chapter 3 气泡动力学

形成条件
试验和理论研究中一般把汽泡形成条件分为三种： ✓ 恒气流：气体流量经由孔板的大压降或者直接采用
小直径导管来保持恒定。 ✓ 恒气压：采用孔板下面的大容积气室来保持气压恒
定。 ✓ 中间条件：气室压力和进入汽泡的流量都随时间不
断变化。
形成过程
✓ 膨胀阶段：汽泡形体膨胀，但
不脱离
✓ 脱离阶段：汽泡向上移动，脱
—浮泡流动
气液两相流
同向流动
反向流动
第三种
浮泡流动
液泛
✓ 浮泡过程：气相以分散的汽泡穿过液层； 实际上就是气体流经孔口后， 汽泡的形成和脱离过程。
✓ 液泛：液相速度为零而气相速度向上的流 动是在环状流动状况上产生的，即 所谓的“液泛”的流动工况。
单孔口的汽泡形成
使汽泡脱离的力
气流本身的动量 浮力 周围液体的对流
Βιβλιοθήκη Baidu压力增高
L G 差值减小
浮力减小
上浮速度减小
增大
汽泡分散，流速保持一定， 随 uzs 的增加而增加。
✓当 uzs增加到一定值后，蒸汽泡成链状，消 耗雨上浮的能量最小，故汽泡的流速增大， 形成蒸汽链。
沿浮泡器筒体高度 值的变化
（p 0.4MPa）
✓当 uzs 增加到某一值得时候，蒸汽链数目增加 太多，被蒸汽带出的水不能排出，第三区域高 度拉长，形成脉动性的浮泡流动。
4 uzs 0.31m / s 5 uzs 0.15m / s
第一区段： 逐渐增大。小汽泡结合，大汽 泡分裂，形成稳定汽泡，位于分配孔板附 近。
第二区段： 保持不变，又称稳定区段， 高度决定于水层高度。
第三区段： 逐渐增加至 =1
uzs -蒸汽折算流速（m/s）
uzs对 的影响
uzs 较小时，第二区域 较小，第三 区域高度不大，分界面清晰。
反作用力
表面张力 汽泡长大液体对汽泡的反作用力 粘性流体中液体对汽泡的阻力
气流量较小时，汽泡上升引起的液体的对流作用 不大，除了浮力和表面张力，其他可忽略不计：
力平衡方程式：
4 3
Rb3
L
G
g
2
Rh
汽泡脱离孔板 时的半径：
Rb
3
3Rh
2g L G
上式只适应于孔口半径 Rh 较小以及汽泡脱离半径 Rb 大于 Rh 的情况。
若只有以上这两种力作用，则液块趋于球形。
曲面形状液块的压力差：
p
1 R1
1 R2
式中： --表面张力系数（N/m）;
R1 , R2 --曲面的两个相互垂直的截面的曲率半径（m）
对于正球体，R1 R2
上式可写为： p 2
R
p 2
R
可见：汽泡内的压力大于四周液体的压力 并有：
汽泡尺寸越小
寸无关
汽泡群的浮泡流动
汽泡在上升过程中引起水流的上升和 下降，但二者相互补偿，水的平均流 量为零
气流通过时，会被分裂成单个的蒸汽泡。
通常用平均截面含气率 来表征浮泡流
动过程
高度对 的影
响
沿浮泡器筒体高度 值的变化 （p 0.4MPa）
1 uzs 1.3m / s 2 uzs 1.0m / s 3 uzs 0.7m / s
dLA dAd dA 0 2 u 4 4g L G
Cdu2 A
CD2 L2
阻力改变汽泡形状做的功等于汽 泡表面能的变化：
dL
Cd
A
Lu2
2
d
dA
若体积不变： A const
2 Cd Lu2
u A
阻力和浮力相等：
u 4 4g L G
CD2
2 L
✓大的扁球形汽泡上浮速度与尺
沿浮泡器筒体高度 值的变化
uzs 增加，第二区域 增大，第三 区域高度也增加，分界面不明显。
（p 0.4MPa ）
1 uzs 1.3m / s 2 uzs 1.0m / s
3 uzs 0.7m / s
4 uzs 0.31m / s 5 uzs 0.15m / s
✓筒体直径和压力一定时，若 uzs 很小，
离孔口，但仍然通过一个“颈” 与孔口接触
汽泡的脱离条件
关于汽泡脱离条件的几种假定：
Davidson&Schuler: Z Rb
Kumar et al:
1
z Rb
s
3Vf 4
3
式中：z是汽泡中心到孔口中心的距离；Rb 是汽泡脱离时的半 径；V f 为第一阶段结束时的汽泡容积。
基于前人的实验测量，Gaddis&Vogelpohl假定：
1 uzs 1.3m / s 2 uzs 1.0m / s 3 uzs 0.7m / s 4 uzs 0.31m / s 5 uzs 0.15m / s
沿浮泡器筒体 直径 的变 化
✓筒体中心蒸汽含量大 ✓筒壁附近，蒸汽含量小
✓管径越小，不均匀性大 所以小管径，主要沿管壁边缘流动
压力 对 的 影响
汽泡内外压差越大
越容易保持球形
单个汽泡在水中上浮，其力平衡方程式：
式中：
CD
A
u
2
2
L
L
G gV
u -汽泡的上浮速度
A -汽泡的迎流投影面积
V -汽泡的体积
整理得：
u
2
L G
CDL A
gV
db
若汽泡是直径为 db 的球形，上浮速度为
u 4gdb L G
3L
✓ Re 接近于700左右时，由于 受到阻力会变形，各方向阻 力不相等，所以汽泡的上升 轨迹并不是垂直向上。
s 3d 4
d -汽泡脱离时的直径；
s -汽泡脱离时的“颈”的长度。
s
单一汽泡的浮泡流动
✓ 分子压力：整个一层液体表面受到与页面垂直的方 向朝向液体内部的力的作用，故液体表面层给整个 液体一个压力，称为分子压力。
✓ 表面张力：液体表面层中分子之间沿表面方向相互 作用的引力大于排斥力，这种相互的作用力试图使 液体的表面积收缩，这个力叫做表面张力。