靜水中氣泡上浮過程的高速攝影研究

趙瑤

摘 要：通過高速攝影技術來研究靜水中上浮的氣泡，以此獲得比較詳細的關于氣泡的參數，對氣泡上浮過程中的形態變化、速度變化、運動軌跡等現象進行觀察和分析。上浮氣泡在船泊與海洋工程以及現代醫學、生物、核能利用等領域都有相關的應用，通過對氣泡進行基礎性研究最終為工程應用提供相關的參考依據。

關鍵詞：高速攝影技術；上浮氣泡；氣泡參數

中圖分類號：TB126 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0081-02

Abstract： Through high-speed photography technology， this paper intends to study the bubble floating in still water， in order to obtain a more detailed bubble parameters， and the bubble floating on the process of morphological changes， changes in velocity， trajectory and other phenomena were observed and analyzed. Floating bubbles have related applications in marine engineering， modern medicine， biology， nuclear energy utilization and so on. Through the basic research of bubbles， the related reference data are provided for engineering applications at the end of the paper.

Keywords： high-speed photography； floating bubble； bubble parameter

氣液兩相流廣泛的存在人們的生活、生產中。其中，上浮的氣泡對于船舶運動、海洋工程、醫療、能源的開發與利用等領域發揮著重要的作用。所以，對氣泡上浮過程中運動參數以及運動特性的研究具有重大的工程意義。目前，國內外學者對于氣泡的各項特性指標已經做了大量的研究，包含數值模擬分析、理論計算、實驗測量、建模分析等方法。

隨著高速攝影技術的發展，為氣泡上浮過程的特性研究提供新的思路，使得對氣泡的研究不局限于數值模擬等方法。利用高速攝影技術來研究氣泡，直觀且能獲得較為詳細的關于氣泡的參數，具有重要的學術和工程意義。

1 氣泡運動的基本方程

首先對研究的氣泡進行假設：（1）氣泡在上浮過程中

始終保持球形；（2）在上浮過程中氣泡的半徑保持不變。當不考慮上浮過程中氣泡的加速度， 即在上浮的過程中氣泡只受到粘性阻力和浮力的作用時，可計算得到半徑為R的球形氣泡上浮的速度方程[1]為：

2 實驗

2.1 實驗裝置

高速攝像機、有機玻璃槽體（長*寬*高=20*20*50cm）、氣泡發生器、LED冷光源、針管。

2.2 實驗結果

在進行多次實驗后，利用高速攝像機成功拍攝出符合要求的圖片7000余張，最終選擇其中有代表性的三組不同初始速度上浮的氣泡進行數據分析。每組氣泡生成時對應的氣泡發生器的參數為：第一組流量3.0ml/min，第二組流量5.0ml/min，第三組流量1.0ml/min。通過拍攝的圖片進行數據處理，繪制出三個氣泡在上升過程中速度的變化規律曲線，如圖2所示。其中，橫坐標表示時間，縱坐標表示x軸方向的速度或y軸方向的速度。

以上為氣泡上浮過程中速度的變化規律曲線。之后，我們也對這三組氣泡上浮運動軌跡進行了數據處理并繪制出相應的曲線。如圖3所示。

3 分析與討論

從圖2可以看出，氣泡一開始速度不太穩定，x軸方向的速度在經過0.15秒左右開始隨著時間不斷減小，隨著氣泡上浮，由于氣泡內外壓強差的增加，它的線度在逐漸增大[2]。y軸方向的速度在最初由氣泡模擬器產生是具有較大的速度，加上浮力的作用，y軸方向的速度在一開始隨著時間增加，而在0.15秒左右開始下降，之后趨于穩定，此時，我們可以推斷出氣泡在y軸方向所受的阻力與浮力大致抵消，從而對氣泡的速度影響不大。結合圖2的三張圖進行比較，我們可以看出，不同生成速度的氣泡在上浮過程中速度變化規律基本一致。在上浮過程中氣泡所受阻力的增加以及浮力的增加也大致相同。

從圖3我們可以看出各組氣泡在上浮過程中的運動軌跡。氣泡在剛開始的上升運動軌跡為直線，之后改變方向，呈曲線上升，從整體看氣泡運動軌跡為Z字形，由于技術原因，我們只進行了一個平面的拍攝，屬于二維的運動軌跡。所以，具體氣泡上升過程中是否出現偏離所在平面不能反映出來。平面內呈現Z字型，實際的氣泡上升過程軌跡可能是螺旋狀運動。這無疑需要更細致、深入的實驗研究。

4 結束語

通過運用高速攝影技術進行實驗，對靜水中氣泡上浮過程進行拍攝、分析和研究，與氣泡動力學理論相對照，最終得出以下結論：（1）靜水中氣泡上浮過程水平速度先隨時間減小，之后隨時間增大，垂直速度先增大，后趨于穩定。（2）不同生成速度的氣泡在上浮過程中速度變化大致相同，由此得出結論，生成速度對氣泡上浮過程的速度變化規律沒有影響。（3）氣泡上浮過程的速度符合速度理論方程，所以利用高速攝影技術來研究氣泡的運動學規律是一種可行的方法。（4）靜水中氣泡上浮的平面運動軌跡剛開始是一條直線，之后呈曲線上升，總體上為Z字形，且氣泡的生成速度對氣泡的運動軌跡沒有影響。

參考文獻：

[1]石晟瑋，王江安，蔣興舟.水中微氣泡上浮過程的力學影響因子研究[J].海軍工程大學學報，2008，20（3）：83-87.

[2]張建生，呂青，孫傳東，等.高速攝影技術對水中氣泡運動規律的研究[J].光子學報，2000，29（10）：952-955.