高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究

第 29 卷第 10 期　　　　　　　　　　　　　　　　　光子学报　　　　　　　　　　　　　　　V o l129 N o110 2000 年 10 月　　　　　　　　　　A CTA PHO TON ICA S IN ICA 　　　　　　　　　O ctober 2000　 高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究3 张建生1　吕　青1　孙传东2　卢　笛2　陈良益2 (1 西安工业学院, 西安　710032) (2 中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安　710068) 摘　要　气泡在许多不同过程中起着重要作用 1 舰船尾流中的气泡提供了这样一个线索, 即 基于对气泡的特性研究, 并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法 1 用高速摄影技术来研究 气泡, 具有直观、低费用的优点, 配合以半自动胶片判读仪, 可获得较为详细的关于气泡的参 量 1 实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明, 水中气泡上升速度的大小都在随时间减小, 气泡的末速度存在一极值, 它 与一定大小的气泡相对应 1 文中详细讨论了水中气泡的动力学特征, 并与高速摄影所得到的 气泡图象数据进行了比较, 其结果的一致性肯定了高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究 中的重要性 1 　　关键词　高速摄影; 气泡 0　引言 　　在很多实验和工程问题中, 水中的气泡起着 重要作用, 对于这些问题的求解必然依赖于对水 中气泡的分布、气泡的特性的掌握 1 比如, 海洋 表面附近的气泡在许多不同过程中起着重要作 用, 这些过程包括水下声波的传播、气象学、海洋 表面化学、空化、大气2海洋气体交换、液滴喷射、 有机粒子的形成、细菌传播、化学物质分馏、激光 在水下的传输等 1 气泡广泛存在于海水、河水、 湖水等各种条件的水中, 气泡的生成可能有多种 原因, 如波浪的破碎产生的气泡、浮游生物产生 的气泡、各种尘埃产生的气泡、各种微扰 (包括大 气流动、各种振动、声波、湍流等) 产生的气泡、存 在于舰船尾流中的气泡11 舰船尾流中的气泡提 供了这样一个线索, 即基于对气泡的特性研究, 并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法 1 由于存在附加压强、浮力、介质的粘滞阻力 以及压差阻力, 还有不同温度、风力和光照下介 质表面蒸发速率的影响, 加之在运动过程中气泡 的形变、分裂、结合、熄灭以及位移, 每个气泡的 运动规律和衰减情况大不相同 1 对于气泡的研 究基本有两类方法, 即声学和光学技术, 其中光 学技术主要有照相技术、激光散射技术和激光全 息技术2, 31 用高速摄影技术来研究气泡, 具有直 观、低费用的优点, 配合以半自动胶片判读仪, 可 获得较为详细的关于气泡的参量 1 1　气泡动力学 关于气泡的运动和动力学问题, Garret tsong 给出了一种基于牛顿运动定律的较为直观的理 论4, 这一理论考虑了水中气泡的受力情况、气泡 表面活性物质及水流的影响, 得到了气泡加速度 的表达式 1 111　气泡的加速度 对于单个气泡而言, 它在水中的运动情况受 很多因素的影响, 这些因素包括水的流速、水的 粘滞特性、气泡的尾流特性、气泡的惯性等 1 如 果分别用 v、V ( r , t) 来表示气泡速度和水的流速 (其中 r 表示位置矢量, t 表示时间) , 气泡体积 Ρ、 气体密度 Θ、水的密度 Θ0, 如果气泡完全被水支 配, 气泡将受到一个力 Θ0ΡdV öd t1 对于更为一般 的情况, 如果气泡内气体的密度与其所在流体的 密度可能相等或者不等1如果Θ≠Θ0即气泡不3 国防科技重点 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 基金试点项目 (编号: 99JS2613111ZK1801) 收稿日期: 2000203210 为流体所完全支配, 此时气泡相对于流体的速度 为 u = v - V , 气泡将受到一个拉力 FD , 这一力下 面进一步讨论 1 在气泡运动过程中, 它将要带着一部分水 (用Β表示所带水量与气泡的体积比) 共同运动, 根据 牛顿第三定律, 这一附加质量将引起一个附加项 ( - Β Ρ Θ0duöd t) , 这一项使得气泡的有效惯性质 量增加 1 此外, 气泡受到一浮力 Ρ g (Θ- Θ) k∧, 在 此 k∧表示竖直向上方向的单位矢量 1 考虑到所有 这些因素, 根据牛顿第二定律, 气泡的加速度可表 示为 a= FDΡΘ0 (Β+ ΘöΘ0) + (1+ Β) dV öd tΒ+ ΘöΘ0 + (1- ΘöΘ0) gk∧Β+ ΘöΘ0 (1) 其中 dV öd t= 5V ö5t+ (v·¨ r)V (2) 112　气泡在水中所受的阻力 正因为在理论和时间两方面的重要性, 气泡 在水中的运动得以被研究 1 气泡可以根据雷诺数 (R eyno lds num ber) R e = uΘ0öΓ进行划分, 其中 Γ 为水的粘滞系数 1 观察和实验表明, 小 (R e< 1) 气 泡和中等尺寸 (1< R e< 700) 的气泡保持为球形, 而大 (R e> 700)气泡要发生形变而变为椭球形, 特 大 (R e> 4500)气泡则不稳定且易破裂 1 对于水中的小气泡 (气泡线度 l≤100Λm ) , 所 受力为粘滞阻力, 可表示为 FV = - k Γ l u (3) 其中 k 为比例系数, 对于表面为理想球面, 干净, 具有流动双流界面的气泡, k = 4Π1 然而, 在大多 数情况下, 其表面包含有表面活性物质, 这会破坏 其界面的流动性, 在这种情况下, 气泡表面的水的 相对速度趋近于零, 气泡的行为象固体球一样, 这 时 k= 6Π1 而对于中等尺寸 (100Λm ≤ l≤2000Λm ) 的气 泡, 通过它的水流会被分开, 在气泡表面的下游这 一分开区域的面积我们用 s1 表示 1 在分开点以 上, 气泡所受的阻力为粘滞力, 作为合力的一部分 由式 (3)给出, 其中取 k = 12Π1 而在分开点以下直 至气泡的尾流区, 水流为紊流或湍流, 这一部分的 阻力可由下式给出 F T = - 0. 5D cΘ0s1uu (4) 式中D c 是阻力系数, 对 200< R e< 1000 的气泡, 0. 55≤D c≤0. 651 在没有表面活性物质的情况下, s1 非常小 (对 于R eµ 1 的情况, s1～ 12öR e)流过气泡的水流基本 不被分开, 此时阻力可由式 (3) 给出, 其中取 k = 12Π1 另一方面, 当气泡的一部分表面积 s0 覆盖有 单层的表面活性物质时, 这一部分的相对流速等 于零, 该情况下让式 (4) 中 s1= s0, 与式 (3) 一起给 出气泡的阻力 1 2　实验 211　实验设备及实验条件 使用棱镜补偿式高速摄影机 (f : 300mm ,LBS - 500) , 借助于气泡模拟器, 在实验环境下我们对 清洁淡水中气泡模拟器所产生的气泡进行了拍 摄, 利用中科院西安光机所MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1714063695357_0制造的HJ 991 半 自动通用胶片判读仪对所拍摄的胶片进行了判读1 实验在室内进行, 所温 27°C, 风力 0～ 1 级, 人工 强光源, 气泡模拟器位于水槽底部 (水深 016m ) , 所拍摄气泡位于水面下 013m 实验系统如图 1 所 示 1 图 1　实验系统框图 F ig. 1　Schem e of experim ental apparatus 212　实验结果 利用半自动胶片判读仪对所拍摄的部分气泡 进行判读, 经数据处理得到其中六个气泡的速度 变化规律如图 2 所示 1 图中横坐标为时间, 纵坐 标为气泡上升速度, 所对应的气泡直经分别为 0136mm、0130mm、0146mm、0185mm、0137mm、 0195mm 1 气泡末速度与气泡直经的关系绘于图 31 35910 期　　　　　　　　　　　　　　张建生等 1 高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究 图 2　气泡上升速度随时间的变化规律, Bubb le01～Bubble06 分别表示六个不同的气泡 F ig. 2　T he curves of ascen t velocity versus t im e. Bubble01～Bubble06 exp ress six bubb les respectively 图 3　气泡末速度与气泡直径的关系 F ig. 3　T erm inal ra te and bubble radius 3　 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与讨论 实验条件下, 水的粘滞系数为 11002×1023 (Pa. s) , 水的密度为 110×103kgöm 3, 空气的密度 为 1120kgöm 31 利用这些参量, 再考虑到实验时 气泡运动的初始条件 (初速度、初始线度大小、初 始位置) , 利用上述气泡动力学规律, 容易计算得 到气泡的速度变化规律 1 实验时气泡运动的初始条件表示为 t= 0 , l= l0, v = v 0, r= r0, 根据加速度的定义 a= dv öd t, 有 dv = a d t, 根据气泡加速度表达式 (1) , 可得速 度表达式 v = v ( t, l0, l, r0, r,V ) 由此计算的结果与实验是一致的, 而且与文献 1 所给出的结果是一致的 1 从图 2 可以看出, 气泡上升速度的大小都在 随着时间减小 1 之所以有这一结果, 是因为两方 面的原因: 其一, 在实验条件下, 气泡是由气泡模 拟器所产生的, 也就是说, 气泡从模拟器表面脱离 时具有较大的初速度 v 0, 而且具有很小的初始线 度 l0, 此时它的整体行为类似于刚性粒子, 在刚进 入水中的短时间内会受到水对它的冲力作用, 所 以速度有一个快速减小的过程 1 第二, 在气泡上 升过程中, 由于气泡内外压强差的增加, 它的线度 在逐渐增大, 由于尾流的形成以及可能的表面吸 附物质, 使得气泡所受阻力的增加超过浮力的增 加, 从而使其速度逐渐减小 1 图 3 给出的结果表明, 不同大小的气泡在上 升过程中速度的变化并不相同 1 虽然在上升过程 各气泡所受阻力的增加超过浮力的增加, 但每个 气泡所受的这两个力的大小关系不同 1 由图可以 看出, 较小和较大的气泡末速度小于中等大小气 泡的末速度; 水中气泡的末速度存在一极大值, 这 一极值所对应的气泡直径为 0146mm 4　结论 通过对采用高速摄影技术拍摄的气泡图象数 据进行计算分析, 并与气泡动力学理论相对照, 可 归纳出以下结论: 1)水中气泡上升速度的大小都在随着时间减 小; 2)不同大小的气泡在上升过程中速度的变化 并不相同, 水中气泡的末速度当气泡直径为 0146mm 时存在一极大值 1 　　3) 利用高速摄影机与胶片判读仪配合来研 459　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　光子学报　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　29 卷 究气泡的运动和动力学规律是一种可行的方法1 参考文献 1　张建生, 孙传东, 冀邦杰等 1 气泡的运动规律及光学特性 1 鱼雷技术, 2000, 8 (1) : 11～ 15 2　J in WU. Bubble popu lat ions and spectra in near2surface ocean: summ ary and review of field m easurem ents. J Geoph R es, 1981, 86 (C1) : 457～ 463 3　M edvin H ,B reits N D. Am bien t and transien t bubb le spectra l densit ies in qu iescen t seas and under sp illing breakers. J Geoph R es, 1989, 94 (C9) : 12751～ 12759 4　Garret tson G A. Bubble transpo rt theo ry w ith app licat ion to the upper ocean. J F lu id M ech, 1973, 59 (1) : 187～ 206 THE MOM ENT OF A IR BUBBL ES IN W ATER BY USE OF H IGH SPEED PHOTOGRAPHY Zhang J ian sheng1,L u Q ing1, Sun Chuandong2,L u D i2, Chen L iangyi2 1 X i′an Institu te of T echnology , X i′an 710032 2 X i′an Institu te of Op tics and P recision M echan ics,A cad em ia S in ica , X i′an 710068 R eceived date: 2000- 03- 10 Abstract　A ir bubb les p lay impo rtan t ro les in lo ts of p rocesses. Studying of bubb les in sh ip w akes m akes it feasib le to shadow the target. H igh speed pho tography (H SP) as a direct and cheap m ean s of research ing air bubb les can get the deta il w ith the coo rd inat ion of sem i2au tom at ic f ilm judgm en t and reading in st rum en t. T he ascen t ra te decreases w ith t im e and the term inal velocity has an ex trem e value co rresponding to bubb les w ith fixed diam eter acco rd ing to the experim en t. Bubb le dynam ics, d iscu ssed in deta il in th is paper, compared w ith the data of bubb le im ages go t of H SP, g ives the impo rtance fo r u sing H SP to studying the mom en t of a ir bubb les a long of the con sistence of resu lts. Keywords　H igh speed pho tography; A ir bubb le Zhang J ian sheng　w as bo rn in 1966, graduated from the N o rm al U n iversity of Shaanx i (NU S) is 1988 and received h is m aster’s degree in Physics D epartm en t from NU S. N ow he is a PhD candidate in X i’an In st itu te of Op tics and P recision M echan ics, Ch inese A cadem y of Science. H e is cu rren t ly a lectu rer in X i’an In st i2 tu te of T echno logy too. H is research in terests include SER S and op t ica l engineer2 ing. 55910 期　　　　　　　　　　　　　　张建生等 1 高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究