氣泡破裂及其夾帶特性行為測(cè)量綜述

姜 娜，虞 想，戚文華，王澤平

(1.中國(guó)國(guó)際工程咨詢有限公司，北京 100048；2.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

氣泡廣泛存在于工業(yè)和環(huán)境過(guò)程中，氣泡到達(dá)自由液面存留一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生破裂，其產(chǎn)生的液滴，作為一種關(guān)鍵的液-氣轉(zhuǎn)換過(guò)程，會(huì)對(duì)日常生活產(chǎn)生廣泛影響[1]。如海水中氣泡是形成海洋白浪的基本條件[2]，其破裂生成的海鹽氣溶膠對(duì)云的形成、輻射傳輸及海上氣象學(xué)產(chǎn)生較大的影響[3]，從而進(jìn)一步影響全球氣候[4]。氣泡破裂形態(tài)及載荷特性的研究在海洋工程中應(yīng)用十分廣泛，如船舶減阻、水下爆炸、可燃冰開(kāi)采和尾流噪聲等[5]。氣泡破裂也可能導(dǎo)致病原體等微生物的傳播[6]，帶有神經(jīng)毒素的氣溶膠甚至可能導(dǎo)致呼吸困難[7]。在核領(lǐng)域中，氣泡破裂的研究主要是針對(duì)核反應(yīng)堆事故工況，此時(shí)帶有放射性的氣溶膠可能會(huì)滯留在液池中，由于衰變熱的作用或壓力降低，液池沸騰產(chǎn)生氣泡。在安全殼的過(guò)濾排放系統(tǒng)中，當(dāng)氣體注入液池中也同樣會(huì)在液池中產(chǎn)生氣泡，當(dāng)氣泡上升到液池表面時(shí)，其破裂產(chǎn)生的液滴會(huì)將液相中帶有放射性的氣溶膠夾帶至氣相中。此類夾帶現(xiàn)象可簡(jiǎn)單地描述為通過(guò)氣力將液滴輸送到氣相中[8]。因此，為了對(duì)放射性源項(xiàng)特性進(jìn)行評(píng)估，需對(duì)與氣泡破裂特性和液滴夾帶特性相關(guān)的眾多參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

目前夾帶特性的研究主要有兩種方法[9]：1) 通過(guò)測(cè)量液滴的尺寸分布，并通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到液滴的夾帶量；2) 直接通過(guò)測(cè)量液滴的質(zhì)量或質(zhì)量流量，然后基于夾帶關(guān)系式來(lái)計(jì)算夾帶量。第1種方法主要是基于液相表面氣泡破裂特性的研究，第2種方法主要是基于工程夾帶特性的研究。本文就第1種方法對(duì)氣泡壽命、液膜厚度及液滴尺寸等與氣泡破裂相關(guān)的測(cè)量方法進(jìn)行總結(jié)。

1 氣泡破裂過(guò)程

液池中氣泡的產(chǎn)生有兩種方式[10]：向液相主體注入氣體或?qū)⒁合嘀黧w加熱至沸騰而產(chǎn)生氣泡。氣泡產(chǎn)生后會(huì)上浮至自由液面，排液一段時(shí)間后最終會(huì)導(dǎo)致破裂。其具體的過(guò)程可分為以下幾個(gè)階段：氣泡上浮[11]、液膜排液[12]、破裂點(diǎn)產(chǎn)生[13]、液膜卷曲[14]和液滴產(chǎn)生[15]。氣泡上浮至自由液面后液膜開(kāi)始排液，排液過(guò)程中液膜存在擾動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致在液帽上出現(xiàn)孔洞，即氣泡出現(xiàn)了破裂起始點(diǎn)，液膜在破裂點(diǎn)處以一定的速度發(fā)生卷曲，不斷地吸收周圍液體形成環(huán)狀物，當(dāng)環(huán)狀物的質(zhì)量增加大于產(chǎn)生其向心力的表面張力時(shí)，環(huán)狀物不再穩(wěn)定，斷裂形成膜液滴。在整個(gè)液帽破裂完成后在初始位置留下1個(gè)空腔，周圍液體補(bǔ)充到這個(gè)空腔中，形成噴射液滴。膜液滴往往是在氣泡破裂后的幾百微秒內(nèi)出現(xiàn)。而噴射液滴則往往是在氣泡破裂后的幾毫秒到幾十毫秒內(nèi)產(chǎn)生。其產(chǎn)生過(guò)程如圖1所示[16]。由于噴射液滴尺寸較大，會(huì)由于重力等因素重新回到液池中。相較于噴射液滴，生成膜液滴時(shí)的現(xiàn)象更為復(fù)雜，膜液滴尺寸更小、速度方向隨機(jī)，測(cè)量難度較大，且膜液滴更容易被夾帶至空氣中從而造成放射性源項(xiàng)的釋放。因此膜液滴的數(shù)量、尺寸、運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)的測(cè)量在核領(lǐng)域具有更高的應(yīng)用價(jià)值。

圖1 氣泡破裂產(chǎn)生液滴示意圖Fig.1 Schematic diagram of bubble bursting and droplet generation

2 氣泡及液滴參數(shù)的測(cè)量方法

自從膜液滴和噴射液滴的概念提出以來(lái)[17]，μm量級(jí)液滴的研究經(jīng)久不息。隨著科學(xué)手段的進(jìn)步，越來(lái)越多的儀器被用來(lái)測(cè)量氣泡破裂產(chǎn)生的液滴。測(cè)量的要求也越來(lái)越高，逐漸從數(shù)量、空間分布向速度、尺寸等物理量的方向發(fā)展。目前關(guān)于膜液滴測(cè)量的方法主要有：沉積測(cè)量法[18]、凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器[19]、全息成像技術(shù)[20]、OAP光學(xué)陣列探針[21]、高速攝像技術(shù)[22]、X射線傳播技術(shù)[23]等。通過(guò)上述方法測(cè)得了膜液滴的一些諸如數(shù)量、尺寸、速度、空間分布等重要信息。

隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)氣泡上浮至液面后的各參數(shù)與最終破裂生成液滴的過(guò)程相關(guān)。

2.1 氣泡壽命

氣泡壽命的定義為：氣泡到達(dá)自由液面處至氣泡破裂完成的時(shí)間間隔。氣泡壽命一般通過(guò)電子秒表或攝像機(jī)來(lái)測(cè)量。Burger等[2]測(cè)量了海水氣泡的壽命，發(fā)現(xiàn)隨濕度的減小和空氣流速的增加，使得氣泡附近的蒸發(fā)加快，并致使氣泡液帽上出現(xiàn)鹽濃度梯度，從而導(dǎo)致氣泡壽命顯著增加。

Zheng等[24]為了探究氣泡壽命與液相環(huán)境及氣泡半徑的關(guān)系，利用激光、示波器和光電探測(cè)器測(cè)量了氣泡直徑，利用電子秒表測(cè)量不同條件下的氣泡壽命，發(fā)現(xiàn)氣泡壽命Tl服從瑞利分布：

(1)

其中：d為氣泡直徑；σ為液相的表面張力；k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

Poulain等[1]發(fā)現(xiàn)氣泡壽命隨各參數(shù)變化并未呈現(xiàn)一致的規(guī)律，對(duì)不同液相溫度、氣相溫度、溶質(zhì)下氣泡壽命分布和氣泡的平均壽命進(jìn)行了測(cè)量，給出了歸一化氣泡壽命分布的計(jì)算公式(式(2))和平均壽命計(jì)算公式(式(3))，并發(fā)現(xiàn)結(jié)果與Zheng等[24]的結(jié)果相一致。

(2)

(3)

其中：PDF為概率密度函數(shù)，即歸一化氣泡壽命分布；ε為作者所定義的破裂常數(shù)；R為氣泡半徑；lc為毛細(xì)常數(shù)；tb為氣泡壽命；μ為黏度。

所測(cè)量到的氣泡壽命[1-2,24]通常是以秒量級(jí)計(jì)算的，相應(yīng)的誤差在0.05～0.1 s之間，因此運(yùn)用電子秒表或攝像機(jī)測(cè)量氣泡壽命，其結(jié)果能被廣泛接受。

2.2 液膜厚度

氣泡上浮至液面上方后會(huì)形成一球形或半球形的彎曲液膜(具體形狀取決于氣泡半徑)，稱之為液帽，液帽通過(guò)彎月牙區(qū)與液面相連接，并隨著產(chǎn)生1個(gè)空腔，如圖2所示[12]。圖2中，h為液膜厚度。

圖2 氣泡剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of bubble profile

Ke等[25]在研究液帽厚度等因素對(duì)氣泡破裂的影響時(shí)，運(yùn)用MFS(微點(diǎn)液膜厚度測(cè)量系統(tǒng))來(lái)測(cè)量液膜厚度。其工作原理是：垂直于氣泡液膜的白光入射下對(duì)薄膜邊界進(jìn)行反射光譜分析，通過(guò)從底面反射光反射出薄膜頂部表面的入射光的干涉來(lái)測(cè)量薄膜厚度。同時(shí)由于溶液中加入了表面活性劑，因此氣泡破裂時(shí)的厚度比Spiel[26]使用的自來(lái)水及Lhuissier等[12]使用的海水中的結(jié)果小得多。

Lporène等[13]為了探究表面活性劑對(duì)氣泡排液及破裂的影響，利用白光干涉技術(shù)測(cè)量了氣泡液膜的厚度，即在氣泡頂部用鹵素?zé)舭l(fā)射多色光，對(duì)反射光譜進(jìn)行分析，從而得到氣泡頂部的液膜厚度，并通過(guò)簡(jiǎn)化排液模型推導(dǎo)出液膜厚度的計(jì)算公式。

Nguyen等[27]為了探究液膜變薄和氣泡聚合對(duì)液膜排液特性的影響，運(yùn)用電荷耦合的照相機(jī)拍攝聚二甲基硅氧烷熔體中氣泡上浮至液面及排液的圖像，測(cè)量氣泡的排液時(shí)間，對(duì)具有高分辨率的圖像進(jìn)行處理，測(cè)量液膜厚度，并給出了液膜排液時(shí)間的計(jì)算公式。

Culick等[28]提出肥皂泡中的均勻平面液膜卷曲速率的計(jì)算公式(式(4))，該公式已被廣泛驗(yàn)證，并被用于求解曲面氣泡液膜厚度。

(4)

其中，v為液膜卷曲速率。

Spiel[26]利用該公式計(jì)算了海水氣泡的液膜厚度，發(fā)現(xiàn)液膜厚度與氣泡半徑呈正比，即h=R2/L(L為表征物性參數(shù)的常數(shù))。在此基礎(chǔ)上，Lhuissier等[12]推導(dǎo)出L的計(jì)算公式，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量化了其數(shù)值，通過(guò)一系列假設(shè)和簡(jiǎn)化推導(dǎo)出液膜厚度隨時(shí)間的變化(式(5))，即液膜厚度隨時(shí)間的變化規(guī)律為h～t-2/3。

(5)

其中：a為毛細(xì)常數(shù)；η為液相黏度；t為氣泡壽命。

Modini等[29]根據(jù)式(3)擬合了NaCl溶液及表面活性劑溶液中氣泡厚度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果的符合度較好。Poulain等[1]測(cè)量了不同氣液相溫度下的氣泡液膜厚度，發(fā)現(xiàn)氣液相溫差引起的馬蘭戈尼效應(yīng)最終會(huì)影響液膜的排液過(guò)程，進(jìn)而影響氣泡破裂時(shí)的液膜厚度。

目前關(guān)于液膜厚度的測(cè)量方法主要有兩種：一種是利用光學(xué)儀器測(cè)量氣泡液帽頂部處厚度；另一種是基于式(4)測(cè)量到的液膜卷曲速率計(jì)算得到平均液膜厚度。由于氣泡破裂行為的研究通常是可視化研究，在這一過(guò)程中能兼顧測(cè)量氣泡和膜液滴的參數(shù)，因此第2種方法被廣泛運(yùn)用于求解液面上方氣泡的液膜厚度。

2.3 膜液滴尺寸和數(shù)量

對(duì)單氣泡而言，其破裂產(chǎn)生膜液滴的尺寸及數(shù)量對(duì)于氣溶膠的夾帶至關(guān)重要。如果能定量測(cè)量膜液滴的數(shù)量及尺寸，就能預(yù)測(cè)總的氣溶膠產(chǎn)量，為工程設(shè)計(jì)提供理論支持。由于膜液滴是通過(guò)液膜卷曲后的珠鏈斷裂形成的，因此膜液滴尺寸均較小(μm量級(jí))，且破裂過(guò)程較為隨機(jī)，尺寸的測(cè)量也是最難實(shí)現(xiàn)的。

1) 沉積測(cè)量法

沉積測(cè)量法是物理粒度測(cè)量法的一種，即利用液滴撞擊樣品表面而留下彈坑或印痕，對(duì)這些試樣進(jìn)行測(cè)量、處理，并通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系就能得到液滴的尺寸。在一些高精度儀器出現(xiàn)前，此技術(shù)被廣泛應(yīng)用于測(cè)量膜液滴尺寸。

Spiel[26]采用氧化鎂涂層法測(cè)量了氣泡破裂產(chǎn)生的膜液滴的空間分布。在矩形墊片上涂上1層130 μm厚的氧化鎂涂層，將其卷成空心圓筒，并放置在氣泡周圍，氣泡破裂后產(chǎn)生的膜液滴撞擊壁面，對(duì)撞擊后的壁面進(jìn)行分析處理就能得到膜液滴的空間分布。對(duì)于氧化鎂涂層而言，當(dāng)其厚度為兩倍膜液滴尺寸時(shí)才能準(zhǔn)確用于測(cè)量膜液滴的尺寸，但厚度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致該涂層不穩(wěn)定，尤其是卷成圓筒狀時(shí)涂層脫落現(xiàn)象容易發(fā)生。因此使用氧化鎂涂層測(cè)量膜液滴尺寸的局限性較大。馬超等[30]提出了一種更加簡(jiǎn)潔易得的方法，利用染色液滴撞擊熟宣紙的鋪展特性，將熟宣紙卷成圓筒狀放置在氣泡周圍，收集氣泡破裂產(chǎn)生的液滴，通過(guò)液滴軌跡反推出氣泡破裂瞬間產(chǎn)生液滴的飛行方向和初始速度，處理得到液滴撞擊后的最大鋪展直徑，通過(guò)液滴撞擊壁面后的鋪展特性反推出液滴直徑。

不同于一般的光學(xué)儀器昂貴的價(jià)格，沉積測(cè)量法具有操作簡(jiǎn)單、材料易得等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量過(guò)程會(huì)對(duì)測(cè)量對(duì)象造成干擾，因此可能會(huì)造成實(shí)驗(yàn)精度的降低。

2) 凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器

使用諸如凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器這樣的光學(xué)儀器能減小人為操作帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差。其工作原理是：該儀器將攜帶待測(cè)粒子的空氣凝結(jié)，從而使得進(jìn)入儀器中的粒子能被內(nèi)部的激光檢測(cè)到，進(jìn)而得到粒子的數(shù)量。

Blanchard等[17]利用該設(shè)備測(cè)量了海水氣泡破裂產(chǎn)生的膜液滴數(shù)量，通過(guò)外加氣流將氣泡破裂產(chǎn)生的膜液滴輸送至凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器中。將膜液滴當(dāng)作凝結(jié)核，測(cè)量不同條件下氣泡破裂產(chǎn)生的膜液滴和噴射液滴的數(shù)量，并給出其計(jì)算公式。

Wu[31]基于Afeti和Spiel等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，處理得到了尺寸范圍在0.01～250 μm的膜液滴的尺寸分布，并得到了膜液滴的數(shù)量分布。

Zhang等[16]發(fā)現(xiàn)前人關(guān)于不同液相表面氣泡破裂產(chǎn)生的噴射液滴的數(shù)量計(jì)算公式與許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不相符，于是采用無(wú)量綱分析方法得到了臨界氣泡直徑的表達(dá)式，基于此擬合得到了適用于不同種液體表面氣泡破裂產(chǎn)生噴射液滴數(shù)量的計(jì)算公式，并與其他經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)此模型擬合度較好。

凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器雖能測(cè)量液滴數(shù)量，但該儀器可能需外接支路氣體將液滴輸送到儀器中，因此該儀器的使用可能會(huì)導(dǎo)致氣泡本身的破裂特性諸如液膜厚度、氣泡壽命等參數(shù)的變化。因此目前該儀器大多用于測(cè)量固體氣溶膠顆粒，而其不再適用于測(cè)量氣泡破裂生成的液滴。

3) 全息成像技術(shù)

Gabor[32]于1948年發(fā)明了同軸全息技術(shù)，其工作原理是：利用相干光束照射物體，物體的衍射光波和相干光波發(fā)生干涉，并用感光底片收集并記錄得到全息圖，然后再用相同的相干光束照射全息圖來(lái)重建物體的三維圖像[33]。

這些傳統(tǒng)膠片記錄的全息成像技術(shù)的材料制作困難——膠片需經(jīng)過(guò)繁瑣的物理化學(xué)方法制作，實(shí)驗(yàn)條件較為苛刻——記錄需在黑室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)步驟繁瑣——需用光學(xué)系統(tǒng)重現(xiàn)其三維圖像[34]，這些因素制約了全息技術(shù)的應(yīng)用。數(shù)字全息成像技術(shù)與傳統(tǒng)全息圖相比能將全息圖以數(shù)字的方式記錄在CCD相機(jī)中，另一方面，數(shù)字全息圖的重現(xiàn)不需光源，可通過(guò)設(shè)計(jì)電路實(shí)時(shí)得到粒子的圖像。

Resch等[19]運(yùn)用數(shù)碼全息成像技術(shù)測(cè)量海水中氣泡破裂產(chǎn)生的膜液滴(主要是大尺寸的液滴)，通過(guò)數(shù)字全息技術(shù)得到的圖形經(jīng)過(guò)后處理后能得到膜液滴的直徑。緊接著利用兩種凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器測(cè)量直徑范圍為0.8～40 μm的膜液滴[20]，使用全息成像技術(shù)測(cè)量直徑范圍為40～500 μm的液滴,測(cè)量不同直徑的氣泡產(chǎn)生的膜液滴的尺寸和數(shù)量，并給出氣泡破裂生成膜液滴數(shù)量的分布函數(shù)。數(shù)字全息成像技術(shù)已越來(lái)越多地應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)診斷、信息加密等領(lǐng)域。通過(guò)數(shù)字全息成像技術(shù)能得到氣泡破裂和膜液滴的圖像，但其操作較為復(fù)雜，設(shè)備成本也較高，因此未被廣泛用于測(cè)量氣泡破裂產(chǎn)生膜液滴的現(xiàn)象。

4) 高速攝影法

高速攝影法即在一定時(shí)間內(nèi)，相機(jī)能拍攝到更多幀的相片，從而捕捉到一些肉眼難以觀測(cè)到的快速運(yùn)動(dòng)物體和現(xiàn)象，并隨高速攝像機(jī)的分辨率越來(lái)越高，其能拍攝的最小尺寸也越來(lái)越小。

Guézennec等[35]為了研究電弧爐煉鋼過(guò)程中粉塵的形成機(jī)理(在鋼液表面氣泡的破裂)，通過(guò)高速攝影拍攝液膜的破裂及噴射液滴的形成過(guò)程，并使用激光粒子計(jì)數(shù)器測(cè)量膜液滴(氣溶膠)的尺寸與數(shù)量，其測(cè)量的尺寸范圍為0.3～25 μm。

彭及[36]使用高速攝影法拍攝了不銹鋼冶煉高溫熔體表面氣泡破裂的過(guò)程，與前人實(shí)驗(yàn)相似，由于噴射液滴尺寸較大，會(huì)在重力作用下會(huì)下落到熔池中，通過(guò)高速攝影能確定其尺寸和數(shù)量。但膜液滴的尺寸普遍較小，直接運(yùn)用高速攝影難以測(cè)量，利用膜液滴的夾帶特性，即將膜液滴收集在過(guò)濾裝置中，依靠收集到的粉塵顆粒對(duì)膜液滴進(jìn)行分析，從而得到膜液滴的質(zhì)量和尺寸。

Bird等[37]利用兩臺(tái)高速攝影機(jī)從側(cè)方和上方同步拍攝氣泡的破裂過(guò)程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣泡破裂會(huì)形成子氣泡，并通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了該現(xiàn)象。

Lhuissier等[12]拍攝了氣泡從形成到破裂形成液滴的整個(gè)過(guò)程，測(cè)量多個(gè)半徑相同的氣泡破裂生成的膜液滴，得到了膜液滴的平均尺寸分布和數(shù)量的計(jì)算公式：

N～(R/a)2(R/hb)7/8

(6)

其中：hb為液膜厚度；N為膜液滴數(shù)量；a為毛細(xì)常數(shù)。

馬超等[38]使用高速攝影法拍攝了自由液面的氣泡形成及破裂過(guò)程，研究了氣泡破裂點(diǎn)產(chǎn)生的位置、產(chǎn)生膜液滴的數(shù)量和尺寸，并將得到的數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，最終得到了去離子水條件下氣泡破裂產(chǎn)生膜液滴的現(xiàn)象與機(jī)理。

高速攝影法在分析粒子圖像時(shí)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，盡管其受到景深、粒子速度及流動(dòng)類型等因素的限制[39]，同時(shí)數(shù)據(jù)處理較為繁瑣，但通過(guò)高速攝影機(jī)拍攝物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，再輔助以圖像分析技術(shù)，對(duì)連續(xù)幀的圖像進(jìn)行分析處理，就能得到粒子運(yùn)動(dòng)的速度及尺寸信息。

5) 光學(xué)陣列探針

光學(xué)陣列探針由1束激光束及64個(gè)光電二極管陣列組成[40]，當(dāng)粒子穿過(guò)激光束所照明的采樣空間時(shí)，其會(huì)在線性光電二極管陣列上產(chǎn)生陰影，通過(guò)與空氣速度呈正比的時(shí)鐘頻率進(jìn)行掃描，每掃描1次就能獲得粒子圖像的1條線，將1個(gè)粒子圖像的多條線合并在一起，形成一幅二進(jìn)制的粒子陰影數(shù)字圖像，進(jìn)而得到粒子的尺寸及測(cè)量區(qū)域內(nèi)粒子的濃度。該儀器是一種時(shí)間、數(shù)字通量加權(quán)取樣的測(cè)量方法[41]。

Spiel[21]首次使用光學(xué)陣列探針OAP-260X測(cè)量海水氣泡破裂產(chǎn)生的噴射液滴，隨后又使用該設(shè)備測(cè)量了氣泡破裂產(chǎn)生的膜液滴，得到了不同尺寸的氣泡所產(chǎn)生液滴的數(shù)量及尺寸。該儀器的測(cè)量尺寸范圍為10～600 μm，能測(cè)量到的最小液滴尺寸主要受該設(shè)備自身分辨率的影響(即光電二極管的尺寸)。

光學(xué)陣列探針一般用來(lái)測(cè)量大氣中的云(霧)滴，因此該設(shè)備具有特殊結(jié)構(gòu)，其普適性并不好。使用光學(xué)陣列探針測(cè)量多氣泡可行(統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)激光的液滴)，即能用于測(cè)量液池的夾帶特性，但用于測(cè)量單氣泡破裂產(chǎn)生的膜液滴效果一般。

6) 相位多普勒技術(shù)

相位多普勒技術(shù)是目前能同時(shí)測(cè)量粒子尺寸及速度的有效技術(shù)[42]，利用激光照射粒子場(chǎng)后產(chǎn)生散射，而后基于激光產(chǎn)生信號(hào)的頻率來(lái)測(cè)量粒子和流體的速度，同時(shí)基于測(cè)量信號(hào)的相位差測(cè)量粒子的粒徑。Günther等[10]使用PDA相位多普勒技術(shù)測(cè)量了具有相同工況的單氣泡及多氣泡破裂產(chǎn)生的液滴的尺寸分布，發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于產(chǎn)生液滴模型都是基于單氣泡測(cè)量，這對(duì)多氣泡實(shí)驗(yàn)并不完全適用，于是提出了一個(gè)針對(duì)多氣泡液滴模型的新的計(jì)算公式。

由于該儀器測(cè)量的位置是兩束光線聚集的一點(diǎn)，即只有當(dāng)粒子通過(guò)該點(diǎn)時(shí)才能被測(cè)量到，與其他實(shí)驗(yàn)儀器相比，如果測(cè)量系統(tǒng)不是高濃度且流場(chǎng)穩(wěn)定的兩相流時(shí)，該儀器測(cè)量液滴存在實(shí)驗(yàn)周期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。

7) X射線傳播技術(shù)

Han[23]使用X射線傳播技術(shù)根據(jù)X射線成像對(duì)高溫條件下煤氣、礦渣、鐵系統(tǒng)中的氣泡破裂現(xiàn)象進(jìn)行記錄，利用CCD相機(jī)拍攝X射線接收器所得到的圖像。通過(guò)置于液面上方的陶瓷板收集液滴，基于稱重法測(cè)量噴射液滴的等效直徑，由于膜液滴尺寸和質(zhì)量較小，故利用光學(xué)顯微鏡對(duì)液滴撞擊后的陶瓷板進(jìn)行圖像處理，并將膜液滴按照尺寸分為4個(gè)區(qū)域，分別得到位于這幾個(gè)區(qū)域的膜液滴數(shù)量。

Lee等[7]為了研究射流與氣泡尺寸(主要是R<100 μm的氣泡)的關(guān)系，設(shè)計(jì)了高速X射線及光學(xué)成像技術(shù)，運(yùn)用光學(xué)成像技術(shù)觀察多種類型和多種尺寸的液滴撞擊壁面的行為，其后利用X射線相位對(duì)比成像技術(shù)揭示了氣泡在水面下的變化。

X射線具有很強(qiáng)的穿透性，因此其能用于測(cè)量非透明的液滴，同時(shí)高分辨率、高穿透性的X射線成像技術(shù)也能測(cè)量較小尺寸的液滴。但X射線具有較高的能量，且成本較高，因此未被廣泛應(yīng)用于測(cè)量氣泡破裂生成的膜液滴。

3 結(jié)束語(yǔ)

氧化鎂涂層或熟宣紙等沉積測(cè)量法，雖然操作簡(jiǎn)單、原材料易得，但其實(shí)驗(yàn)變量較多，因此帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差較大。凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器主要用來(lái)測(cè)量nm量級(jí)的氣溶膠，其用來(lái)測(cè)量膜液滴并不是特別合適。全息成像技術(shù)具有非接觸、高分辨率和實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，但全息成像技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高。光學(xué)陣列探針主要是用來(lái)裝載飛機(jī)上測(cè)量大氣中的云滴和霧滴，該儀器對(duì)液滴的運(yùn)動(dòng)速度有要求，能基于統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律測(cè)量多氣泡破裂產(chǎn)生的液滴，但其不能被廣泛應(yīng)用于測(cè)量氣泡破裂產(chǎn)生的膜液滴。相位多普勒技術(shù)能同時(shí)測(cè)量液滴的尺寸和速度，且能測(cè)量的尺寸范圍也較大，但該項(xiàng)技術(shù)是基于單點(diǎn)測(cè)量的，如果測(cè)量系統(tǒng)不是濃度很高且流場(chǎng)穩(wěn)定的兩相流時(shí)，會(huì)使得測(cè)量的周期過(guò)長(zhǎng)。X射線傳播技術(shù)能用于測(cè)量非透明液池中產(chǎn)生的氣泡，也能識(shí)別較小尺寸的液滴，但該技術(shù)的成本和技術(shù)要求也較高。高速攝影法具有實(shí)時(shí)測(cè)量、非干擾式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，但由于強(qiáng)反射或散射效應(yīng)，可能會(huì)導(dǎo)致液體中的空間分辨率不足，且景深與光圈相互抑制的關(guān)系會(huì)影響最終的拍攝質(zhì)量，數(shù)據(jù)處理相對(duì)較為復(fù)雜。拍攝質(zhì)量可通過(guò)添加強(qiáng)的背光源及選用焦距更長(zhǎng)的鏡頭來(lái)緩解，隨著科技的發(fā)展，高速攝影機(jī)能分辨的最小尺寸越來(lái)越小，其也被越來(lái)越多的科研人員用來(lái)研究一些微觀現(xiàn)象。

自由液面氣泡破裂及其形成的液滴夾帶行為是一復(fù)雜的過(guò)程。本文對(duì)氣泡破裂行為中涉及的參數(shù)測(cè)量方法進(jìn)行了總結(jié)，比較其優(yōu)劣勢(shì)的同時(shí)也給出了部分研究結(jié)果。隨著測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，發(fā)現(xiàn)雖然最終氣泡破裂產(chǎn)生的膜液滴尺寸的分布是影響夾帶特性的直接原因，但僅關(guān)注氣泡破裂產(chǎn)生的膜液滴并不能較好地預(yù)測(cè)氣溶膠的釋放。孤立地測(cè)量單一因素已遠(yuǎn)不能反映完整的破裂特性。最新研究表明，氣液相溫差、濕度、液相性質(zhì)等可能都會(huì)影響氣泡最終的破裂過(guò)程，這諸多因素都是之前研究鮮有提及的，且氣泡破裂機(jī)理仍不明確，因此還需對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行深入的研究。