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高速摄像机观测不同管口浸没方式下气泡生成行为特性

时间:2020-04-27 点击次数:136

     千眼狼高速摄像机成功助力科研工作者完成三种管口浸没方式下气泡生成行为过程的可视化实验与三维数值模拟。

关于气泡行为运动特性研究

       在环境、化工等工业领域中,如何保障工业设备(如鼓泡塔、流化床、换热器)安全运行,如何提高能源传递效率是研究热点。其中,对气泡及其运动特性的观测研究可为工业过程优化与提升提供重要依据。
气泡行为特性与管口处气泡生成特性关联度很高,依据管口在液池中的浸没方式可分为底吹(管口向上)、侧吹(管口水平布置)、顶吹(管口向下)三种。

       高速摄像机主要应用于观测平口管口处气泡生成运动演变过程、探析气泡脱离直径随平口管内气体流量的变化规律、探析气泡膨胀脱离过程中气液流程的分布特性规律三大细分领域。

千眼狼高速摄像机.png

      为实现清晰的观测,搭建具有尺寸参考的实验台,来自内蒙古科技大学的吴晅教授及其科研团队制作了如下的实验装置:
实验装置

       准备一套可视化实验系统,组成如图1所示。液池采用钢化玻璃,尺寸30cm×30cm×80cm。平口管口分别以管口向上的底部浸没方式、管口水平布置的侧面浸没方式和管口向下的顶部浸没方式分别浸没在液体中,管口距液态液面垂直高度为20cm,气体进口流量采用流量计调节。采用千眼狼Revealer高速摄像机2F04(1080×720@450 fps)搭配佳能微距镜头观测气泡在管口处生成运动过程,曝光时间设定为600μs,采集周期为2222μs,同时采用cameralink 8bit接口,支持采集数据实时传输至上位机。

图1 可视化实验系统.png

图1 可视化实验系统

装置详解
       1、上位机处理系统2、Cameralink数据线3、千眼狼Revealer2F04高速摄像机4、空压机5、阀门6、流量计7、橡胶管8、橡皮塞9、液池10、不锈钢管11、钢化玻璃容器12、柔光布13、LED太阳灯
观测平口管口处气泡生成运动的演变过程

       气泡生成运动的演变过程,可具体划分为“生成-膨胀-颈缩”脱离三个阶段。高速摄像机观测下,发现底吹、侧吹、顶吹三种形式下气泡脱离时间不同,形态规则亦有所不同(如图2~4)。时间维度,侧吹形式下气泡整个膨胀脱离所需时间最短,顶吹所需时间最长;形态维度,底吹形式规则的圆形,侧吹形式下的气泡由扁球状变为蘑菇状最终以近似球型脱离,而顶吹形式下气泡的形态由半球向椭球过渡,且主要以椭球形态为主。

图2 底吹形式下的气泡生成运动.png

图2 底吹形式下的气泡生成运动

图3 侧吹形式下的气泡生成运动.png

图3 侧吹形式下的气泡生成运动

图4 顶吹形式下的气泡生成运动.png

图4 顶吹形式下的气泡生成运动

探析气泡脱离直径变化规律

       气泡在脱离管口时的直径与平口管内气体流量的变化规律相关。高速摄像机观测发现,三种浸没方式下,气泡脱离直径随气体流量的增加而增大,其中顶吹式下的气泡脱离直径最大。而侧吹式下,受气泡膨胀方向与所受的压力、重力、浮力等不在同一方向上的影响,抑制了气泡的有效膨胀,致使第III阶段颈缩提前,导致气泡脱离直径最小(见图5)。

图5 三种形式下气泡脱离直径.png

图5 三种形式下气泡脱离直径

探析气泡膨胀脱离过程中气液流场的分布特性

       吴晅教授领衔的科研团队利用数理模型对气泡膨胀脱离过程中的气液流场分布特性进行数值模拟,数值模拟参数锁定管口内径均为6mm、管口气体流量为0.3L/min。高速摄像机观测到底吹式气泡生成后向上膨胀运动,底部出现气泡颈缩的向内速度并过渡到脱离阶段,此时气泡上升速度开始加大,上升过程中对液体产生扰动,形成涡流,进一步促进气泡脱离(见图6)。

图6 底吹方式下管口处气液流程速度矢量图.png

图6 底吹方式下管口处气液流程速度矢量图

       侧吹方式下,高速摄像机发现气泡生成后,先向管口正前方做膨胀运动,随着体积增加,在逐渐增强的浮力作用下,出现向上的流场速度和加速度,并对液体产生扰动,从而在气泡两侧出现涡旋(见图7)。

图7侧吹方式下管口处气液流场速度矢量图.png

图7侧吹方式下管口处气液流场速度矢量图

       顶吹方式下,气泡生成后向管口下方及两侧做膨胀运动,但高速摄像机很快观测到管口处的流程速度出现反折向上的趋势,说明气泡已有向下膨胀运动进入到向上运动脱离的阶段,并对周边液体产生扰动,形成尾流效应。平口管管口的两侧,气泡与液体之间产生的相反运动,导致涡旋的产生,并随着脱离时间的增加而增强(见图8)。

图8 顶吹方式下管口处气液流程速度矢量图.png

图8 顶吹方式下管口处气液流程速度矢量图

      作为可视化实验不可或缺的一环,高速摄像机可助力科研人员精准观测气泡形态演变全过程及关键特征参数的获取,辅助建立科学的数值模型,掌握气泡行为规律,更好地服务于工业设备的研发。(此文引用化工学报,版权归化工学报所有)

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