千眼狼高速攝像機成功助力科研工作者完成三種管口浸沒方式下氣泡生成行為過程的可視化實驗與三維數值模擬。

關于氣泡行為運動特性研究

       在環境、化工等工業領域中，如何保障工業設備（如鼓泡塔、流化床、換熱器）安全運行，如何提高能源傳遞效率是研究熱點。其中，對氣泡及其運動特性的觀測研究可為工業過程優化與提升提供重要依據。
氣泡行為特性與管口處氣泡生成特性關聯度很高，依據管口在液池中的浸沒方式可分為底吹（管口向上）、側吹（管口水平布置）、頂吹（管口向下）三種。

       高速攝像機主要應用于觀測平口管口處氣泡生成運動演變過程、探析氣泡脫離直徑隨平口管內氣體流量的變化規律、探析氣泡膨脹脫離過程中氣液流程的分布特性規律三大細分領域。

      為實現清晰的觀測，搭建具有尺寸參考的實驗臺，來自內蒙古科技大學的吳晅教授及其科研團隊制作了如下的實驗裝置：
實驗裝置

       準備一套可視化實驗系統，組成如圖1所示。液池采用鋼化玻璃，尺寸30cm×30cm×80cm。平口管口分別以管口向上的底部浸沒方式、管口水平布置的側面浸沒方式和管口向下的頂部浸沒方式分別浸沒在液體中，管口距液態液面垂直高度為20cm，氣體進口流量采用流量計調節。采用千眼狼Revealer高速攝像機2F04（1080×720@450 fps）搭配佳能微距鏡頭觀測氣泡在管口處生成運動過程,曝光時間設定為600μs，采集周期為2222μs，同時采用cameralink 8bit接口，支持采集數據實時傳輸至上位機。

圖1 可視化實驗系統

裝置詳解
       1、上位機處理系統2、Cameralink數據線3、千眼狼Revealer2F04高速攝像機4、空壓機5、閥門6、流量計7、橡膠管8、橡皮塞9、液池10、不銹鋼管11、鋼化玻璃容器12、柔光布13、LED太陽燈
觀測平口管口處氣泡生成運動的演變過程

       氣泡生成運動的演變過程，可具體劃分為“生成-膨脹-頸縮”脫離三個階段。高速攝像機觀測下，發現底吹、側吹、頂吹三種形式下氣泡脫離時間不同，形態規則亦有所不同（如圖2~4）。時間維度，側吹形式下氣泡整個膨脹脫離所需時間短，頂吹所需時間長；形態維度，底吹形式規則的圓形，側吹形式下的氣泡由扁球狀變為蘑菇狀終以近似球型脫離，而頂吹形式下氣泡的形態由半球向橢球過渡，且主要以橢球形態為主。

圖2 底吹形式下的氣泡生成運動

圖3 側吹形式下的氣泡生成運動

圖4 頂吹形式下的氣泡生成運動

探析氣泡脫離直徑變化規律

       氣泡在脫離管口時的直徑與平口管內氣體流量的變化規律相關。高速攝像機觀測發現，三種浸沒方式下，氣泡脫離直徑隨氣體流量的增加而增大，其中頂吹式下的氣泡脫離直徑大。而側吹式下，受氣泡膨脹方向與所受的壓力、重力、浮力等不在同一方向上的影響，抑制了氣泡的有效膨脹，致使第III階段頸縮提前，導致氣泡脫離直徑?。ㄒ妶D5）。

圖5 三種形式下氣泡脫離直徑

探析氣泡膨脹脫離過程中氣液流場的分布特性

       吳晅教授的科研團隊利用數理模型對氣泡膨脹脫離過程中的氣液流場分布特性進行數值模擬，數值模擬參數鎖定管口內徑均為6mm、管口氣體流量為0.3L/min。高速攝像機觀測到底吹式氣泡生成后向上膨脹運動，底部出現氣泡頸縮的向內速度并過渡到脫離階段，此時氣泡上升速度開始加大，上升過程中對液體產生擾動，形成渦流，進一步促進氣泡脫離（見圖6）。

圖6 底吹方式下管口處氣液流程速度矢量圖

       側吹方式下，高速攝像機發現氣泡生成后，先向管口正前方做膨脹運動，隨著體積增加，在逐漸增強的浮力作用下，出現向上的流場速度和加速度，并對液體產生擾動，從而在氣泡兩側出現渦旋（見圖7）。

圖7側吹方式下管口處氣液流場速度矢量圖

       頂吹方式下，氣泡生成后向管口下方及兩側做膨脹運動，但高速攝像機很快觀測到管口處的流程速度出現反折向上的趨勢，說明氣泡已有向下膨脹運動進入到向上運動脫離的階段，并對周邊液體產生擾動，形成尾流效應。平口管管口的兩側，氣泡與液體之間產生的相反運動，導致渦旋的產生，并隨著脫離時間的增加而增強（見圖8）。

圖8 頂吹方式下管口處氣液流程速度矢量圖

      作為可視化實驗*的一環，高速攝像機可助力科研人員精準觀測氣泡形態演變全過程及關鍵特征參數的獲取，輔助建立科學的數值模型，掌握氣泡行為規律，更好地服務于工業設備的研發。（此文引用化工學報，版權歸化工學報所有）