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(méi)方式下氣泡生成行為過(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(guò)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(lái)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(méi)方式、管口水平布置的側(cè)面浸沒(méi)方式和管口向下的頂部浸沒(méi)方式分別浸沒(méi)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(guò)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(mén)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(yáng)燈
觀測(cè)平口管口處氣泡生成運(yùn)動(dòng)的演變過(guò)程

       氣泡生成運(yùn)動(dòng)的演變過(guò)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(zhǎng)；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(guò)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(méi)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)致氣泡脫離直徑小（見(jiàn)圖5）。

圖5 三種形式下氣泡脫離直徑

探析氣泡膨脹脫離過(guò)程中氣液流場(chǎng)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(guò)程中的氣液流場(chǎng)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(guò)渡到脫離階段，此時(shí)氣泡上升速度開(kāi)始加大，上升過(guò)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(jiàn)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(chǎng)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(jiàn)圖7）。

圖7側(cè)吹方式下管口處氣液流場(chǎng)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(shuō)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(jiàn)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)^(guò)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）