毛细管管口气泡生长及脱离特性研究

摘要

气泡动力学是近代逐步发展的一个分支学科，它主要研究气泡生长脱离过程的规律和条件。从研究单个气泡的形成、生长和脱离过程入手，研究气泡运动过程中气液两相流的传热传质过程和机理，在相关理论模型中用来表征气泡动力过程的主要参数包括气泡脱离直径和脱离周期。气泡动力学的研究对于弄清多孔结构材料界面处气液两相流动的传热传质机理具有重要意义。本文主要利用高速摄影仪对不同条件下毛细管管口气泡的生长脱离过程进行可视化实验研究。主要研究工作和结论如下： (1)在液体流道内流体为静止状态条件下，研究了毛细管管径、毛细管管壁浸润性、气体流量、注气室容积以及毛细管倾斜角度等因素对毛细管管口气泡生长脱离过程的影响情况。依据气泡动力学理论，采用球状模型对气泡在快速生长阶段中接触角的变化规律进行了理论计算和分析。 实验中发现毛细管管口气泡在生长过程中存在生长初期、快速生长期、缓慢生长末期等三个区域，而对应的气-液相界面接触角在不同的生长阶段具有不同的变化规律。在气泡生长初期，气液接触角缓慢减小，进入快速生长阶段后，气液接触角迅速减小，随后气泡开始脱离毛细管管口，接触角迅速增大直到气泡脱离毛细管管口。 依据质量守恒定律、理想气体状态方程和拉普拉斯方程，对毛细管管口气泡进入快速生长阶段后的气液接触角变化规律进行理论计算和分析，最终得到的计算结果表明，气泡在快速生长阶段，气液接触角随时间迅速减小，与实验测量得到的气液接触角变化趋势基本一致。 随着毛细管管径的增大，气泡的脱离直径随之增大，生长脱离周期减小；气流量越大，气泡脱离直径越大，生长脱离周期越小；注气室容积变化对气泡的脱离直径影响很小，但随着注气室容积增大，气泡的生长脱离周期增大。 气泡在亲水性毛细管和憎水性毛细管管口的生长脱离过程有着明显的差异。气泡在憎水性毛细管管口生长时气固液三相接触线会随着气泡的长大而发生沿毛细管管口径向迁移。另外，憎水性毛细管管口气泡的脱离体积要小于亲水性毛细管管口气泡的脱离体积。 毛细管的倾斜会导致管口气泡在浮升力的作用下呈非对称性生长。毛细管倾斜角度的增大使得管口气泡的脱离体积和脱离直径减小。另外，随着倾斜角度的增大，在气泡脱离毛细管管口后，液体的回流量随之减少。 (2)在液体流动条件下，通过对不同浸润性的毛细管管口气泡生长脱离过程进行实验研究和分析，讨论液体流速等参数对气泡在毛细管管口运动过程的影响情况。实验结果表明,气泡在浸润性不同的毛细管管口的脱离周期和脱离直径都随着液体流速的增大而减小。另外，毛细管材料浸润性对气泡在液体流动条件下的生长脱离过程的影响要小于液体滞止时毛细管材料浸润性对气泡生长脱离的影响。由此可见，在动态环境中，液体运动对气泡所产生的横向作用力是影响气泡生长脱离过程的主要因素之一。 通过对相同实验条件下两种浸润性材料的毛细管管口气泡生长脱离过程实验进行分析得知，随着液体流速的增大，亲水性毛细管管口气泡的脱离周期的下降速度跟憎水性材料的毛细管管口气泡的脱离周期的下降速度基本相同；而随着液体流速的增大，憎水性材料毛细管管口气泡的脱离直径的降幅要大于亲水性毛细管。 (3)在不同气体流量条件下，利用高速摄影仪对双联毛细管管口气泡的生长脱离以及相互影响情况进行可视化实验。研究和分析双联毛细管管口气泡的生长脱离过程以及管口气泡间的相互影响情况。 实验结果表明，当液体淹没双联毛细管管口时，在管内无气体流动情况下，管径大的毛细管将成为液体通道，而管径小的则为气体通道；亲水管成为液体通道，而憎水管成为气体通道；在有气体流动情况下，管径大的毛细管成为气体通道，而管径小的则成为液体通道。当气室的进气流量增大时，等管径的双联毛细管端口处气泡脱离直径变化很小，气泡的脱离周期则随之减小，并且双联毛细管的气泡生长和脱离会发生明显的相互影响。液体流速越大，气泡脱离越快，气泡的脱离直径则越小；在液体流速较大时，靠近流体进口的毛细管管口气泡生长和脱离得到大幅度促进，从而导致下游毛细管管口的液体回流现象。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

1绪论

1.1概述

1.2气泡动力学的研究现状

1.2.1气泡的脱离直径

1.2.2气泡的脱离频率

1.2.3气泡的生长过程

1.3孔口气泡的形成

1.4图像技术的应用现状

1.5 MATLAB在数字图像处理中的应用

1.5.1 MATLAB概述

1.5.2利用MATLAB进行图像处理

1.5.3 Matlab图形图像处理的基本思路

1.6课题研究内容及意义

2实验装置和实验方法

2.1单个毛细管管口气泡行为可视化实验装置

2.2双联毛细管管口气泡行为可视化实验装置

2.3实验目的及方法

2.4实验数据处理

2.4.1气泡直径和体积的测量

2.4.2气泡生长接触角的测量

2.4.3气泡脱离周期的测量

2.4.4气体流量和液体流量的测量

2.4.5实验测量误差分析

2.5本章小结

3滞止流体中毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验

3.1接触角测量和分析

3.2毛细管管口气泡生长脱离过程

3.3管口气泡生长过程的理论计算与分析

3.3.1理论计算公式推导

3.3.2计算结果与分析

3.4毛细管管径大小对气泡生长脱离的影响

3.5注气室容积大小对气泡生长脱离的影响

3.6气流量大小对气泡生长脱离的影响

3.7毛细管表面浸润性对气泡生长脱离过程的影响

3.7.1 PTFE毛细管接触角测量及分析

3.7.2 PTFE毛细管管口气泡生长过程

3.7.3滞止流体中气泡生长脱离实验

3.8毛细管管口气泡脱离后的回液现象分析

3.8.1滞止液体条件下的回液过程

3.8.2流动液体条件下的回液过程

3.8.3回液过程的影响因素

3.9毛细管倾斜角度对气泡运动行为的影响

3.9.1倾斜毛细管管口气泡生长脱离过程

3.9.2毛细管倾斜角度对气泡脱离过程的影响

3.9.3毛细管管径的影响

3.10本章小结

4流动液体中毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验

4.1玻璃毛细管管口气泡的运动行为

4.1.1液体流动条件下气泡的生长脱离过程分析

4.1.2液体流速对气泡运动的影响

4.2 PTFE毛细管管口气泡的运动行为

4.2.1液体流动条件下气泡的生长脱离过程分析

4.2.2液体流速对气泡运动的影响

4.2.3气体流量对气泡运动的影响

4.3本章小结

5双联毛细管管口气泡生长可视化实验

5.1实验装置及实验方法

5.2液体淹没双联毛细管管口实验

5.2.1管内无气体流动时的淹没现象

5.2.2管内有气体流动时的淹没现象

5.2.3毛细管表面浸润性的影响

5.3气体流量对双联毛细管管口气泡生长和脱离特性的影响

5.4液体流速对气泡生长和脱离的影响

5.5本章小结

6本文的主要结论

6.1主要结论

6.2进一步工作的建议

致谢

参考文献

附录