吳　晅，焦晶晶，梁盼龍，金光，武文斐

（1內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 包頭014010）

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頂部浸沒豎直向下平口管口氣泡膨脹脫離特性

吳晅1，2，焦晶晶1，梁盼龍1，金光1，武文斐2

（1內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 包頭014010）

利用高速攝像機(jī)拍攝頂部浸沒豎直向下管口氣泡膨脹及脫離演變過程，對(duì)比分析管徑、平均氣速對(duì)氣泡尺寸、形成時(shí)間的影響規(guī)律。引入泡齡k表征管口氣泡位置特性，用橢球形氣泡長短軸比L表征氣泡形狀特征。研究發(fā)現(xiàn)，氣泡生成機(jī)理有間歇生成氣泡、含抽吸間歇生成氣泡和連續(xù)生成氣泡3種；氣泡脫離直徑隨平均氣速變化過程明顯存在氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)；氣泡膨脹脫離模式隨平均氣速變化分為單個(gè)氣泡形成、氣泡聚并形成兩種。平均氣速為3.1 m·s-1時(shí)管口處存在抽吸現(xiàn)象，此時(shí)最大泡齡kmax最??；脫離階段氣泡長短軸比L隨脫離時(shí)間變化過程明顯存在時(shí)間分界點(diǎn)。在分界點(diǎn)前，L值在2.0附近波動(dòng)，氣泡主要以橢球形存在。分界點(diǎn)后，L值明顯增加，氣泡形狀向扁橢球體發(fā)展。

氣液兩相流；向下管口；氣泡；流體動(dòng)力學(xué)

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151478

引　言

氣液兩相流動(dòng)廣泛存在于能源、化工、石油、航空、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中。氣泡作為流體動(dòng)力學(xué)黏性流體中一個(gè)分散相，其運(yùn)動(dòng)是典型的兩相流動(dòng)現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)特性極其復(fù)雜，在20世紀(jì)90年代就已開展了對(duì)氣泡生長行為及影響因素的研究［1-4］。氣泡多是從浸沒管口或孔生成，浸沒方式可分為管口（或孔）向上底部浸沒、管口（或孔）水平布置側(cè)面浸沒和管口（或孔）向下頂部浸沒3種［5］。

前兩種浸沒方式應(yīng)用廣泛，研究成果資料較多且細(xì)致。劉柳［6］采用高速攝像機(jī)獲取不同溶液中垂直上升管氣泡運(yùn)動(dòng)過程，得到氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡、脫離管口后形狀分布，但未涉及氣泡直徑變化及生成時(shí)間。徐炯等［7］采用高速相機(jī)獲取靜止水下單個(gè)氣泡上升過程，指出氣泡上升運(yùn)動(dòng)具有勻速特性，氣泡體積增加導(dǎo)致氣泡變形等，未對(duì)氣泡直徑變化進(jìn)行研究。Montante等［8］對(duì)攪拌槽氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行PIV實(shí)驗(yàn)研究，采用兩臺(tái)CCD同時(shí)拍攝氣泡和液體流場的運(yùn)動(dòng)，分析得到氣泡尺寸分布和兩相速度場分布，關(guān)于氣泡形態(tài)分布未涉及。Zahedi等［9］對(duì)單個(gè)氣泡形成、脫離、上升等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，得到不同液體中管徑對(duì)氣泡直徑、形成時(shí)間的影響規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。宋慶唐等［10］采用高速攝像法拍攝氣液鼓泡床內(nèi)不同氣速下氣泡分布，指出氣泡尺寸分布具有正態(tài)分布特征，氣速可促進(jìn)氣含率、氣泡聚并和破碎，但其氣泡尺寸是以氣泡個(gè)數(shù)表示的。Liu等［11］建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型研究孔口方向和流體流型對(duì)氣泡生成的影響。

相比前兩種浸沒方式，管口向下頂部浸沒方式也存在于一些工業(yè)過程中。鋼鐵冶金氧氣底吹工藝中Savard-Lee雙重套管噴槍在底部噴槍頂端形成蘑菇頭狀氣泡確保工藝順利進(jìn)行［12］。Huda等［13］采用CFD研究攪拌槽頂部浸沒氣體射流淹沒深度、氣體流量等對(duì)管口氣泡形成特性的影響，給出預(yù)測氣體噴射深度的經(jīng)驗(yàn)公式，但缺乏實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有力支撐。在中間包氣體噴吹中，詹樹華等［14］采用數(shù)值模擬方法研究氣液兩相鼓泡流特征，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。水煤漿氣化爐激冷室中將高溫合成氣經(jīng)頂端浸沒下降管通入液池來實(shí)現(xiàn)高溫合成氣的粗洗滌［15］，吳晅等［16］采用VOF模型模擬再現(xiàn)下降管口氣泡生成、破碎等一系列運(yùn)動(dòng)過程，其模型中管口尺寸較大，文中氣泡為較大的氣塊。王沖等［17］對(duì)貧化電爐還原油槍口處氣液兩相運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出不同流量下攪拌深度和攪拌半徑的分布規(guī)律，但其實(shí)驗(yàn)中采用空氣-水的氣液兩相混合頂吹模型。Rivera-Salinas等［18］用CFD模擬研究冶金精煉過程頂部浸沒管口氣液固三相流動(dòng)過程，得到管口氣泡形態(tài)和管口周圍流場分布特性，同時(shí)給出固體顆粒與反應(yīng)效率關(guān)系，模擬結(jié)果與現(xiàn)有文獻(xiàn)吻合。楊濮亦等［19］采用尼康單反相機(jī)拍攝銅冶煉熔池中頂吹氣泡上升運(yùn)動(dòng)，給出不同浸沒深度下氣泡運(yùn)動(dòng)速率分布規(guī)律，但未涉及氣泡形狀特性的研究。

本研究將以靜止液體中頂部浸沒豎直向下平口管口氣液兩相流單個(gè)氣泡為對(duì)象。前期工作［20］已采用數(shù)值模擬的方法對(duì)氣泡受力、形成尺寸及影響因素進(jìn)行分析研究，建立兩階段氣泡運(yùn)動(dòng)方程。而本研究將搭建氣液兩相實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過調(diào)節(jié)不同的進(jìn)氣量和平口管管徑來改變實(shí)驗(yàn)工況。采用高速攝像機(jī)拍攝得到同一浸沒深度不同直徑下管口氣泡膨脹及脫離演變過程，獲取各進(jìn)氣量下氣泡生長關(guān)鍵幀圖片，并提取氣泡數(shù)據(jù)，得到平口管管徑和平口管內(nèi)平均氣速對(duì)氣泡尺寸和形成時(shí)間的影響。引入泡齡表征管口氣泡位置運(yùn)動(dòng)特性，并利用長短軸比表征氣泡形狀分布特征。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

所采用的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為壓縮空氣和水，壓縮空氣由空壓機(jī)制取，壓縮空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐經(jīng)氣體管路供給實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，水采用去離子的靜止水，實(shí)驗(yàn)為常溫、常壓。

實(shí)驗(yàn)所用到的平口細(xì)管為內(nèi)外精密拋光的不銹鋼平口細(xì)管，其尺寸規(guī)格見表1，其中Do表示平口管外徑，Di表示平口管內(nèi)徑。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與分析儀器

1.2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括3個(gè)模塊，其中A為氣體供給及計(jì)量模塊，B為氣泡制備及生成模塊，C為氣泡采集及分析處理模塊。氣體流量由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)精確控制，氣體壓力由U形管量測。水箱采用透明有機(jī)玻璃制成，為提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度和合理性，測試區(qū)域采用黑色背景。

表1　R不銹鋼平口細(xì)管尺寸Table 1　Size of stainless steel flat pipe

圖1　頂部浸沒管口氣泡形成特性實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.1　Experimental test system of bubble formation characteristics from downward nozzle1—gasholder； 2—valve； 3—flowmeter； 4—U-shape tube； 5—water tank；6—pool； 7—stainless steel pipe； 8—tank export； 9—light source； 10—high-speed camera； 11—computer processing system

1.2.2氣源及氣泡制取設(shè)備實(shí)驗(yàn)中由靜音無油空壓機(jī)制取壓縮空氣，制得的空氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中。該空壓機(jī)采用無油設(shè)計(jì)，同時(shí)添加干燥器，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不受空氣品質(zhì)的影響，減小實(shí)驗(yàn)誤差。

實(shí)驗(yàn)中氣泡觀測過程均在矩形透明有機(jī)玻璃水箱（48 cm×48 cm×120 cm）中完成，水箱中存有去離子水，不銹鋼平口管管口以頂部浸沒方式浸沒在靜態(tài)水面以下0.1 m處。

1.2.3實(shí)驗(yàn)采集設(shè)備實(shí)驗(yàn)采集系統(tǒng)主要由高速攝像機(jī)、拍攝光源、計(jì)算機(jī)及連線組成。采用Revealer高速攝像機(jī)對(duì)氣泡生成過程進(jìn)行采集。高速攝像機(jī)采用CameraLink接口，該接口傳輸速度最高可達(dá)400萬像素。高速攝像采集的分辨率為1080×720，曝光時(shí)間為600 μs，采集周期為1 μs，幀率為827 幀/秒，能夠完整記錄氣泡在膨脹脫離過程瞬間形態(tài)。鏡頭采用佳能微距鏡頭，光源采用LED太陽燈。

實(shí)驗(yàn)采集過程由Revealer CL 3.0高速圖像采集系統(tǒng)精確控制，載有氣泡動(dòng)力特性的視頻直接被存儲(chǔ)在電腦主機(jī)硬盤中。利用圖像處理技術(shù)分析處理視頻，獲取頂部浸沒豎直向下平口管口氣泡膨脹及脫離過程特征參數(shù)數(shù)據(jù)信息。

1.3實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

1.3.1氣泡形成膨脹及脫離實(shí)驗(yàn)對(duì)水下頂部浸沒管口氣泡膨脹及脫離運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，氣體經(jīng)平口管頂部管口以鼓泡形式冒出，經(jīng)出口排出水箱。實(shí)驗(yàn)拍攝過程中，高速攝像機(jī)、光源和觀測目標(biāo)處于同一水平面上，高速攝像機(jī)與電腦主機(jī)相連，將不同管徑不銹鋼平口管頂部浸沒在水面以下0.1 m，調(diào)節(jié)不同的平口管進(jìn)氣量，在實(shí)驗(yàn)工況穩(wěn)定的條件下，通過圖像軟件實(shí)時(shí)獲取同一浸沒深度不同管徑下，平口管頂部浸沒向下管口氣泡生成過程視頻。

1.3.2氣泡特征參數(shù)的獲取與分析利用圖像處理軟件分析氣泡膨脹及脫離運(yùn)動(dòng)過程視頻，采用Matlab軟件提取視頻文件中的幀圖片，并進(jìn)行簡單預(yù)處理，使之便于特征提取。再通過Photoshop軟件中尺寸測量工具獲取氣泡尺寸信息。Photoshop軟件獲取單個(gè)氣泡尺寸原理如圖2所示。

不銹鋼平口細(xì)管實(shí)際直徑D已知，可以利用Photoshop軟件標(biāo)尺工具獲取幀圖片中平口細(xì)管直徑d和橢球形氣泡的長軸長a和短軸長b，由比例關(guān)系可以獲取橢球形氣泡實(shí)際長軸長A和短軸長B，其原理公式如下

圖2　單個(gè)氣泡尺寸信息獲取原理Fig.2　Principle diagram of single bubble size informationa— spheroidicity bubble's long axis in photo； b— spheroidicity bubble's short axis in photo； d— diameter of flat pipe in photo

由式（1）可計(jì)算得到

頂部浸沒平口管口氣泡生成形狀為橢球形，為便于表征氣泡尺寸大小，將測量所得橢球形氣泡尺寸信息與圓進(jìn)行等效，得到等效球形氣泡脫離直徑dg，經(jīng)計(jì)算簡化得到

式中，A、B分別為橢球形氣泡實(shí)際長軸長和短軸長；D為平口管實(shí)際直徑。

2　結(jié)果與分析

2.1頂部浸沒豎直向下平口管口氣泡膨脹及脫離演變過程

圖3為25號(hào)豎直向下平口管在平口管內(nèi)平均氣速u=1.7 m·s-1下高速攝像機(jī)獲取的頂部浸沒管口氣泡形成演變過程。由圖3可知，頂部浸沒豎直向下平口管口氣泡形成演變過程可分成兩個(gè)階段：膨脹階段和脫離階段。設(shè)定氣泡開始形成時(shí)刻為0時(shí)刻，在膨脹階段，如圖3（a）～（d）所示，管口氣泡呈現(xiàn)不斷膨脹的狀態(tài)，在16.9 ms以前，氣泡主要進(jìn)行體積膨脹的徑向運(yùn)動(dòng)，該過程中遠(yuǎn)離管口側(cè)氣泡外邊緣為圓弧狀。在16.9 ms時(shí)，由圖3（d）可知?dú)馀萁茷榘霗E圓形和圓臺(tái)形的組合，該點(diǎn)稱為氣泡膨脹臨界點(diǎn)，該點(diǎn)之后氣泡上邊緣開始高于管口。究其原因是頂部浸沒管口氣泡在膨脹過程中主要受到浮力、表面張力、曳力以及脫離瞬間的慣性力等作用，如圖4（a）所示。氣泡的膨脹主要由氣泡內(nèi)外側(cè)壓力差決定，當(dāng)氣泡內(nèi)側(cè)壓力大于外側(cè)壓力時(shí)，氣泡將進(jìn)行體積膨脹的徑向運(yùn)動(dòng)，呈現(xiàn)圖3（a）～（d）所示的狀態(tài)。

在16.9 ms以后，管口氣泡體積仍會(huì)繼續(xù)膨脹。但當(dāng)氣泡膨脹到一定體積時(shí)，由于浮力作用遠(yuǎn)大于氣液界面表面張力等的作用，氣泡開始進(jìn)行向上的脫離運(yùn)動(dòng)，此時(shí)脫離階段開始。脫離階段氣泡受力狀況如圖4（b）所示。豎直向上的浮力是氣泡脫離管口的主要因素。在脫離階段，氣泡主要進(jìn)行體積膨脹的徑向運(yùn)動(dòng)和向上的脫離運(yùn)動(dòng)，如圖3（e）～（h）所示。在64.1 ms時(shí)，脫離階段結(jié)束。氣泡脫離管口時(shí)刻狀態(tài)如圖3（h）所示。在64.1 ms以后氣泡脫離管口，不再接收管口氣體的供給。由圖3還可以得出，25號(hào)平口管u=1.7 m·s-1時(shí)，管口氣泡脫離階段經(jīng)歷的時(shí)間（47.2 ms）遠(yuǎn)比膨脹階段經(jīng)歷的時(shí)間（16.9 ms）長。

圖3給出了氣泡形成、膨脹及脫離的整個(gè)演變過程?？梢钥闯?，氣泡是以橢球形狀存在的。但為了便于描述氣泡尺寸特征，本文提出了等效球形氣泡脫離直徑dg。本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的氣泡演變過程，給出了氣泡膨脹及脫離階段各時(shí)刻等效球形氣泡物理模型如圖5所示，其分別與圖3中各時(shí)刻變化圖相對(duì)應(yīng)，圖5中d、h分別為膨脹臨界點(diǎn)時(shí)的氣泡狀態(tài)和脫離管口時(shí)的氣泡狀態(tài)。

圖3　25號(hào)管頂部浸沒豎直向下平口管口氣泡形成演變過程（u=1.7 m·s-1）Fig.3　Bubble formation evolution process of downward nozzle for No.25（u=1.7 m·s-1）

圖4　氣泡形成過程受力分析Fig.4　Schematic diagram of stress analysis for bubble formation process

圖5　頂部浸沒豎直向下平口管口氣泡形成演變物理模型Fig.5　Physical model diagram of bubble formation evolution process from downward nozzle of vertical flat pipe

2.2豎直向下平口管管徑對(duì)氣泡脫離直徑的影響

圖6為氣泡脫離管口前不同平口管管徑下氣泡脫離直徑隨平口管內(nèi)平均氣速的變化規(guī)律。從圖中可以看出，在同一平均氣速下，氣泡尺寸隨管徑的增加而逐漸增大。對(duì)于同一管徑，氣泡脫離直徑隨平均氣速的增加先呈近似線性增加，之后平緩增加。氣泡尺寸在隨著平均氣速增加而變化的過程中明顯存在一個(gè)氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，并且氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變氣速隨平口管管徑增加而增大。如圖6所示，各曲線氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變氣速分別為12.8、11.2、9.2、7.3 m·s-1。

如圖6所示，同一管徑下氣泡脫離管口時(shí)，在氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)之前，氣泡以單個(gè)橢球形態(tài)脫離管口。在氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)之后，氣泡則是以上下相連的兩個(gè)氣泡脫離管口。氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)之后，氣泡脫離管口時(shí)氣泡底端會(huì)形成二次氣泡，把管口脫離時(shí)刻大氣泡稱為母氣泡，把氣泡底端形成的小氣泡稱為子氣泡。圖6中左圖為18號(hào)管氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)之前平均氣速為4.4 m·s-1氣泡脫離管口時(shí)的形態(tài)圖，氣泡以單個(gè)橢球形態(tài)脫離管口。圖6中右圖為18號(hào)管氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)之后平均氣速為10.9 m·s-1時(shí)氣泡脫離管口時(shí)的形態(tài)圖，氣泡脫離管口時(shí)底端有子氣泡生成。

圖7為16號(hào)管和12號(hào)管內(nèi)不同平均氣速下的氣泡膨脹脫離模式。從圖中可以看出，在同一管徑下的氣泡膨脹脫離模式可分成兩種：單個(gè)氣泡形成模式和氣泡聚并形成模式。在平均氣速較小時(shí)，管口以單個(gè)氣泡進(jìn)行膨脹及脫離。而在平均氣速相對(duì)較大時(shí)，氣泡膨脹脫離過程存在聚并現(xiàn)象。分析圖4中氣泡膨脹脫離過程受力狀況可知，氣泡的膨脹脫離由氣泡內(nèi)外側(cè)的壓力差決定。在單個(gè)氣泡形成模式下，氣泡內(nèi)外側(cè)壓力差較小，氣泡膨脹脫離獲得的加速度也較小。在該模式下，由于管口前后兩個(gè)氣泡之間距離較大，使得氣泡之間相互影響較小，故呈現(xiàn)如圖7中左圖所示單個(gè)氣泡生成現(xiàn)象。而在氣泡聚并形成模式下，平均氣速較大，氣泡內(nèi)外側(cè)壓力差較大，氣泡膨脹脫離所獲加速度較大，氣泡脫離管口速度也較大。后一個(gè)氣泡在脫離管口時(shí)會(huì)受到前一個(gè)氣泡尾流作用的影響，其速度明顯加快，隨后兩氣泡發(fā)生聚并現(xiàn)象，如圖7中右圖所示。在氣泡聚并形成模式下，氣泡的聚并是由于兩氣泡之間相互作用的結(jié)果。圖7中不同管徑下兩種模式的平均氣速分界點(diǎn)分別為6.9、17.2 m·s-1。

2.3豎直向下平口管膨脹氣泡位置隨時(shí)間變化分布特性

引入泡齡k來表征平口管頂部膨脹氣泡位置隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖8所示。泡齡k為管口底端到膨脹氣泡底端邊緣的垂直距離。規(guī)定膨脹氣泡底端低于管口底端所在平面時(shí)，k為正值；膨脹氣泡底端和管口底端在同一平面內(nèi)，k為0；膨脹氣泡底端高于管口底端所在平面，則k為負(fù)值。分析圖5、圖8可知，在氣泡形成演變過程中，當(dāng)k非負(fù)時(shí)，氣泡處于膨脹或脫離狀態(tài)。當(dāng)k為負(fù)值時(shí)，氣泡已完成脫離并進(jìn)入周圍水體中。本實(shí)驗(yàn)主要研究管口氣泡k值為非負(fù)的情況。

圖6　不同管徑下氣泡脫離直徑隨平均氣速變化規(guī)律Fig.6　Change of bubble size with average gas velocity under different pipe diameter

圖7　不同管徑下氣泡膨脹脫離模式分布Fig.7　Distribution diagram of bubble's expansion and detachment model under different pipe diameter

圖8　泡齡k提取Fig.8　Schematic diagram of extracting age of bubble k

圖9給出了20號(hào)平口管頂部浸沒膨脹氣泡泡齡k隨時(shí)間t的變化規(guī)律，圖9中k0線為泡齡k=0時(shí)所有點(diǎn)的連線。k0線上方泡齡k值為正；k0線下方泡齡k值為負(fù)。設(shè)定氣體沖出平口管管口開始形成氣泡的時(shí)刻為0時(shí)刻，圖中觀測時(shí)間為300 ms。在平均氣速為2.7 m·s-1時(shí)，曲線斷成兩部分，每段曲線呈拋物線分布，整個(gè)曲線存在兩個(gè)波峰。從98 ms開始，前一段曲線延伸到k0線以下，k為負(fù)值，氣泡已經(jīng)脫離管口。分析原因可知，曲線延伸到k0線以下并與后一段曲線斷開，說明前一氣泡已脫離管口而后一氣泡還未形成。而出現(xiàn)兩次波峰表明在300 ms這個(gè)時(shí)間段，管口處生成了兩個(gè)氣泡。此外，從平均氣速為3.5 m·s-1的泡齡變化曲線可知，在同一測量時(shí)間，管口形成了5個(gè)完整氣泡，而第6個(gè)氣泡正處于膨脹階段，整條曲線沒有斷點(diǎn)。

圖9　不同平均氣速下泡齡k隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.9　Change of age of bubble k with time under different average gas velocity

在脫離時(shí)間t大于58 ms后，平均氣速為3.5 m·s-1的泡齡變化曲線分別向k0線正方向和負(fù)方向延伸。泡齡變化曲線向k0線負(fù)方向延伸，k為負(fù)值，這表明氣泡已經(jīng)脫離管口。同時(shí)泡齡變化曲線又向k0線上方延伸，k為正值，這說明在前一氣泡脫離管口時(shí)又生成了另一個(gè)氣泡，整個(gè)過程不存在間歇現(xiàn)象，如圖10（c）前4圖所示。平均氣速為2.7和3.5 m·s-1時(shí)管口處氣泡膨脹脫離整個(gè)演變過程如圖10（a）、（c）所示。圖10（a）展示了平均氣速為2.7 m·s-1時(shí)管口兩個(gè)氣泡生成過程。平均氣速為2.7 m·s-1時(shí)管口處氣泡生成存在間歇現(xiàn)象，如圖10（a）第4圖所示；圖10（c）給出了平均氣速為3.5 m·s-1時(shí)管口處氣泡連續(xù)生成的過程，氣泡生成不存在間歇現(xiàn)象。

圖10　20號(hào)管口頂端氣泡膨脹和脫離運(yùn)動(dòng)過程Fig.10　Bubble expansion and detachment movement of No.20 nozzle

此外如圖9所示，在平均氣速為3.1 m·s-1時(shí)，泡齡隨時(shí)間變化曲線與前兩條曲線的變化規(guī)律截然不同。曲線中k值先是出現(xiàn)一個(gè)較大的波峰，然后降至0以下，同時(shí)在k0線上方又有一個(gè)小波峰出現(xiàn)。究其原因是管口氣泡生成存在抽吸現(xiàn)象，如圖10（b）所示。前一氣泡在管口膨脹、脫離管口后又形成1個(gè)較小氣泡，但由于此時(shí)管內(nèi)氣體壓力較小，氣泡外側(cè)受水壓等影響，該小氣泡不能繼續(xù)膨脹，又被抽吸進(jìn)入管內(nèi)，該過程如圖10（b）第3、4圖所示。但隨著氣體不斷供給，氣管內(nèi)部壓力增大，使得氣泡又會(huì)在管口生成，如圖10（b）第5、6圖所示狀態(tài)。在該平均氣速下，管口氣泡的生成重復(fù)上述過程。其整個(gè)氣泡變化過程如圖10（b）所示。

另外分析圖9中3種平均氣速下泡齡-時(shí)間變化曲線可知，u=2.7 m·s-1時(shí)，最大泡齡kmax1值分布在8.1左右；u=3.1 m·s-1時(shí)，kmax2值在7.5左右；u=3.5 m·s-1時(shí)，kmax3值在8.5左右。在3.1 m·s-1平均氣速下（存在抽吸現(xiàn)象）的最大泡齡最小，這說明u=3.1 m·s-1時(shí)氣泡在管口體積膨脹位置較淺，抽吸現(xiàn)象不利于氣泡在管口體積膨脹的運(yùn)動(dòng)。從圖9和圖10綜合分析可知，單個(gè)氣泡膨脹及脫離時(shí)間分別為98、7和58 ms，這說明管內(nèi)氣體平均氣速越大管口單個(gè)氣泡膨脹及脫離時(shí)間越短。

2.4平口管管徑對(duì)單個(gè)氣泡膨脹及脫離時(shí)間的影響

圖11　不同管徑單個(gè)氣泡膨脹及脫離時(shí)間變化規(guī)律Fig.11　Change of single bubble expansion and detachment time under different nozzle diameter

圖11給出了不同平口管管徑下單個(gè)氣泡膨脹及脫離時(shí)間隨平口管內(nèi)平均氣速變化的規(guī)律。其中單個(gè)氣泡膨脹及脫離時(shí)間tg為氣泡在管口開始形成、膨脹再到氣泡最后脫離管口所經(jīng)歷的總時(shí)間。從圖中可以看出，對(duì)于同一管徑，隨平均氣速的增加，單個(gè)氣泡膨脹及脫離時(shí)間先是減小，當(dāng)平均氣速超過某一值后，tg開始增加。因此tg隨平均氣速u變化的過程存在最小值，并且tg的最小值隨管徑的增加而增大。圖11中各曲線單個(gè)氣泡膨脹及脫離時(shí)間最小值分別為35.1、32.6、28.9 ms。

2.5脫離階段氣泡圓度分布特性

圖12給出了平均氣速分別為1.1和2.3 m·s-1下25號(hào)管脫離階段橢球形氣泡長短軸比、等效球形氣泡脫離直徑dg隨時(shí)間的變化規(guī)律。本文利用橢球形氣泡長短軸比L來表征氣泡脫離階段各時(shí)刻形狀特征

式中，A、B分別為橢圓形氣泡的長軸和短軸。

圖12　脫離階段氣泡圓度變化分布（25號(hào)管）Fig.12　Bubble circular degree change distribution in detachment stage （No. 25 pipe）

圖12中dg（u=1.1 m·s-1）、L（u=1.1 m·s-1）和dg（u=2.3 m·s-1）、L（u=2.3 m·s-1）分別為平均氣速為1.1和2.3 m·s-1下等效球形氣泡脫離直徑和長短軸比。從圖中等效球形氣泡脫離直徑-時(shí)間變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，平均氣速越小，氣泡脫離階段經(jīng)歷的時(shí)間越長，兩種氣速下的脫離階段時(shí)間分別為69和56 ms。平均氣速較大時(shí)的管口氣泡脫離直徑也較大。分析橢球形氣泡長短軸比-脫離時(shí)間變化曲線可知，氣泡長短軸比L隨時(shí)間變化過程中存在時(shí)間分界點(diǎn)。時(shí)間分界點(diǎn)之前，L值在2.0附近波動(dòng)，說明氣泡主要以橢圓形存在。在時(shí)間分界點(diǎn)之后到氣泡脫離階段結(jié)束時(shí)，L值明顯增加，氣泡向扁橢球體發(fā)展。圖12中兩種平均氣速下橢球形氣泡長短軸比L變化曲線的時(shí)間分界點(diǎn)分別為56和43 ms。

3　結(jié)　論

（1）頂端浸沒豎直向下平口管口氣泡形成演變過程可分成兩個(gè)階段：膨脹階段和脫離階段。本實(shí)驗(yàn)條件下管口處氣泡脫離階段經(jīng)歷的時(shí)間遠(yuǎn)比膨脹階段經(jīng)歷的時(shí)間長，如直徑為2.5 mm平口管在平均氣速為1.7 m·s-1時(shí)管口氣泡脫離階段經(jīng)歷的時(shí)間為47.2 ms，膨脹階段經(jīng)歷的時(shí)間為16.9 ms。

（2）同一平均氣速下氣泡脫離直徑隨管徑增加而逐漸增大。同一管徑下氣泡脫離直徑隨著平均氣速增加而增加的過程中明顯存在氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，并且氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變氣速隨管徑增加而減小。在氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)之前，氣泡脫離直徑呈近似線性增加，在氣泡脫離形態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)之后，氣泡脫離直徑平緩增加。同一管徑下氣泡膨脹脫離模式可分為單個(gè)氣泡形成和氣泡聚并形成兩種。

（3）氣泡生成機(jī)理有間歇生成氣泡、含抽吸間歇生成氣泡和連續(xù)生成氣泡3種。同一管徑下單個(gè)氣泡膨脹及脫離時(shí)間隨平均氣速增加而減小，對(duì)應(yīng)的氣泡生成頻率增加。本實(shí)驗(yàn)條件下直徑為2 mm的平口管在平均氣速為3.1 m·s-1時(shí)，管口處存在抽吸現(xiàn)象，最大泡齡kmax為7.5，小于其他平均氣速下的kmax值。

（4）脫離階段氣泡經(jīng)歷的時(shí)間隨平均氣速增加而減小，氣泡脫離直徑隨平均氣速增加呈近似線性增加，且平均氣速越大增加值越大。本實(shí)驗(yàn)條件下直徑為2.5 mm平口管兩種平均氣速下氣泡脫離階段經(jīng)歷的時(shí)間分別為56和69 ms。脫離階段氣泡長短軸比-脫離時(shí)間變化曲線存在時(shí)間分界點(diǎn)，時(shí)間分界點(diǎn)前，橢球形氣泡長短軸比L值在2.0附近波動(dòng)，氣泡主要以橢球形存在；時(shí)間分界點(diǎn)后，L值明顯增加，氣泡向扁橢球體發(fā)展。

符號(hào)說明

A ——橢球形氣泡實(shí)際長軸長，mm

a ——橢球形氣泡幀圖片中長軸長，mm

B ——橢球形氣泡實(shí)際短軸長，mm

b ——橢球形氣泡幀圖片中短軸長，mm

D ——平口細(xì)管實(shí)際直徑，mm

Di——平口細(xì)管實(shí)際內(nèi)徑，mm

Do——平口細(xì)管實(shí)際外徑，mm

d ——平口細(xì)管幀圖片中直徑，mm

dg——等效球形氣泡脫離直徑，mm k ——泡齡

kmax——最大泡齡

k0——泡齡為0時(shí)所有點(diǎn)的連線

L——橢球形氣泡長短軸比

t——?dú)馀菖蛎浢撾x時(shí)間，ms

tg——單個(gè)氣泡膨脹及脫離時(shí)間，ms

u——平口管內(nèi)平均氣速，m·s-1

ug——?dú)馀菝撾x形態(tài)轉(zhuǎn)變氣速，m·s-1

下角標(biāo)

g——?dú)庀?/p>

i——內(nèi)部

max——最大值

o——外部

0——所有值為0

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Expansion and detachment characteristics of bubble at downward nozzle of vertical flat pipe

WU Xuan1，2， JIAO Jingjing1， LIANG Panlong1， JIN Guang1， WU Wenfei2
（1School of Energy and Environment， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， Inner Mongolia， China；2Key Laboratory of Integrated Exploitation of Bayan Obo Multi-Metal Resources， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， Inner Mongolia， China）

Gas bubbles in liquid influence efficiency of mass and heat transfer. Much efforts on the observation of expansion and detachment of bubble at upward nozzle have been conducted， while that of downward nozzle is rarely known. In this article， the expansion and detachment of bubble at the downward nozzle of vertical flat pipe was observed by a high speed camera. Effect of the nozzle diameter and average gas velocity on bubble size and time of formation was investigated. The bubble age， k and the diameter ratio of long axis to short axis， L describe bubble position and bubble shape， respectively. It showed that three kinds of mechanism of intermittent formation，intermittent formation with suction and continued formation exist in bubble formation. With the variation of detachment diameter of bubble as a function of average gas velocity， a critical point representing the evolution of bubble detachment exists. The expansion and detachment of bubble along with average gas velocity， follow two types of single bubble formation and coalescence formation. The suction phenomenon occurred at 3.1 m·s-1of average gas velocity， of which kmaxis minimized. In the detachment stage， a critical point of detachment time exists in the evolution of L as a function of time， namely， L allocates around 2.0 with mostly ellipsoidal bubblebefore the critical point， however， L increases significantly with the formation of flat ellipsoidal bubble after the critical point.

date： 2015-09-21.

Prof. JIN Guang， wlzhebei@126.com

supported by the National Natural Science Foundation of China （51166010） and the Natural Science Foundation of Inner Mongolia（2014MS0530）.

gas-liquid flow； downward nozzle； bubble； hydrodynamics

TQ 027.3

A

0438—1157（2016）05—1868—10

2015-09-21收到初稿，2015-12-22收到修改稿。

聯(lián)系人：金光。第一作者：吳晅（1976—），男，博士，副教授。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51166010）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014MS0530）。