王鑫，李美慧，李曉磊，楊轉(zhuǎn)，何利民

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噴嘴釋放單氣泡的聲發(fā)射特性

王鑫，李美慧，李曉磊，楊轉(zhuǎn)，何利民

（中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)系，山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580）

利用聲發(fā)射技術(shù)在單氣泡發(fā)生實(shí)驗(yàn)裝置中研究了氣液兩相流中單氣泡的動(dòng)力學(xué)特性，使用自行開(kāi)發(fā)的采集處理程序進(jìn)行氣泡聲信號(hào)的參數(shù)提取，采用統(tǒng)計(jì)分析、小波變換和快速傅里葉變換對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域范圍的分析。分析結(jié)果表明，聲發(fā)射技術(shù)可以檢測(cè)到管內(nèi)氣泡的聲信號(hào)，具有較高的信噪比，且聲信號(hào)隨著噴嘴尺寸的增大而增大，隨著液相表面張力的減小而減小。比較不同噴嘴直徑下氣泡的頻率譜，發(fā)現(xiàn)噴嘴釋放氣泡發(fā)出的聲信號(hào)頻率為150～200 kHz，且隨著噴嘴直徑的增大，峰值頻率相應(yīng)增大，提出了聲信號(hào)峰值頻率與氣泡尺寸之間的關(guān)聯(lián)式。同時(shí)得到了氣泡上升過(guò)程中的連續(xù)形態(tài)變化，分析了氣泡產(chǎn)生聲音的機(jī)理。研究表明，聲發(fā)射技術(shù)是一種靈敏度高、測(cè)量手段方便的方法，可用于氣液兩相流氣泡運(yùn)動(dòng)特性的檢測(cè)。

氣液兩相流；氣泡；測(cè)量；聲發(fā)射

引 言

氣泡廣泛存在于鼓泡塔反應(yīng)器、海浪破碎、流體機(jī)械汽蝕、油氣混輸管路等多種工業(yè)過(guò)程中。氣泡的產(chǎn)生、合并、撞擊以及破碎等現(xiàn)象不僅會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，還會(huì)引起機(jī)械振動(dòng)、固體表面腐蝕等現(xiàn)象，給管壁以及下游的設(shè)備造成一定的破壞[1-3]。氣泡動(dòng)力學(xué)即研究氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及氣泡與周?chē)后w之間的相互作用[4]。目前用于氣泡動(dòng)力學(xué)的測(cè)試方法有電導(dǎo)探針?lè)?、高速攝像法、伽馬射線(xiàn)法、超聲波法以及聲發(fā)射法等[5-9]，探針?lè)▽儆谇秩胧綔y(cè)試，探針易對(duì)被測(cè)氣泡產(chǎn)生影響，而攝像法要求被測(cè)對(duì)象透明，且易受人為因素影響。聲發(fā)射是材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性應(yīng)力波的現(xiàn)象[10-12]，聲發(fā)射技術(shù)作為一種非侵入式測(cè)量方法，其探測(cè)到的能量來(lái)自被測(cè)物體本身，而無(wú)須外加超聲發(fā)射器或射線(xiàn)源，易于使用且具有較高的敏感性。

由于聲發(fā)射技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，近來(lái)一些學(xué)者對(duì)其在兩相流方面的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究。Sinha[13]利用水聽(tīng)器和多普勒探針研究了氣泡的聲特性，測(cè)得氣泡頻率在5 kHz左右。Manasseh等[14]利用高速攝像和水聽(tīng)器研究了氣泡產(chǎn)生及合并的聲特性，測(cè)得氣泡頻率小于3.8 kHz。Divoux等[15]利用低頻傳感器研究了非牛頓流體下自由液體表面氣泡破裂的聲發(fā)射特性。Helen等[16]提出了噴嘴釋放氣泡的聲壓波動(dòng)關(guān)聯(lián)式。但這些研究均采用水聽(tīng)器，其測(cè)量頻率范圍為0.006 Hz～30 kHz，即只得到了低頻區(qū)域的聲信號(hào)，對(duì)于高頻區(qū)域的信號(hào)研究不足，且這種侵入式測(cè)量方法在工業(yè)檢測(cè)中應(yīng)用困難并容易受到周?chē)h(huán)境噪聲的干擾。

非侵入式的聲發(fā)射技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法已經(jīng)成功應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，且聲發(fā)射傳感器可以檢測(cè)的聲信號(hào)頻率范圍較寬，但這種方法在氣泡動(dòng)力學(xué)方面應(yīng)用較少，Shuib等[17]將聲發(fā)射傳感器應(yīng)用于氣泡動(dòng)力學(xué)中，首次將聲發(fā)射信號(hào)與氣泡運(yùn)動(dòng)特性關(guān)聯(lián)起來(lái)，但其只是定性的初步檢測(cè)，并沒(méi)有定量分析兩者之間的聯(lián)系。范小強(qiáng)等[18]利用聲發(fā)射技術(shù)提出了填料塔液泛氣速的判據(jù)。方立德等[19]利用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行了垂直管氣液兩相流動(dòng)的檢測(cè)，成功進(jìn)行了流型識(shí)別，表明了聲發(fā)射技術(shù)的可行性。故利用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行氣泡動(dòng)力學(xué)的研究具有極大的發(fā)展?jié)摿脱芯恳饬x。

本文擬采用聲發(fā)射以及高速攝像同步的技術(shù)對(duì)噴嘴釋放氣泡的高頻區(qū)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，使用自行開(kāi)發(fā)的聲信號(hào)采集處理軟件進(jìn)行聲發(fā)射參數(shù)的提取，并利用統(tǒng)計(jì)分析、小波分析和快速傅里葉進(jìn)行分析，擬合氣泡聲信號(hào)峰值頻率與氣泡尺寸的關(guān)聯(lián)式，為氣液兩相管流的聲發(fā)射檢測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

1 氣泡產(chǎn)生機(jī)理

液體中氣泡的產(chǎn)生、合并以及破碎都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)并發(fā)出聲音，氣泡振動(dòng)的機(jī)理主要有3種[20]。一是氣泡產(chǎn)生瞬間，氣泡壁閉合導(dǎo)致拉普拉斯壓力發(fā)生變化而產(chǎn)生振動(dòng)；二是氣泡生成時(shí)形狀變化打破原來(lái)的平衡狀態(tài)而產(chǎn)生振動(dòng)，即Minnaert氣泡呼吸振動(dòng)模型[21-22]；三是氣泡生成瞬間周?chē)后w對(duì)氣泡的沖擊作用產(chǎn)生振動(dòng)，即液體靜壓力的影響。一些研究者[23-25]認(rèn)為，拉普拉斯壓力以及液體靜壓力對(duì)氣泡產(chǎn)生聲音的影響較小，而氣泡呼吸振動(dòng)是氣泡發(fā)聲的主要因素。

液體底部噴嘴之所以可以產(chǎn)生氣泡是由氣泡內(nèi)部壓力、外部靜水壓力以及氣泡壁的表面張力共同作用的[26]。當(dāng)噴嘴內(nèi)部壓力大于附著在噴嘴表面液膜的表面張力和靜水壓力時(shí)，這層液膜將會(huì)被逐漸鼓出，形成半球狀氣泡；當(dāng)氣泡內(nèi)部壓力繼續(xù)增大時(shí)，內(nèi)外壓平衡后的剩余壓力（剩余壓力為內(nèi)外壓之差，=in-out）產(chǎn)生的作用力（作用于氣泡橫截面積的壓力，=p2）等于氣泡的表面張力（液體表面任意相鄰部分之間垂直于它們的單位長(zhǎng)度分界線(xiàn)相互作用的拉力，=2p）時(shí)，氣泡體積達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即p2=2p，此時(shí)為平衡時(shí)的拉普拉斯壓力；當(dāng)繼續(xù)鼓入氣體時(shí)，氣泡體積繼續(xù)增大，在表面張力的作用下使氣泡逐漸向閉合狀態(tài)發(fā)展，此時(shí)與噴嘴氣源連接處形成了狹窄的喉部區(qū)域，最終在外部液相壓力的作用下斷裂，形成完整氣泡。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包括氣泡發(fā)生系統(tǒng)、聲發(fā)射采集系統(tǒng)以及高速攝像系統(tǒng)3部分。氣泡發(fā)生系統(tǒng)主要由噴嘴、軟管、注射器以及有機(jī)玻璃管組成，有機(jī)玻璃管內(nèi)徑50 mm、高70 cm。聲發(fā)射采集系統(tǒng)包括傳感器、前置放大器、采集卡以及計(jì)算機(jī)，高速攝像系統(tǒng)包括高速攝像機(jī)和照明燈。采集系統(tǒng)硬件部分使用北京聲華SAEU2S型聲發(fā)射儀，傳感器為SR150M型，其測(cè)量頻率范圍為60～400 kHz，本實(shí)驗(yàn)采樣頻率為1 MHz。軟件系統(tǒng)為自行開(kāi)發(fā)的聲發(fā)射采集處理程序，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)以及聲發(fā)射參數(shù)的提取。測(cè)試前采用斷鉛方法對(duì)傳感器和測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了充分檢驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)有機(jī)玻璃管底部的注射器發(fā)射氣泡，管內(nèi)傳感器通過(guò)防水軟管密封后放入水中，管外同一水平位置放置另一個(gè)傳感器進(jìn)行聲信號(hào)的同步測(cè)量。利用敲擊管壁的方法使聲發(fā)射信號(hào)與高速攝像在時(shí)間軸上達(dá)到同步，來(lái)觀察各個(gè)過(guò)程中氣泡的形態(tài)變化。本實(shí)驗(yàn)選取了5種噴嘴尺寸以及不同液相黏度和液相表面張力的溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以研究氣泡物性和液相物性對(duì)氣泡聲信號(hào)的影響。

1—perspex pipe; 2—syringe; 3—globe valve; 4—nozzle; 5—AE sensors; 6—amplifier; 7—acquisition card; 8—computer; 9—high-speed camera; 10—lighting; 11—waterproof hose

表1 清水中氣泡聲發(fā)射參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 聲信號(hào)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析

由于噴嘴處生成氣泡的聲信號(hào)影響因素較多[17]，不僅與噴嘴大小、形狀有關(guān)，還與液體的物性參數(shù)有關(guān)，故首先對(duì)聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以判斷敏感性較大的參數(shù)。本文分析的參數(shù)有持續(xù)時(shí)間(DT)、上升時(shí)間(RT)、幅值(AMP)、平均電壓電平(ASL)、均方根值(RMS)、絕對(duì)能量值(ABS)以及振鈴計(jì)數(shù)(counts)，選取其中一次氣泡聲信號(hào)進(jìn)行放大，各個(gè)參數(shù)在原始波形圖中的定義如圖2所示，其中絕對(duì)能量值表示信號(hào)波包絡(luò)線(xiàn)下的面積，反映事件的相對(duì)能量或強(qiáng)度，由電壓值平方的積分與參考電阻（10 kW）的比值計(jì)算[27-28]。根據(jù)測(cè)試環(huán)境的背景噪聲選取參數(shù)閾值為0.024 mV進(jìn)行計(jì)算，表1為清水中不同噴嘴直徑測(cè)得的聲發(fā)射參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，可以看出幅值的標(biāo)準(zhǔn)差最小，為平均值的1.6%，說(shuō)明幅值具有較好的同一性，可以很好地表征聲發(fā)射活動(dòng)特性。除此之外，絕對(duì)能量值與振鈴計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差也較小，且隨著噴嘴尺寸的改變其變化趨勢(shì)較為明顯。故以下選取幅值、持續(xù)時(shí)間、絕對(duì)能量值以及振鈴計(jì)數(shù)進(jìn)行聲特性分析。

3.1.1 液相表面張力對(duì)聲信號(hào)的影響 本實(shí)驗(yàn)使用十二烷基苯磺酸鈉進(jìn)行不同濃度表面活性劑溶液的配比，濃度分別為0、10、20、40 mg·L-1，經(jīng)測(cè)量對(duì)應(yīng)表面張力分別為0.073、0.058、0.051、0.044 N·m-1。圖3分別為幅值、持續(xù)時(shí)間、絕對(duì)能量值、振鈴計(jì)數(shù)隨噴嘴直徑以及表面活性劑濃度的變化?？梢钥闯龈鱾€(gè)聲發(fā)射參數(shù)隨噴嘴直徑的增大都呈增大趨勢(shì)，且直徑越大，聲發(fā)射信號(hào)增大的趨勢(shì)越明顯。其中聲信號(hào)絕對(duì)能量值表現(xiàn)得比較明顯，噴嘴直徑小于5 mm測(cè)得的能量值變化較小，而噴嘴直徑大于5 mm測(cè)得的能量值迅速增大，說(shuō)明噴嘴越大產(chǎn)生的氣泡越大，其存儲(chǔ)的潛能越大，所發(fā)出的聲信號(hào)越大。本實(shí)驗(yàn)假定噴嘴尺寸等于氣泡尺寸，但隨著噴嘴尺寸的增大，氣泡的大小難以控制，這是因?yàn)閲娮煸酱螅瑲馀菰趪娮焯幍某跏剂魉僭降?，氣泡形狀越不容易保持，由于噴嘴邊緣效?yīng)的存在，大氣泡尾部易攜帶破碎的小氣泡，使聲信號(hào)明顯增大。

由圖3還可以看出，隨著液相表面活性劑濃度的增大，其表面張力逐漸減小，氣泡在噴嘴處所發(fā)出的信號(hào)也隨之降低。這是因?yàn)樵诘捅砻鎻埩ο?，噴嘴處氣泡的浮力大于表面張力而使氣泡保持較小的體積狀態(tài)，其與噴嘴分離時(shí)所發(fā)出的能量隨之減小。除此之外，低表面張力下，氣泡的單位面積表面張力自由能也較小，進(jìn)而使氣泡喉部收縮的速度減慢，發(fā)出的聲信號(hào)也較小。

3.1.2 液相黏度對(duì)聲信號(hào)的影響 本實(shí)驗(yàn)使用羧甲基纖維素鈉進(jìn)行不同黏度溶液的配比，并采用安東帕流變儀進(jìn)行黏溫特性測(cè)量，選取25℃測(cè)量溫度，100 s-1剪切速率下的黏度值，其黏度范圍為1～10 mPa·s。圖4分別為不同噴嘴直徑下測(cè)得的幅值、絕對(duì)能量值隨液相黏度的變化。由圖中可以看出隨著液相黏度的增大，聲發(fā)射參數(shù)值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且噴嘴直徑越大，這種變化趨勢(shì)越明顯，聲發(fā)射幅值和絕對(duì)能量值也越大。這是因?yàn)殡S著黏度的增大，液相分子間作用力增大，在氣泡喉部收縮時(shí)周?chē)后w會(huì)迅速?zèng)_擊到氣泡喉部位置，使氣泡產(chǎn)生較大的振動(dòng)，發(fā)出的聲信號(hào)增強(qiáng)；當(dāng)液相黏度繼續(xù)增大時(shí)，液相分子結(jié)構(gòu)更加緊密，對(duì)聲信號(hào)的傳播產(chǎn)生較大的抑制作用，從而使測(cè)得的聲信號(hào)減小。對(duì)于較大的噴嘴直徑，其釋放的氣泡尺寸也變大，使氣泡的表面張力自由能隨之增大，喉部收縮帶來(lái)的沖擊力會(huì)相應(yīng)增大，使得其產(chǎn)生的聲發(fā)射能量增大。

3.2 聲信號(hào)時(shí)頻特性分析

3.2.1 傳感器距離的影響 表2為管內(nèi)外傳感器測(cè)得的聲信號(hào)參數(shù)，圖5為其對(duì)應(yīng)的原始聲信號(hào)波形，豎線(xiàn)代表氣泡產(chǎn)生聲信號(hào)的起始時(shí)間。由圖中可以看出，管內(nèi)傳感器測(cè)得的聲信號(hào)明顯比管外強(qiáng)，且管外聲信號(hào)到達(dá)時(shí)間相比管內(nèi)有一定的延遲。這說(shuō)明聲信號(hào)可以通過(guò)液體以及有機(jī)玻璃管傳播到管壁外，雖然聲信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的衰減和時(shí)間延遲，但氣泡信號(hào)的幅值遠(yuǎn)大于周?chē)肼暤男盘?hào)，即具有較高的信噪比，說(shuō)明聲發(fā)射這種非侵入式測(cè)量手段具有較高的靈敏度，可以有效實(shí)現(xiàn)管內(nèi)多相流聲信號(hào)的檢測(cè)。

表2 管內(nèi)外傳感器測(cè)量聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)

3.2.2 聲信號(hào)頻域特性分析 前面分析的原始信號(hào)波形圖均為時(shí)域范圍內(nèi)的信息，為了進(jìn)一步分析氣泡產(chǎn)生聲信號(hào)的頻率分布規(guī)律，需要對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換，本文利用傅里葉變換和小波變換兩種方法進(jìn)行頻域分析。

圖6為清水中各噴嘴尺寸氣泡聲信號(hào)的原始波形、快速傅里葉變換圖以及小波變換時(shí)頻圖，由傅里葉變換圖可以看出聲信號(hào)的頻率范圍主要為150～200 kHz，隨著噴嘴直徑的增大，此頻率范圍所對(duì)應(yīng)的幅值也相應(yīng)地增大，且最大幅值處的頻率值逐漸向右移動(dòng)，即最大幅值所對(duì)應(yīng)的頻率成分逐漸增大，說(shuō)明氣泡尺寸越大，其喉部收縮時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)越大，發(fā)出的聲信號(hào)隨之增大。雖然傅里葉變換可以清楚地反映出頻率變化范圍，但無(wú)法對(duì)某一頻率段所對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息進(jìn)行分析，故采用小波變換[29]的方法。圖6中小波變換時(shí)頻圖可以清楚地看到各個(gè)時(shí)間段內(nèi)信號(hào)的頻率強(qiáng)度變化情況，氣泡發(fā)生階段所對(duì)應(yīng)的頻率范圍為150～200 kHz的聲信號(hào)能量值較高，小波系數(shù)較大，并與周?chē)尘霸肼曅盘?hào)頻率成分形成了明顯的對(duì)比，說(shuō)明這種測(cè)量分析手段在氣泡聲信號(hào)的檢測(cè)中具有較高的敏感性，能有效區(qū)分氣泡的頻率成分，為后續(xù)氣液兩相流的研究提供了理論基礎(chǔ)。

圖7給出了清水中氣泡聲信號(hào)的峰值頻率隨噴嘴直徑的變化，由圖可以看出聲信號(hào)頻率隨噴嘴直徑的增大呈指數(shù)增大趨勢(shì)。對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行指數(shù)擬合，關(guān)系式如下

=157.89265 + 0.02232exp(0.80165) (1)

由圖7可以看出擬合曲線(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好吻合。

3.3 氣泡形態(tài)分析

由于液體中存在各種作用力，在氣泡上升過(guò)程中會(huì)發(fā)生形態(tài)的變化[30-31]。圖8為清水中噴嘴直徑為5 mm的氣泡形態(tài)變化。在氣泡初始形成階段，由于液膜與噴嘴壁表面存在摩擦力，故氣泡處于被拉長(zhǎng)的狀態(tài)，如圖8(a)所示；但液膜間存在的表面張力促使氣泡壁向球面發(fā)展，氣泡在噴嘴邊緣處產(chǎn)生了向中間收縮的現(xiàn)象，如圖8(b)所示；隨著表面張力的繼續(xù)作用，氣泡與噴嘴內(nèi)氣體之間形成了一段非常狹窄細(xì)長(zhǎng)的雙曲型喉部區(qū)域，如圖8(c)所示；此時(shí)，表面張力加速了周?chē)后w向喉部的沖擊，使喉部迅速斷裂，氣泡與母體分離，氣泡閉合并呈現(xiàn)倒圓錐狀，如圖8(d)所示；與此同時(shí)，這部分液體仍具有一定的勢(shì)能，并沿著原來(lái)的方向向著氣泡中心移動(dòng)，使氣泡尾部向內(nèi)形成了一個(gè)凸起，如圖8(e)所示；新產(chǎn)生的自由表面存在一定的表面自由能，促使凸起逐漸向氣泡內(nèi)部發(fā)展，使氣泡內(nèi)的氣體被壓縮，氣泡底部呈現(xiàn)扁平狀，如圖8(f)所示；又由于氣泡表面存在應(yīng)力波，隨著氣泡上升的過(guò)程逐漸由氣泡底部上升到氣泡壁頂部，且氣泡內(nèi)部壓力逐漸增大，此時(shí)氣泡頂部出現(xiàn)了一個(gè)小凸起，如圖8(g)所示；而后氣泡在內(nèi)外壓和表面張力的聯(lián)合作用下趨于光滑扁平狀繼續(xù)上升，最后達(dá)到自由液面，如圖8(h)所示。

通過(guò)連續(xù)變化的氣泡形態(tài)圖片與聲信號(hào)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于氣泡喉部曲率半徑非常小，導(dǎo)致喉部分界面上有較大的拉普拉斯壓力的突變，在液膜表面張力的作用下，表面張力自由能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使氣泡喉部迅速夾止斷裂，并產(chǎn)生向內(nèi)的凸起，氣泡壓力發(fā)生變化，促使氣泡產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生了較強(qiáng)的振動(dòng)聲波，而此振動(dòng)聲波可以被高頻傳感器檢測(cè)到，并可以通過(guò)擬合的峰值頻率與氣泡尺寸的關(guān)聯(lián)式判斷氣泡尺寸大小。

4 結(jié) 論

以噴嘴釋放單氣泡為研究模型，基于聲發(fā)射技術(shù)，利用統(tǒng)計(jì)分析、時(shí)域分析以及頻域分析，揭示了不同噴嘴直徑下，不同液相物性中氣泡的聲信號(hào)特性，并提出峰值頻率與氣泡尺寸之間的關(guān)聯(lián)式。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，氣泡產(chǎn)生的聲信號(hào)參數(shù)隨著噴嘴直徑的增大而增大，隨著液相表面張力的減小而減小，隨液相黏度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。經(jīng)小波分析得氣泡聲信號(hào)的主要頻率范圍為150～200 kHz，擬合發(fā)現(xiàn)峰值頻率與氣泡尺寸之間符合指數(shù)規(guī)律的關(guān)聯(lián)式。結(jié)合氣泡形狀的變化分析了聲信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)表明，雖然聲發(fā)射信號(hào)傳播時(shí)衰減較快，但管外壁傳感器測(cè)得的單氣泡信號(hào)仍具有較高的信噪比，這說(shuō)明聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于氣液兩相流氣泡運(yùn)動(dòng)特性是可行的方法。

符 號(hào) 說(shuō) 明

ABS——聲發(fā)射絕對(duì)能量值，nJ AMP——聲發(fā)射幅值，V ASL——聲發(fā)射平均電壓電平，V Cw——十二烷基苯磺酸鈉溶液濃度，mg·L-1 counts——聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù) DT——聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間，ms d——噴嘴直徑，mm RMS——聲發(fā)射均方根值，V RT——聲發(fā)射上升時(shí)間，ms T1——聲信號(hào)到達(dá)時(shí)間，ms T2——聲信號(hào)結(jié)束時(shí)間，ms

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Acoustic emission characteristics of single nozzled bubble

WANG Xin, LI Meihui, LI Xiaolei, YANG Zhuan, HE Limin

(Provincial Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation, College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China)

Dynamic characteristics of single bubbles in gas-liquid two-phase flow were studied by acoustic emission technique in an experimental setup of single bubble generator. Parameters of acoustic emission signal in bubbles were extracted using self-developed data acquisition and processing program. The acoustic signals in time and frequency domains were then analyzed by statistical analysis, wavelet transform and fast Fourier transform. The results showed that the acoustic emission technique could detect acoustic signals of bubbles inside tube with a high signal to noise ratio, which the acoustic signal increased with the size of nozzle but decreased with the surface tension of liquid. By comparing frequency spectra of bubbles from nozzle with different diameters, it was found that the acoustic signal frequency emitted by bubbles was between 150—200 kHz and peak frequency increased with nozzle diameter. A correlation function was proposed between peak frequency of acoustic signals and bubble diameter. Meanwhile, a continuous bubble evolution diagram was obtained for bubble floating up and generation mechanism of acoustic signals by bubbles was analyzed. The study demonstrates that acoustic emission technique is highly sensitive and very convenient for measurement of bubble motions in gas-liquid two-phase pipe flow.

gas-liquid flow; bubble; measurement; acoustic emission

10.11949/j.issn.0438-1157.20161794

TE 832

A

0438—1157（2017）05—1794—09

王鑫(1973—)，男，副教授。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51376197)。

2016-12-23收到初稿，2017-02-08收到修改稿。

2016-12-23.

WANG Xin, wangxin@upc.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51376197).