本文關(guān)鍵詞：高速攝影技術(shù)對水中氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第29卷第10期光子學(xué)報(bào)Vol129No110；2000年10月ACTA；PHOTONICASINICAOctober；2000；高速攝影技術(shù)對水中氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究；張建生1呂青1孫傳東2盧笛2陳良益2；(1西安工業(yè)學(xué)院,西安710032)；(2中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,西安710；摘要?dú)馀菰谠S多不同過程中起著重要作用1,即；基于對氣泡的特性研究,

第29卷第10期　　　　　　　　　　　　　　　　　光子學(xué)報(bào)　　　　　　　　　　　　　　　Vol129No110

2000年10月　　　　　　　　　　ACTA

PHOTONICASINICA　　　　　　　　　October

2000　

高速攝影技術(shù)對水中氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究

張建生1　呂　青1　孫傳東2　盧　笛2　陳良益2

(1西安工業(yè)學(xué)院,西安　710032)

(2中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,西安　710068)

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摘　要　氣泡在許多不同過程中起著重要作用1,即

基于對氣泡的特性研究,氣泡,具有直觀、低費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn),,量1實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,,它,并與高速攝影所得到的,;氣泡

0　引言

　　在很多實(shí)驗(yàn)和工程問題中,水中的氣泡起著重要作用,對于這些問題的求解必然依賴于對水中氣泡的分布、氣泡的特性的掌握1比如,海洋表面附近的氣泡在許多不同過程中起著重要作用,這些過程包括水下聲波的傳播、氣象學(xué)、海洋表面化學(xué)、空化、大氣2海洋氣體交換、液滴噴射、有機(jī)粒子的形成、細(xì)菌傳播、化學(xué)物質(zhì)分餾、激光在水下的傳輸?shù)?氣泡廣泛存在于海水、河水、湖水等各種條件的水中,氣泡的生成可能有多種原因,如波浪的破碎產(chǎn)生的氣泡、浮游生物產(chǎn)生的氣泡、各種塵埃產(chǎn)生的氣泡、各種微擾(包括大氣流動(dòng)、各種振動(dòng)、聲波、湍流等)產(chǎn)生的氣泡、存在于艦船尾流中的氣泡11艦船尾流中的氣泡提供了這樣一個(gè)線索,即基于對氣泡的特性研究,并以此對艦船進(jìn)行追蹤是一種獨(dú)特的方法1

由于存在附加壓強(qiáng)、浮力、介質(zhì)的粘滯阻力以及壓差阻力,還有不同溫度、風(fēng)力和光照下介質(zhì)表面蒸發(fā)速率的影響,加之在運(yùn)動(dòng)過程中氣泡的形變、分裂、結(jié)合、熄滅以及位移,每個(gè)氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和衰減情況大不相同1對于氣泡的研究基本有兩類方法,即聲學(xué)和光學(xué)技術(shù),其中光

3

學(xué)技術(shù)主要有照相技術(shù)、激光散射技術(shù)和激光全息技術(shù)2,31用高速攝影技術(shù)來研究氣泡,具有直觀、低費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn),配合以半自動(dòng)膠片判讀儀,可獲得較為詳細(xì)的關(guān)于氣泡的參量1

1　氣泡動(dòng)力學(xué)

關(guān)于氣泡的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)問題,Garrettsong給出了一種基于牛頓運(yùn)動(dòng)定律的較為直觀的理論4,這一理論考慮了水中氣泡的受力情況、氣泡表面活性物質(zhì)及水流的影響,得到了氣泡加速度的表達(dá)式1

111　氣泡的加速度

對于單個(gè)氣泡而言,它在水中的運(yùn)動(dòng)情況受很多因素的影響,這些因素包括水的流速、水的粘滯特性、氣泡的尾流特性、氣泡的慣性等1如果分別用v、V(r,t)來表示氣泡速度和水的流速(其中r表示位置矢量,t表示時(shí)間),氣泡體積Ρ、氣體密度Θ、水的密度Θ0,如果氣泡完全被水支配,氣泡將受到一個(gè)力Θ0ΡdV??dt1對于更為一般的情況,如果氣泡內(nèi)氣體的密度與其所在流體的密度可能相等或者不等1如果Θ≠Θ0即氣泡不

國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金試點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào):99JS2613111ZK1801)

收稿日期:2000203210

10期　　　　　　　　　　　　　　張建生等1高速攝影技術(shù)對水中氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究953

為流體所完全支配,此時(shí)氣泡相對于流體的速度為u=v-V,氣泡將受到一個(gè)拉力FD,這一力下面進(jìn)一步討論1

在氣泡運(yùn)動(dòng)過程中,它將要帶著一部分水(用Β表示所帶水量與氣泡的體積比)共同運(yùn)動(dòng),根據(jù)牛頓第三定律,這一附加質(zhì)量將引起一個(gè)附加項(xiàng)(-ΒΡΘ0du??dt),這一項(xiàng)使得氣泡的有效慣性質(zhì))k,在量增加1此外,氣泡受到一浮力Ρg(Θ-Θ∧

此k表示豎直向上方向的單位矢量1考慮到所有這些因素,根據(jù)牛頓第二定律,氣泡的加速度可表示為

+a=

ΡΘ??ΘΒ+Θ??Θ0(Β+Θ0)0

∧

(+

Β+Θ??Θ0

其中

(2)dV??dt=5)V112∧

至氣泡的尾流區(qū),水流為紊流或湍流,這一部分的

阻力可由下式給出

(4)FT=-0.5DcΘ0s1uu式中Dc是阻力系數(shù),對200<Re<1000的氣泡,

0.55≤Dc≤0.651

在沒有表面活性物質(zhì)的情況下,s1非常小(對于Reμ1的情況,s1～12??Re)流過氣泡的水流基本不被分開,此時(shí)阻力可由式(3)給出,其中取k=12Π1另一方面,當(dāng)氣泡的一部分表面積s0覆蓋有單層的表面活性物質(zhì)時(shí),于零,(4)中0,與式(3)一起給1

21,氣泡在水中的運(yùn)動(dòng)得以被研究1氣泡可以根據(jù)雷諾數(shù)(Reynoldsnumber)Re=uΘ0??Γ進(jìn)行劃分,其中Γ為水的粘滯系數(shù)1觀察和實(shí)驗(yàn)表明,小(Re<1)氣泡和中等尺寸(1<Re<700)的氣泡保持為球形,而大(Re>700)氣泡要發(fā)生形變而變?yōu)闄E球形,特大(Re>4500)氣泡則不穩(wěn)定且易破裂1

對于水中的小氣泡(氣泡線度l≤100Λm),所受力為粘滯阻力,可表示為

(3)FV=-kΓlu其中k為比例系數(shù),對于表面為理想球面,干凈,

具有流動(dòng)雙流界面的氣泡,k=4Π1然而,在大多數(shù)情況下,其表面包含有表面活性物質(zhì),這會(huì)破壞其界面的流動(dòng)性,在這種情況下,氣泡表面的水的相對速度趨近于零,氣泡的行為象固體球一樣,這時(shí)k=6Π1

而對于中等尺寸(100Λm≤l≤2000Λm)的氣泡,通過它的水流會(huì)被分開,在氣泡表面的下游這一分開區(qū)域的面積我們用s1表示1在分開點(diǎn)以上,氣泡所受的阻力為粘滯力,作為合力的一部分由式(3)給出,其中取k=12Π1而在分開點(diǎn)以下直

使用棱鏡補(bǔ)償式高速攝影機(jī)(f:300mm,LBS

-500),借助于氣泡模擬器,在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下我們對清潔淡水中氣泡模擬器所產(chǎn)生的氣泡進(jìn)行了拍攝,利用中科院西安光機(jī)所設(shè)計(jì)制造的HJ991半自動(dòng)通用膠片判讀儀對所拍攝的膠片進(jìn)行了判讀1實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行,所溫27°C,風(fēng)力0～1級(jí),人工強(qiáng)光源,氣泡模擬器位于水槽底部(水深016m),所拍攝氣泡位于水面下013m實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示

1

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

Fig.1　Schemeofexperimentalapparatus

212　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用半自動(dòng)膠片判讀儀對所拍攝的部分氣泡進(jìn)行判讀,經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到其中六個(gè)氣泡的速度變化規(guī)律如圖2所示1圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為氣泡上升速度,所對應(yīng)的氣泡直經(jīng)分別為0136mm、0130mm、0146mm、0185mm、0137mm、0195mm1氣泡末速度與氣泡直經(jīng)的關(guān)系繪于圖31

　光子學(xué)報(bào)　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　29卷95　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　4

圖2,06分別表示六個(gè)不同的氣泡

～Bubble06expresssixbubblesrespectivelyF

2versustime.Bubble01

擬器所產(chǎn)生的,也就是說,氣泡從模擬器表面脫離

時(shí)具有較大的初速度v0,而且具有很小的初始線度l0,此時(shí)它的整體行為類似于剛性粒子,在剛進(jìn)入水中的短時(shí)間內(nèi)會(huì)受到水對它的沖力作用,所以速度有一個(gè)快速減小的過程1第二,在氣泡上升過程中,由于氣泡內(nèi)外壓強(qiáng)差的增加,它的線度在逐漸增大,由于尾流的形成以及可能的表面吸附物質(zhì),使得氣泡所受阻力的增加超過浮力的增

圖3　氣泡末速度與氣泡直徑的關(guān)系

Fig.3　Terminalrateandbubbleradius

3　分析與討論

實(shí)驗(yàn)條件下,水的粘滯系數(shù)為11002×1023

3

(Pa.s),水的密度為110×103kg??m,空氣的密度

3

為1120kg??m1利用這些參量,再考慮到實(shí)驗(yàn)時(shí)氣泡運(yùn)動(dòng)的初始條件(初速度、初始線度大小、初始位置),利用上述氣泡動(dòng)力學(xué)規(guī)律,容易計(jì)算得到氣泡的速度變化規(guī)律1

實(shí)驗(yàn)時(shí)氣泡運(yùn)動(dòng)的初始條件表示為t=0,l=l0,v=v0,r=r0,根據(jù)加速度的定義a=dv??dt,有dv=adt,根據(jù)氣泡加速度表達(dá)式(1),可得速度表達(dá)式

v=v(t,l0,l,r0,r,V)由此計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)是一致的,而且與文獻(xiàn)1所給出的結(jié)果是一致的1

從圖2可以看出,氣泡上升速度的大小都在隨著時(shí)間減小1之所以有這一結(jié)果,是因?yàn)閮煞矫娴脑��?其一,在實(shí)驗(yàn)條件下,氣泡是由氣泡模

加,從而使其速度逐漸減小1

圖3給出的結(jié)果表明,不同大小的氣泡在上升過程中速度的變化并不相同1雖然在上升過程各氣泡所受阻力的增加超過浮力的增加,但每個(gè)氣泡所受的這兩個(gè)力的大小關(guān)系不同1由圖可以看出,較小和較大的氣泡末速度小于中等大小氣泡的末速度;水中氣泡的末速度存在一極大值,這一極值所對應(yīng)的氣泡直徑為0146mm

4　結(jié)論

通過對采用高速攝影技術(shù)拍攝的氣泡圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,并與氣泡動(dòng)力學(xué)理論相對照,可歸納出以下結(jié)論:

1)水中氣泡上升速度的大小都在隨著時(shí)間減小;

2)不同大小的氣泡在上升過程中速度的變化并不相同,水中氣泡的末速度當(dāng)氣泡直徑為0146mm時(shí)存在一極大值1

　　3)利用高速攝影機(jī)與膠片判讀儀配合來研

10期　　　　　　　　　　　　　　張建生等1高速攝影技術(shù)對水中氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究955

究氣泡的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律是一種可行的方法1參考文獻(xiàn)

1　張建生,孫傳東,冀邦杰等1氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及光學(xué)特性1魚雷技術(shù),2000,8(1):11～15

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～463Res,1981,86(C1):457

3　.MedvinH,BreitsND.Ambientandtransientbubblespectraldensitiesinquiescentseasandunderspillingbreakers

～12759JGeophRes,1989,94(C9):12751

4　GarrettsonGA.Bubbletransporttheorywithapplicationtotheupperocean.JFluidMech,1973,59(1):187～206

THEMOMENTOFAIRBUBBLESWATERBYUSEOFHIGH1122

ZhangJiansheng,LuQingLiLiangyi

1of,X′an710032

2XiandPMechanics,AcademiaSinica,Xi′an710068

Receiveddate:2000-03-10

Abstract　irbubblesplayimportantrolesinlotsofprocesses.Studyingofbubblesinshipwakes

makesitfeasibletoshadowthetarget.Highspeedphotography(HSP)asadirectandcheapmeansofresearchingairbubblescangetthedetailwiththecoordinationofsemi2automaticfilmjudgmentandreadinginstrument.Theascentratedecreaseswithtimeandtheterminalvelocityhasanextremevaluecorrespondingtobubbleswithfixeddiameteraccordingtotheexperiment.Bubbledynamics,discussedindetailinthispaper,comparedwiththedataofbubbleimagesgotofHSP,givestheimportanceforusingHSPtostudyingthemomentofairbubblesalongoftheconsistenceofresults.Keywords　Highspeedphotography;Airbubble

ZhangJiansheng　wasbornin1966,graduatedfromtheNormalUniversityofShaanxi(NUS)is1988andreceivedhismaster’sdegreeinPhysicsDepartmentfromNUS.NowheisaPhDcandidateinXi’anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofScience.HeiscurrentlyalecturerinXi’anInsti2tuteofTechnologytoo.HisresearchinterestsincludeSERSandopticalengineer2ing.

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