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高速攝像機(jī)觀測(cè)不同管口浸沒方式下氣泡生成行為特性
千眼狼高速攝像機(jī)成功助力科研工作者完成三種管口浸沒方式下氣泡生成行為過程的可視化實(shí)驗(yàn)與三維數(shù)值模擬。
關(guān)于氣泡行為運(yùn)動(dòng)特性研究
在環(huán)境、化工等工業(yè)領(lǐng)域中，如何保障工業(yè)設(shè)備（如鼓泡塔、流化床、換熱器）安全運(yùn)行，如何提高能源傳遞效率是研究熱點(diǎn)。其中，對(duì)氣泡及其運(yùn)動(dòng)特性的觀測(cè)研究可為工業(yè)過程優(yōu)化與提升提供重要依據(jù)。
氣泡行為特性與管口處氣泡生成特性關(guān)聯(lián)度很高，依據(jù)管口在液池中的浸沒方式可分為底吹（管口向上）、側(cè)吹（管口水平布置）、頂吹（管口向下）三種。
高速攝像機(jī)主要應(yīng)用于觀測(cè)平口管口處氣泡生成運(yùn)動(dòng)演變過程、探析氣泡脫離直徑隨平口管內(nèi)氣體流量的變化規(guī)律、探析氣泡膨脹脫離過程中氣液流程的分布特性規(guī)律三大細(xì)分領(lǐng)域。
為實(shí)現(xiàn)清晰的觀測(cè)，搭建具有尺寸參考的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，來自內(nèi)蒙古科技大學(xué)的吳晅教授及其科研團(tuán)隊(duì)制作了如下的實(shí)驗(yàn)裝置：
實(shí)驗(yàn)裝置
準(zhǔn)備一套可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，組成如圖1所示。液池采用鋼化玻璃，尺寸30cm×30cm×80cm。平口管口分別以管口向上的底部浸沒方式、管口水平布置的側(cè)面浸沒方式和管口向下的頂部浸沒方式分別浸沒在液體中，管口距液態(tài)液面垂直高度為20cm，氣體進(jìn)口流量采用流量計(jì)調(diào)節(jié)。采用千眼狼Revealer高速攝像機(jī)2F04（1080×720@450 fps）搭配佳能微距鏡頭觀測(cè)氣泡在管口處生成運(yùn)動(dòng)過程,曝光時(shí)間設(shè)定為600μs，采集周期為2222μs，同時(shí)采用cameralink 8bit接口，支持采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)。
圖1 可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
裝置詳解
1、上位機(jī)處理系統(tǒng)2、Cameralink數(shù)據(jù)線3、千眼狼Revealer2F04高速攝像機(jī)4、空壓機(jī)5、閥門6、流量計(jì)7、橡膠管8、橡皮塞9、液池10、不銹鋼管11、鋼化玻璃容器12、柔光布13、LED太陽燈
觀測(cè)平口管口處氣泡生成運(yùn)動(dòng)的演變過程
氣泡生成運(yùn)動(dòng)的演變過程，可具體劃分為“生成-膨脹-頸縮”脫離三個(gè)階段。高速攝像機(jī)觀測(cè)下，發(fā)現(xiàn)底吹、側(cè)吹、頂吹三種形式下氣泡脫離時(shí)間不同，形態(tài)規(guī)則亦有所不同（如圖2~4）。時(shí)間維度，側(cè)吹形式下氣泡整個(gè)膨脹脫離所需時(shí)間短，頂吹所需時(shí)間長；形態(tài)維度，底吹形式規(guī)則的圓形，側(cè)吹形式下的氣泡由扁球狀變?yōu)槟⒐綘罱K以近似球型脫離，而頂吹形式下氣泡的形態(tài)由半球向橢球過渡，且主要以橢球形態(tài)為主。
圖2 底吹形式下的氣泡生成運(yùn)動(dòng)
圖3 側(cè)吹形式下的氣泡生成運(yùn)動(dòng)
圖4 頂吹形式下的氣泡生成運(yùn)動(dòng)
探析氣泡脫離直徑變化規(guī)律
氣泡在脫離管口時(shí)的直徑與平口管內(nèi)氣體流量的變化規(guī)律相關(guān)。高速攝像機(jī)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，三種浸沒方式下，氣泡脫離直徑隨氣體流量的增加而增大，其中頂吹式下的氣泡脫離直徑大。而側(cè)吹式下，受氣泡膨脹方向與所受的壓力、重力、浮力等不在同一方向上的影響，抑制了氣泡的有效膨脹，致使第III階段頸縮提前，導(dǎo)致氣泡脫離直徑?。ㄒ妶D5）。
圖5 三種形式下氣泡脫離直徑
探析氣泡膨脹脫離過程中氣液流場的分布特性
吳晅教授的科研團(tuán)隊(duì)利用數(shù)理模型對(duì)氣泡膨脹脫離過程中的氣液流場分布特性進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬參數(shù)鎖定管口內(nèi)徑均為6mm、管口氣體流量為0.3L/min。高速攝像機(jī)觀測(cè)到底吹式氣泡生成后向上膨脹運(yùn)動(dòng)，底部出現(xiàn)氣泡頸縮的向內(nèi)速度并過渡到脫離階段，此時(shí)氣泡上升速度開始加大，上升過程中對(duì)液體產(chǎn)生擾動(dòng)，形成渦流，進(jìn)一步促進(jìn)氣泡脫離（見圖6）。
圖6 底吹方式下管口處氣液流程速度矢量圖
側(cè)吹方式下，高速攝像機(jī)發(fā)現(xiàn)氣泡生成后，先向管口正前方做膨脹運(yùn)動(dòng)，隨著體積增加，在逐漸增強(qiáng)的浮力作用下，出現(xiàn)向上的流場速度和加速度，并對(duì)液體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而在氣泡兩側(cè)出現(xiàn)渦旋（見圖7）。
圖7側(cè)吹方式下管口處氣液流場速度矢量圖
頂吹方式下，氣泡生成后向管口下方及兩側(cè)做膨脹運(yùn)動(dòng)，但高速攝像機(jī)很快觀測(cè)到管口處的流程速度出現(xiàn)反折向上的趨勢(shì)，說明氣泡已有向下膨脹運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到向上運(yùn)動(dòng)脫離的階段，并對(duì)周邊液體產(chǎn)生擾動(dòng)，形成尾流效應(yīng)。平口管管口的兩側(cè)，氣泡與液體之間產(chǎn)生的相反運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致渦旋的產(chǎn)生，并隨著脫離時(shí)間的增加而增強(qiáng)（見圖8）。
圖8 頂吹方式下管口處氣液流程速度矢量圖
作為可視化實(shí)驗(yàn)*的一環(huán)，高速攝像機(jī)可助力科研人員精準(zhǔn)觀測(cè)氣泡形態(tài)演變?nèi)^程及關(guān)鍵特征參數(shù)的獲取，輔助建立科學(xué)的數(shù)值模型，掌握氣泡行為規(guī)律，更好地服務(wù)于工業(yè)設(shè)備的研發(fā)。（此文引用化工學(xué)報(bào)，版權(quán)歸化工學(xué)報(bào)所有）