1、高速成像技术在气泡膨胀脱离特性研究中的应用

气泡作为流体动力学黏性流体中一个分散相，其运动是典型的两相流动现象，运动特性极其复杂，受到了众多科研人员的关注。

内蒙古科技大学博士团队在研究气泡膨胀脱离特性研究中，利用高速成像技术采集分析顶部浸没竖直向下管口气泡膨胀及脱离演变过程，对比分析管径、平均气速对气泡尺寸、形成时间的影响规律，进一步了解气泡形状分布特征与运动机理，并将研究成果推广应用于能源化工、航天航空领域中。

2、实验过程

1/2.实验方法

实验搭建了气液两相实验平台，介质采用压缩空气和静止水。实验测试系统如图1所示，该系统主要包括3个模块：A气体供给及计量、B气泡制备及生成、C高速成像气泡采集及分析处理。气体流量由玻璃转子流量计精确控制，气体压力由U形管量测。

图1 顶部浸没管口气泡形成特性实验测试系统

将不用管径不锈钢平口管顶部浸没在水面以下0.1 m，调节不同的平口管进气量，在实验工况稳定的条件下，通过高速摄像仪实时获取同一浸没深度不同管径下，平口管顶部浸没向下管口气泡生成过程，再利用图像处理技术分析，获取顶部浸没竖直向下平口管口气泡膨胀及脱离过程特征参数数据信息。

2/2.管口气泡膨胀及脱离演变过程

图2 25号管口气泡形成演变过程

如图2所示，顶部浸没竖直向下平口管口气泡形成演变过程可分成膨胀阶段和脱离阶段，管口气泡呈现不断膨胀状态，在16.9 ms时前，气泡主要进行体积膨胀的径向运动。在16.9 ms时气泡近似为半椭圆形和圆台形的组合，在受到浮力、表面张力、曳力以及脱离瞬间的惯性力作用下，气泡膨胀接近临界点。

图3 气泡形成过程受力分析

当气泡膨胀到一定体积时，由于浮力作用远大于气液界面表面张力的作用，气泡开始进行向上的脱离运动，此时脱离阶段开始。如图3(b)所示，竖直向上的浮力是气泡脱离管口的主要因素。

图4 平口管口气泡形成演变物理模型

依据实验获得的气泡演变过程，给出了气泡膨胀及脱离阶段各时刻等效球形气泡物理模型如图4所示，其分别与图2中各时刻变化图相对应，图4中d、h分别为膨胀临界点时的气泡状态和脱离管口时的气泡状态。

3/2.管径对气泡脱离直径的影响

图5 不同管径下气泡脱离直径随平均气速变化规律

如图5所示，在同一平均气速下，气泡尺寸随管径的增加而逐渐增大，各曲线气泡脱离形态转变点所对应转变气速分别为12.8、11.2、9.2、7.3m·s−1。气泡尺寸随着平均气速增加而变化的过程中明显存在一个气泡脱离形态转变点，并且转变点所对应的转变气速随管径增加而增大。转变前气泡脱离以单个椭球形态脱离管口，之后则以上下相连的两个气泡脱离管口，随后气泡脱离管口时气泡底端会形成二次气泡。

图6 不同管径下气泡膨胀脱离模式分布

图6所示的是16号管和12号管内不同平均气速下的气泡膨胀脱离模式。从图中可以看出，在同一管径下的气泡膨胀脱离可分单个气泡形成模式和气泡聚并形成模式，两种模式的平均气速分界点分别为6.9、17.2m·s−1。

4/2.管径对气泡脱离直径的影响

图7 不同平均气速下泡龄k随时间变化的规律

引入泡龄k来表征平口管顶部膨胀气泡位置随时间的变化规律。如图7所示，泡龄k为管口底端到膨胀气泡底端边缘的垂直距离。规定膨胀气泡底端低于管口底端所在平面时，k为正值；当k为负值时，气泡已完成脱离并进入周围水体中。如分析表所示，k0线为泡龄k=0时所有点的连线。

图8 20号管口顶端气泡膨胀和脱离运动过程

如图8分析可得，气泡生成机理有间歇生成气泡、含抽吸间歇生成气泡和连续生成气泡3种。同一管径下单个气泡膨胀及脱离时间随平均气速增加而减小，对应的气泡生成频率增加。此次实验条件下直径为2mm的平口管在平均气速为3.1m·s−1时，管口处存在抽吸现象，最大泡龄k最大值为7.5，小于其他平均气速下的k最大值。

3、实验结果

本次实验通过调节不同的进气量和平口管管径来改变实验工况，运用高速摄像仪采集同一浸没深度不同直径下管口气泡膨胀及脱离演变过程，通过各进气量下气泡生长关键帧图片，观察气泡演变规律，引入泡龄表征管口气泡位置运动特性，利用长短轴比表征气泡形状分布特征。本实验条件下管口处气泡脱离阶段经历的时间远比膨胀阶段经历的时间长，同一平均气速下气泡脱离直径随管径增加而逐渐增大；脱离阶段气泡经历的时间随平均气速增加而减小，气泡脱离直径随平均气速增加呈近似线性增加，且平均气速越大增加值越大。

4、总结

气泡运动速度、形态变化过程以及气泡大小等研究对气泡实验尤为关键。千眼狼高速成像技术可助力科研人员清晰观测气泡产生演变过程，分析测量气泡形状、尺寸、分布、含气率、气泡界面等以及动力学特性信息，提供一站式气泡测量解决方案，亚秒级别处理速度，助力科研人员更直观的了解气泡动力特性。（此文源自内蒙古科技大学吴晅博士）