施放深度對氣泡水體攜帶能力影響的實驗研究

王 涌，金良安，2，徐 上，韓云東

（1.海軍大連艦艇學院航海系，遼寧 大連 116018；2.中國科學院大連化學物理研究所，遼寧 大連 116023）

施放深度對氣泡水體攜帶能力影響的實驗研究

王 涌1，金良安1，2，徐 上1，韓云東1

（1.海軍大連艦艇學院航海系，遼寧 大連 116018；2.中國科學院大連化學物理研究所，遼寧 大連 116023）

水中上升氣泡對周圍水體的攜帶能力受多方面因素的影響，由于測量手段缺乏等原因，其影響規律研究一直是兩相流領域的難點。引入氣泡上升攜帶水量的概念表征其水體攜帶能力的大小，進而利用專門設計的實驗裝置，采用雙液分離測量法，調整噴嘴至27.5～52.5cm之間的不同施放深度，進行氣泡上升攜帶水量的測量實驗。結果表明：在注氣量（20ml）和注氣速度（3ml／s）等一定的條件下，隨著氣體施放深度的增加，氣泡水體攜帶能力呈現緩慢增強并逐漸穩定的總趨勢，但其間（施放深度約35.0～45.0cm）該能力會略有下降，并有極小值出現；且在絕大多數情況下，小口徑噴嘴生成氣泡的水體攜帶能力稍強。上述結論可為化工等領域工程應用中設計合理氣體施放深度、確定最佳噴嘴口徑等問題提供參考依據。

水中氣泡；水體攜帶能力；氣泡施放深度；影響規律；兩相流

0 引 言

上升氣泡廣泛存在于浮選、曝氣、分離、污水處理以及艦船尾流抑制等軍事工程應用過程中，其與周圍流體的相互作用，對氣液兩相流的整體流動與傳熱特性等有著至關重要的影響，是兩相流及多相流領域研究的熱點和難點［1－3］。現有文獻多集中于氣泡周圍流體速度場的數值模擬實驗研究［4－8］，而實際工程應用中更具指導意義的往往是上升氣泡對周圍水體的攜帶能力，至今未見與之直接相關的文獻報道。

鑒于當前對上升氣泡水體攜帶能力的測量及表征技術的迫切需求［9－11］，特引入氣泡上升攜帶水量的概念對其進行表征，并利用專門研制的原理性實驗裝置，采用雙液分離測量法，調整噴嘴至不同的氣體施放深度，進行氣泡上升攜帶水量測量實驗，研究其對氣泡水體攜帶能力的影響規律，以便為相關領域的工程應用設計提供參考依據。

1 實驗設計與實現

1.1 實驗原理

氣泡在水中上升運動的過程中，由于氣液兩相間的作用等，會攜帶其附近一定范圍內的水體隨之向上運動，且該范圍越大，氣泡的水體攜帶能力就越強。鑒于其確切邊界難以確定，特從工程應用的實際需求出發，采用上升氣泡能夠攜帶至某一特定高度的水體的體積來表征氣泡水體攜帶能力，并將其定義為氣泡上升攜帶水量。

由于氣泡上升攜帶的水體往往與周圍的水混在一起，對其進行有效分離和準確測量的難度較大，針對這一難題，特設計了雙液分離測量的方法，其原理如下：

選取密度小于水且與之不互溶的柴油與水構成雙液，并分別盛裝于上液池和下液池中（見圖1）。由于密度差異，柴油（上液）和水（下液）會自行分層，形成油水界面，通過調整下液的水位，可使油水界面剛好位于下液池的頂端面。當來自下液（水）底部的上升氣泡越過油水界面時，其攜帶的水體將隨之進入到上液（柴油）中。在此基礎上，設法使柴油以適當的速度做水平方向的平穩旋轉運動（如圖2虛線所示），即可將上升氣泡攜帶至柴油中的水迅速帶離下液池上方區域，并因密度較大而逐漸沉降至上液池底部，從而實現攜帶水體的有效分離。由于上液池的底面具有一定坡度（見圖1），上述分離水體將滑落至相對較低的區域，并可經由閥門移出，從而進行較為準確地測量，測得的分離水量越多，表明氣泡的水體攜帶能力越強。

需要說明的是：實驗過程中，難免有少部分水體來不及被帶離下液池上方區域而又回落至下液池中，但通過改進實驗工藝，可使這部分水量盡可能減少，因此，在研究氣體施放深度對氣泡水體攜帶能力的影響時，可認為測得的分離水量與氣泡上升攜帶水量近似相等。

1.2 實驗裝置

基于上述雙液分離測量的思想，專門研制了相應的原理性實驗裝置（見圖1），主要包括3個部分：攜帶水體分離裝置、氣泡生成裝置、油水界面穩控裝置。

攜帶水體分離裝置用于實現氣泡上升攜帶水體的有效分離（見圖1）。該裝置的主體部分由兩個半徑不同的圓柱形容器連接而成（上大下小），居上位置的稱為上液池，直徑50.3cm，高34cm，其坡面向閥門處稍傾斜，以便收集被有效分離的氣泡上升攜帶水體；居下位置的稱為下液池，直徑21cm，高55.3cm，置于上液池底面偏高一側，其頂端面水平且稍高于上液池底部。本例中下液為水，上液為柴油，由于二者之間存在密度差異且互不相溶，必然會自動分層形成油水界面。產生于下液池底部的上升氣泡越過該油水界面時，其攜帶的水體將隨之進入到上液中，實現與氣泡周圍未被攜帶水體的分離。為防止上述攜帶水體回落至下液池，還需要特定的上液流場形成裝置（見圖2）：其專用油泵置于上液池外，進液口和出液口分別開設于上液池內壁的相應位置以構成循環管路，且高于下液池頂端面約6～10mm，使得上液能以適當速度做水平方向的平穩旋轉運動，且對油水界面幾乎不構成擾動，以便將上升氣泡攜帶至柴油中的水迅速帶離下液池上方區域，從而實現攜帶水體的有效分離。

圖1 雙液分離測量裝置Fig.1 Dual－fluid separation experimental apparatus

圖2 上液流場形成原理示意圖Fig.2 Sets to form up－liquid flow field

氣泡生成裝置用于產生實驗所需的氣泡，主要包括噴嘴、導氣管、注射器等（見圖1）。噴嘴的形狀、口徑、垂向深度和水平位置等均可任意調整，以研究不同特征氣泡的水體攜帶能力。為控制注氣速度，注射器由直流電機推動，經測量，其可控速度范圍約2～40ml／s。

油水界面穩控裝置與下液池相連通，用于調整下液的水位，使之處于將要從下液池頂端溢出而并未溢出的狀態，即油水界面剛好處于下液池的頂端面，以確保各組實驗的初始條件一致。

1.3 實驗方法

實驗時，下液池注滿水，上液池注入柴油，油層厚度（油面至下液池頂端面）約9.5cm，通過油水界面穩控裝置調整下液水位，使油水界面恰好位于下液池的頂端面。直流電機以3ml／s的速度推動注射器，一次性注入20ml空氣形成上升氣泡群。

考慮到不同口徑噴嘴生成氣泡的特征會有所不同，進而影響其水體攜帶能力，特選取大口徑（d＝2.5mm）和小口徑（d＝0.6mm）兩種噴嘴生成氣泡以使實驗更為完善。

經前期實驗，噴嘴的水平位置距下液池中軸線約7.8cm時，分離水量最大，故特將噴嘴置于此位置進行實驗，以獲得較大的分離水量，從而減小測量誤差。

調整噴嘴至下液面的垂直距離，選取27.5、32.5、35、37.5、40、42.5、45、47.5、50.0和52.5cm 等不同氣體施放深度，分別進行氣泡上升攜帶水量的測量實驗。為減小誤差，每組實驗進行20次重復測量，并取其平均值作為實驗數據。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗結果

在不同氣體施放深度條件下，對大、小兩種口徑噴嘴生成氣泡的上升攜帶水量進行測量，其具體結果如表1所示。

表1 不同氣體施放深度生成氣泡的上升攜帶水量Table 1 Water volume carried by bubbles at different injecting depth

2.2 分析與討論

2.2.1 總體趨勢的分析與討論

為直觀起見，可據表1繪制成圖3，其橫坐標表示氣體施放深度，縱坐標表示氣泡上升攜帶水量。由圖3可知，隨著氣體施放深度的增加，氣泡上升攜帶水量逐漸增加并趨于穩定，其主要原因在于施放深度對氣泡上升速度的變化有顯著影響，具體分析如下：

圖3 氣體施放深度與氣泡上升攜帶水量的關系Fig.3 Relationship between carrying water volume and air injecting depth

隨著氣體施放深度的增加，氣泡在水中上升的高程也不斷增加，其運動至油水界面附近的瞬時上浮速度逐漸增大，使得其周圍水體獲得的隨之向上運動的速度也相應增大，越過油水界面的能力有所增強，因而分離得到的氣泡上升攜帶水量也逐漸增加。當氣體施放深度較大時（大于45.0cm），氣泡運動至油水界面附近的瞬時上浮速度已達到相對穩定的極限速度，其與周圍水體的相互作用也基本達到動態平衡，使得氣泡上升攜帶水量受施放深度的影響不再顯著，而是逐步趨于平穩。上述現象表明，隨著氣體施放深度的增加，氣泡水體攜帶能力具有緩慢增強并逐漸穩定的總體趨勢。

由圖3還可看出：當氣體施放深度在某一區間內時（35.0～45.0cm），兩種口徑噴嘴生成氣泡的上升攜帶水量均會稍有減小，并有極小值出現，這與氣泡間的聚并作用等密切相關。

注氣速度一定時，噴嘴附近氣泡的生成具有一定的周期性，表現為相鄰氣泡的垂向間距大致相等；隨著氣泡上升高程的不斷增加，氣泡的垂向間距會隨之增大或減小；繼續上升至某一高度，間距較小的相鄰氣泡就會出現聚并現象［12］。本實驗中，注氣速度一定（3ml／s），且注氣量相等（20ml），實驗時采用攝像法對不同施放深度條件下大、小口徑噴嘴生成氣泡的上升過程進行直接拍攝，選擇適當時機截圖并經圖像處理后可得圖4和圖5。顯見：氣體施放深度增大時，氣泡上升高程也隨之相應增加，其垂向間距發生變化；當施放深度增大至一定程度時，相鄰氣泡開始出現聚并現象（大、小口徑噴嘴分別對應40.0和35.0cm），其攜帶的有效水體發生部分重疊，使得單位體積氣體擁有的氣液接觸面積有所減小，因而氣泡上升攜帶的總水量會隨之減少，且在聚并作用較為顯著的相應深度（大、小口徑噴嘴分別對應45.0和42.5cm），往往有攜帶水量極小值的出現，相應地，此時氣泡的水體攜帶能力也降至最低。

圖4 不同施放深度生成氣泡的上升情況（小口徑噴嘴）Fig.4 Rising bubbles of different air injecting depth（d＝0.6mm）

圖5 不同施放深度生成氣泡的上升情況（大口徑噴嘴）Fig.5 Rising bubbles of different air injecting depth（d＝2.5mm）

2.2.2 影響規律的深入分析與討論

由上述分析可知，采用不同口徑噴嘴生成氣泡，其水體攜帶能力的總體變化趨勢基本一致，即隨著氣體施放深度的增大，氣泡的水體攜帶能力逐漸增強，其間略有降低，且施放深度增大至一定程度后（大于45.0cm）逐步趨于穩定。但進一步觀察圖3可知，不同口徑噴嘴生成氣泡的水體攜帶能力仍略有差異：絕大多數情況下，小口徑噴嘴生成氣泡的水體攜帶能力稍強，這主要與不同口徑噴嘴生成氣泡的尺度及其分布特征有關。

對比圖4和圖5可知：在注氣速度（3ml／s）和注氣量（20ml）相同的情況下，小口徑噴嘴生成氣泡的尺度較小，且數量相對較多，其與周圍水體發生作用的氣液接觸面積也相應較大，因而在絕大多數情況下，小口徑噴嘴生成氣泡的水體攜帶能力相對稍強。

在特定施放深度內（37.5～45.0cm），大口徑噴嘴生成氣泡的水體攜帶能力反而較強，主要原因在于相鄰氣泡間聚并作用的程度不同，具體分析如下：

由于小口徑噴嘴生成的氣泡數量較多（見圖4），單位體積內的氣泡間距相對較小，發生聚并作用的幾率較大，施放深度較小時（35.0cm），相鄰氣泡間就開始出現聚并現象，氣泡的水體攜帶能力被削弱；隨著施放深度的增加，相鄰氣泡間的聚并作用進一步加劇，氣泡的水體攜帶能力逐漸降低；當施放深度達到一定程度時（42.5cm），降至最低，相應地測得的攜帶水量也最小（140.2ml），至于曲線為什么會在這一區域附近存在一個明顯的“谷點”，這也是值得后續深入研究的問題。而大口徑噴嘴生成的氣泡尺度相對較大，相同注氣量條件下生成氣泡的數量也較少（見圖5），使得相鄰氣泡間的距離較大，施放深度較大時（40.0cm）才發生聚并作用，且持續時間較短，氣泡的水體攜帶能力只是稍有降低，當施放深度為45.0cm時，攜帶水量即達到極小值（171.8ml），稍高于小口徑噴嘴生成氣泡的最小攜帶水量。因此，在相鄰氣泡間聚并作用較為顯著的特定施放深度內（37.5～45.0cm），大口徑噴嘴生成氣泡的水體攜帶能力相對較強。

3 結 論

引入氣泡上升攜帶水量的概念表征其水體攜帶能力的大小，進而利用專門設計的原理性實驗裝置，采用雙液分離測量法，以互不相溶的水和柴油為介質，對27.5～52.5cm之間10個不同施放深度生成氣泡的攜帶水量進行測量，研究了氣體施放深度對氣泡水體攜帶能力的影響規律，結論如下：

（1）在注氣量和注氣速度等一定的情況下，氣體施放深度對氣泡水體攜帶能力有顯著影響，其總體趨勢是：氣泡水體攜帶能力隨氣體施放深度的增加而緩慢增強并逐漸趨于穩定，但其間（35.0～45.0cm）該能力會稍有下降，并有極小值出現。

（2）絕大多數情況下，小口徑噴嘴生成氣泡的水體攜帶能力稍高，但在特定施放深度范圍內（37.5～45.0cm），大口徑噴嘴生成氣泡的水體攜帶能力反而相對較強。

考慮到實際工程應用中往往需要上升氣泡具有相對較強的水體攜帶能力，因而應盡量選取較小口徑的噴嘴，并在水體攜帶能力相對穩定的施放深度較大的區域內生成氣泡。上述結論可為上升氣泡在化工、環境及軍事等諸多領域的工程應用提供參考依據，有關噴嘴口徑、注入氣量等對氣泡水體攜帶能力影響的具體規律有待于后續進一步深入研究。

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王 涌（1974－），女，山東濰坊人，博士研究生，講師。研究方向：軍事航海安全保障與防護技術。通信地址：遼寧省大連市中山區解放路667號航海系（116018）；聯系電話：13387851670；E－mail：little＿walnut＠126.com

Experimental research for influence of injecting depth on water volume carried by bubbles

WANG Yong1，JIN Liang－an1，2，XU Shang1，HAN Yun－dong1
（1.Dept.of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian Liaoning 116018，China；2.Dalian Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences，Dalian Liaoning 116023，China）

The rising bubble's capacity to carry water is influenced by many factors.For the lack of technologies to measure it，the investigation on influence laws of the capacity is a difficult point of gas－liquid two－phase flow research.In this paper，the concept of water carried by bubbles volume was introduced to characterize rising bubble's capacity to carry water surrounding bubbles，and the special experimental apparatus was made.The influence laws of different air injecting depth（27.5～52.5cm）on bubble's capacity to carry water were studied by this equipment with water and diesel fuel.The results show that air injecting depth will significantly affect bubble's capacity to carry water with the same air volume（20ml）and injection rate（3ml／s）.The capacity will increase correspondingly with air injecting depth increasing and tend to approach stable，though in some special depth（35.0～45.0cm）it will decrease to a minimum.And the bubbles which are from smaller nozzle will carry more water.The conclusion will help to find optimal air injecting depth or more rational nozzle diameter，and it will be valuable in other related fields.

bubble in water；capacity to carry water；air injecting depth；influence laws；twophase flow

O359＋.1

A

1672－9897（2011）06－0049－05

2011－04－18；

2011－07－30

“十一五”國防預研項目（51314020103）