学特 征 和控制气 泡行 为 的方 法对 系统 的高效运 行具 有重 要意 义 近 年来 , 各 国学 者对 气 泡 的生 成 与上 升 行 为 以 及 系统操 作参数 和物 性参 数对 气泡行 为 的影 响进 行 了大 量研究 , 等仁 月和 等 口 分 别 综述 了 该领域 研究 所取 得 的进展 在此 基础上 , 国内外学 者 尝试使 用 电场闭 、 机械振 动川 和声 场 「 一 」 等 物理 方 法 来调控 气泡 行为 由于 采 用外 加 力 场 需增 加 能 量 输 人 设备 , 由此 增加 了系 统 的能耗 , 导致 了系统 的复 杂 化 , 因此 近来 采用 物 理化 学 的方 法 来调 控 气 泡 受 到 了越来越 多学 者 的广 泛 关 注 等叶剑研 究 了 浮 选 柱 中起 泡剂 对气 泡尺 寸及分 布 的影 响 , 结果 表 明 , 起 泡剂 表 面活 性剂 可 以有 效 控 制 气 泡 的大 小 , 促 进 泡 沫的形 成 等图 研 究 了表 面 活 性 剂 下 气 等 〕 探讨 了表 面 活