本文關(guān)鍵詞：高速攝影技術(shù)對水中氣泡運動規(guī)律的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第29卷第10期光子學(xué)報Vol129No110；2000年10月ACTA；PHOTONICASINICAOctober；2000；高速攝影技術(shù)對水中氣泡運動規(guī)律的研究；張建生1呂青1孫傳東2盧笛2陳良益2；(1西安工業(yè)學(xué)院,西安710032)；(2中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所,西安710；摘要氣泡在許多不同過程中起著重要作用1,即；基于對氣泡的特性研究,

第29卷第10期　　　　　　　　　　　　　　　　　光子學(xué)報　　　　　　　　　　　　　　　Vol129No110

2000年10月　　　　　　　　　　ACTA

PHOTONICASINICA　　　　　　　　　October

2000　

高速攝影技術(shù)對水中氣泡運動規(guī)律的研究

張建生1　呂　青1　孫傳東2　盧　笛2　陳良益2

(1西安工業(yè)學(xué)院,西安　710032)

(2中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所,西安　710068)

3

摘　要　氣泡在許多不同過程中起著重要作用1,即

基于對氣泡的特性研究,氣泡,具有直觀、低費用的優(yōu)點,,量1實驗結(jié)果表明,,,它,并與高速攝影所得到的,;氣泡

0　引言

　　在很多實驗和工程問題中,水中的氣泡起著重要作用,對于這些問題的求解必然依賴于對水中氣泡的分布、氣泡的特性的掌握1比如,海洋表面附近的氣泡在許多不同過程中起著重要作用,這些過程包括水下聲波的傳播、氣象學(xué)、海洋表面化學(xué)、空化、大氣2海洋氣體交換、液滴噴射、有機粒子的形成、細(xì)菌傳播、化學(xué)物質(zhì)分餾、激光在水下的傳輸?shù)?氣泡廣泛存在于海水、河水、湖水等各種條件的水中,氣泡的生成可能有多種原因,如波浪的破碎產(chǎn)生的氣泡、浮游生物產(chǎn)生的氣泡、各種塵埃產(chǎn)生的氣泡、各種微擾(包括大氣流動、各種振動、聲波、湍流等)產(chǎn)生的氣泡、存在于艦船尾流中的氣泡11艦船尾流中的氣泡提供了這樣一個線索,即基于對氣泡的特性研究,并以此對艦船進(jìn)行追蹤是一種獨特的方法1

由于存在附加壓強、浮力、介質(zhì)的粘滯阻力以及壓差阻力,還有不同溫度、風(fēng)力和光照下介質(zhì)表面蒸發(fā)速率的影響,加之在運動過程中氣泡的形變、分裂、結(jié)合、熄滅以及位移,每個氣泡的運動規(guī)律和衰減情況大不相同1對于氣泡的研究基本有兩類方法,即聲學(xué)和光學(xué)技術(shù),其中光

3

學(xué)技術(shù)主要有照相技術(shù)、激光散射技術(shù)和激光全息技術(shù)2,31用高速攝影技術(shù)來研究氣泡,具有直觀、低費用的優(yōu)點,配合以半自動膠片判讀儀,可獲得較為詳細(xì)的關(guān)于氣泡的參量1

1　氣泡動力學(xué)

關(guān)于氣泡的運動和動力學(xué)問題,Garrettsong給出了一種基于牛頓運動定律的較為直觀的理論4,這一理論考慮了水中氣泡的受力情況、氣泡表面活性物質(zhì)及水流的影響,得到了氣泡加速度的表達(dá)式1

111　氣泡的加速度

對于單個氣泡而言,它在水中的運動情況受很多因素的影響,這些因素包括水的流速、水的粘滯特性、氣泡的尾流特性、氣泡的慣性等1如果分別用v、V(r,t)來表示氣泡速度和水的流速(其中r表示位置矢量,t表示時間),氣泡體積Ρ、氣體密度Θ、水的密度Θ0,如果氣泡完全被水支配,氣泡將受到一個力Θ0ΡdV??dt1對于更為一般的情況,如果氣泡內(nèi)氣體的密度與其所在流體的密度可能相等或者不等1如果Θ≠Θ0即氣泡不

國防科技重點實驗室基金試點項目(編號:99JS2613111ZK1801)

收稿日期:2000203210

10期　　　　　　　　　　　　　　張建生等1高速攝影技術(shù)對水中氣泡運動規(guī)律的研究953

為流體所完全支配,此時氣泡相對于流體的速度為u=v-V,氣泡將受到一個拉力FD,這一力下面進(jìn)一步討論1

在氣泡運動過程中,它將要帶著一部分水(用Β表示所帶水量與氣泡的體積比)共同運動,根據(jù)牛頓第三定律,這一附加質(zhì)量將引起一個附加項(-ΒΡΘ0du??dt),這一項使得氣泡的有效慣性質(zhì))k,在量增加1此外,氣泡受到一浮力Ρg(Θ-Θ∧

此k表示豎直向上方向的單位矢量1考慮到所有這些因素,根據(jù)牛頓第二定律,氣泡的加速度可表示為

+a=

ΡΘ??ΘΒ+Θ??Θ0(Β+Θ0)0

∧

(+

Β+Θ??Θ0

其中

(2)dV??dt=5)V112∧

至氣泡的尾流區(qū),水流為紊流或湍流,這一部分的

阻力可由下式給出

(4)FT=-0.5DcΘ0s1uu式中Dc是阻力系數(shù),對200<Re<1000的氣泡,

0.55≤Dc≤0.651

在沒有表面活性物質(zhì)的情況下,s1非常小(對于Reμ1的情況,s1～12??Re)流過氣泡的水流基本不被分開,此時阻力可由式(3)給出,其中取k=12Π1另一方面,當(dāng)氣泡的一部分表面積s0覆蓋有單層的表面活性物質(zhì)時,于零,(4)中0,與式(3)一起給1

21,氣泡在水中的運動得以被研究1氣泡可以根據(jù)雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)Re=uΘ0??Γ進(jìn)行劃分,其中Γ為水的粘滯系數(shù)1觀察和實驗表明,小(Re<1)氣泡和中等尺寸(1<Re<700)的氣泡保持為球形,而大(Re>700)氣泡要發(fā)生形變而變?yōu)闄E球形,特大(Re>4500)氣泡則不穩(wěn)定且易破裂1

對于水中的小氣泡(氣泡線度l≤100Λm),所受力為粘滯阻力,可表示為

(3)FV=-kΓlu其中k為比例系數(shù),對于表面為理想球面,干凈,

具有流動雙流界面的氣泡,k=4Π1然而,在大多數(shù)情況下,其表面包含有表面活性物質(zhì),這會破壞其界面的流動性,在這種情況下,氣泡表面的水的相對速度趨近于零,氣泡的行為象固體球一樣,這時k=6Π1

而對于中等尺寸(100Λm≤l≤2000Λm)的氣泡,通過它的水流會被分開,在氣泡表面的下游這一分開區(qū)域的面積我們用s1表示1在分開點以上,氣泡所受的阻力為粘滯力,作為合力的一部分由式(3)給出,其中取k=12Π1而在分開點以下直

使用棱鏡補償式高速攝影機(f:300mm,LBS

-500),借助于氣泡模擬器,在實驗環(huán)境下我們對清潔淡水中氣泡模擬器所產(chǎn)生的氣泡進(jìn)行了拍攝,利用中科院西安光機所設(shè)計制造的HJ991半自動通用膠片判讀儀對所拍攝的膠片進(jìn)行了判讀1實驗在室內(nèi)進(jìn)行,所溫27°C,風(fēng)力0～1級,人工強光源,氣泡模擬器位于水槽底部(水深016m),所拍攝氣泡位于水面下013m實驗系統(tǒng)如圖1所示

1

圖1　實驗系統(tǒng)框圖

Fig.1　Schemeofexperimentalapparatus

212　實驗結(jié)果

利用半自動膠片判讀儀對所拍攝的部分氣泡進(jìn)行判讀,經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到其中六個氣泡的速度變化規(guī)律如圖2所示1圖中橫坐標(biāo)為時間,縱坐標(biāo)為氣泡上升速度,所對應(yīng)的氣泡直經(jīng)分別為0136mm、0130mm、0146mm、0185mm、0137mm、0195mm1氣泡末速度與氣泡直經(jīng)的關(guān)系繪于圖31

　光子學(xué)報　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷95　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4

圖2,06分別表示六個不同的氣泡

～Bubble06expresssixbubblesrespectivelyF

2versustime.Bubble01

擬器所產(chǎn)生的,也就是說,氣泡從模擬器表面脫離

時具有較大的初速度v0,而且具有很小的初始線度l0,此時它的整體行為類似于剛性粒子,在剛進(jìn)入水中的短時間內(nèi)會受到水對它的沖力作用,所以速度有一個快速減小的過程1第二,在氣泡上升過程中,由于氣泡內(nèi)外壓強差的增加,它的線度在逐漸增大,由于尾流的形成以及可能的表面吸附物質(zhì),使得氣泡所受阻力的增加超過浮力的增

圖3　氣泡末速度與氣泡直徑的關(guān)系

Fig.3　Terminalrateandbubbleradius

3　分析與討論

實驗條件下,水的粘滯系數(shù)為11002×1023

3

(Pa.s),水的密度為110×103kg??m,空氣的密度

3

為1120kg??m1利用這些參量,再考慮到實驗時氣泡運動的初始條件(初速度、初始線度大小、初始位置),利用上述氣泡動力學(xué)規(guī)律,容易計算得到氣泡的速度變化規(guī)律1

實驗時氣泡運動的初始條件表示為t=0,l=l0,v=v0,r=r0,根據(jù)加速度的定義a=dv??dt,有dv=adt,根據(jù)氣泡加速度表達(dá)式(1),可得速度表達(dá)式

v=v(t,l0,l,r0,r,V)由此計算的結(jié)果與實驗是一致的,而且與文獻(xiàn)1所給出的結(jié)果是一致的1

從圖2可以看出,氣泡上升速度的大小都在隨著時間減小1之所以有這一結(jié)果,是因為兩方面的原因:其一,在實驗條件下,氣泡是由氣泡模

加,從而使其速度逐漸減小1

圖3給出的結(jié)果表明,不同大小的氣泡在上升過程中速度的變化并不相同1雖然在上升過程各氣泡所受阻力的增加超過浮力的增加,但每個氣泡所受的這兩個力的大小關(guān)系不同1由圖可以看出,較小和較大的氣泡末速度小于中等大小氣泡的末速度;水中氣泡的末速度存在一極大值,這一極值所對應(yīng)的氣泡直徑為0146mm

4　結(jié)論

通過對采用高速攝影技術(shù)拍攝的氣泡圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析,并與氣泡動力學(xué)理論相對照,可歸納出以下結(jié)論:

1)水中氣泡上升速度的大小都在隨著時間減小;

2)不同大小的氣泡在上升過程中速度的變化并不相同,水中氣泡的末速度當(dāng)氣泡直徑為0146mm時存在一極大值1

　　3)利用高速攝影機與膠片判讀儀配合來研

10期　　　　　　　　　　　　　　張建生等1高速攝影技術(shù)對水中氣泡運動規(guī)律的研究955

究氣泡的運動和動力學(xué)規(guī)律是一種可行的方法1參考文獻(xiàn)

1　張建生,孫傳東,冀邦杰等1氣泡的運動規(guī)律及光學(xué)特性1魚雷技術(shù),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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