靜水中氣泡上浮過程的高速攝影研究

趙瑤

摘 要：通過高速攝影技術(shù)來研究靜水中上浮的氣泡，以此獲得比較詳細(xì)的關(guān)于氣泡的參數(shù)，對氣泡上浮過程中的形態(tài)變化、速度變化、運(yùn)動(dòng)軌跡等現(xiàn)象進(jìn)行觀察和分析。上浮氣泡在船泊與海洋工程以及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、生物、核能利用等領(lǐng)域都有相關(guān)的應(yīng)用，通過對氣泡進(jìn)行基礎(chǔ)性研究最終為工程應(yīng)用提供相關(guān)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速攝影技術(shù)；上浮氣泡；氣泡參數(shù)

中圖分類號(hào)：TB126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）25-0081-02

Abstract： Through high-speed photography technology， this paper intends to study the bubble floating in still water， in order to obtain a more detailed bubble parameters， and the bubble floating on the process of morphological changes， changes in velocity， trajectory and other phenomena were observed and analyzed. Floating bubbles have related applications in marine engineering， modern medicine， biology， nuclear energy utilization and so on. Through the basic research of bubbles， the related reference data are provided for engineering applications at the end of the paper.

Keywords： high-speed photography； floating bubble； bubble parameter

氣液兩相流廣泛的存在人們的生活、生產(chǎn)中。其中，上浮的氣泡對于船舶運(yùn)動(dòng)、海洋工程、醫(yī)療、能源的開發(fā)與利用等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。所以，對氣泡上浮過程中運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)特性的研究具有重大的工程意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于氣泡的各項(xiàng)特性指標(biāo)已經(jīng)做了大量的研究，包含數(shù)值模擬分析、理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測量、建模分析等方法。

隨著高速攝影技術(shù)的發(fā)展，為氣泡上浮過程的特性研究提供新的思路，使得對氣泡的研究不局限于數(shù)值模擬等方法。利用高速攝影技術(shù)來研究氣泡，直觀且能獲得較為詳細(xì)的關(guān)于氣泡的參數(shù)，具有重要的學(xué)術(shù)和工程意義。

1 氣泡運(yùn)動(dòng)的基本方程

首先對研究的氣泡進(jìn)行假設(shè)：（1）氣泡在上浮過程中

始終保持球形；（2）在上浮過程中氣泡的半徑保持不變。當(dāng)不考慮上浮過程中氣泡的加速度， 即在上浮的過程中氣泡只受到粘性阻力和浮力的作用時(shí)，可計(jì)算得到半徑為R的球形氣泡上浮的速度方程[1]為：

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

高速攝像機(jī)、有機(jī)玻璃槽體（長*寬*高=20*20*50cm）、氣泡發(fā)生器、LED冷光源、針管。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)后，利用高速攝像機(jī)成功拍攝出符合要求的圖片7000余張，最終選擇其中有代表性的三組不同初始速度上浮的氣泡進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。每組氣泡生成時(shí)對應(yīng)的氣泡發(fā)生器的參數(shù)為：第一組流量3.0ml/min，第二組流量5.0ml/min，第三組流量1.0ml/min。通過拍攝的圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制出三個(gè)氣泡在上升過程中速度的變化規(guī)律曲線，如圖2所示。其中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示x軸方向的速度或y軸方向的速度。

以上為氣泡上浮過程中速度的變化規(guī)律曲線。之后，我們也對這三組氣泡上浮運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理并繪制出相應(yīng)的曲線。如圖3所示。

3 分析與討論

從圖2可以看出，氣泡一開始速度不太穩(wěn)定，x軸方向的速度在經(jīng)過0.15秒左右開始隨著時(shí)間不斷減小，隨著氣泡上浮，由于氣泡內(nèi)外壓強(qiáng)差的增加，它的線度在逐漸增大[2]。y軸方向的速度在最初由氣泡模擬器產(chǎn)生是具有較大的速度，加上浮力的作用，y軸方向的速度在一開始隨著時(shí)間增加，而在0.15秒左右開始下降，之后趨于穩(wěn)定，此時(shí)，我們可以推斷出氣泡在y軸方向所受的阻力與浮力大致抵消，從而對氣泡的速度影響不大。結(jié)合圖2的三張圖進(jìn)行比較，我們可以看出，不同生成速度的氣泡在上浮過程中速度變化規(guī)律基本一致。在上浮過程中氣泡所受阻力的增加以及浮力的增加也大致相同。

從圖3我們可以看出各組氣泡在上浮過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡。氣泡在剛開始的上升運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，之后改變方向，呈曲線上升，從整體看氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡為Z字形，由于技術(shù)原因，我們只進(jìn)行了一個(gè)平面的拍攝，屬于二維的運(yùn)動(dòng)軌跡。所以，具體氣泡上升過程中是否出現(xiàn)偏離所在平面不能反映出來。平面內(nèi)呈現(xiàn)Z字型，實(shí)際的氣泡上升過程軌跡可能是螺旋狀運(yùn)動(dòng)。這無疑需要更細(xì)致、深入的實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié)束語

通過運(yùn)用高速攝影技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對靜水中氣泡上浮過程進(jìn)行拍攝、分析和研究，與氣泡動(dòng)力學(xué)理論相對照，最終得出以下結(jié)論：（1）靜水中氣泡上浮過程水平速度先隨時(shí)間減小，之后隨時(shí)間增大，垂直速度先增大，后趨于穩(wěn)定。（2）不同生成速度的氣泡在上浮過程中速度變化大致相同，由此得出結(jié)論，生成速度對氣泡上浮過程的速度變化規(guī)律沒有影響。（3）氣泡上浮過程的速度符合速度理論方程，所以利用高速攝影技術(shù)來研究氣泡的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律是一種可行的方法。（4）靜水中氣泡上浮的平面運(yùn)動(dòng)軌跡剛開始是一條直線，之后呈曲線上升，總體上為Z字形，且氣泡的生成速度對氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡沒有影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]石晟瑋，王江安，蔣興舟.水中微氣泡上浮過程的力學(xué)影響因子研究[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20（3）：83-87.

[2]張建生，呂青，孫傳東，等.高速攝影技術(shù)對水中氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究[J].光子學(xué)報(bào)，2000，29（10）：952-955.