倾斜毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验
https://www.360docs.net/doc/235875991.html, 倾斜毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验
廖强*朱恂包立炯石泳
重庆大学工程热物理研究所，重庆400030，中国摘要：本文采用高速摄影仪对滞止流体中不同管径和倾斜角度的毛细管管口的气泡生长和脱离过程进行了可视化实验研究。实验结果表明：倾斜毛细管管口气泡生长过程中，气泡首先呈半球状生长，然后在浮升力的作用下非对称生长；气泡脱离时，气泡下侧首先脱离毛细管管壁，随后在上侧管端口断裂；气泡脱离将导致液体向毛细管内部回流。随着毛细管倾角的增大，气泡的脱离直径和生长脱离周期减小；倾斜毛细管管径越小，气泡的脱离直径和生长脱离周期越小。
关键词：倾斜毛细管，滞止流，气泡生长与脱离，可视化实验
中图分类号:O359
VISUAL EXPERIMENTS ON BUBBLE GROWTH AND DEPARTURE AT THE TIP OF INCLINED CAPILLARY TUBES IN STAGNANT LIQUID
Liao Qiang* Zhu Xun Bao Lijiong Shi Yong
Institute of Engineering Thermophysics, Chongqing University, Chongqing 400030, China Abstract: The bubble growth and departure at the tip of inclined capillary tubes in stagnant fluid was experimentally investigated by using a high-speed visual system. The visual experiments showed that the bubble growth experienced the sphere-like growth and the unsymmetric growth stages at the tip of an inclined capillary tube. In the period of bubble departure, the bubble firstly detaches from the lower side of capillary tube end and then, departs from the tube tip at the upper edge of the capillary tube end. The flow backwards of fluid into the tube is observed after bubble departing from the tip of capillary tube. It is found that the bubble departure diameter, the cycle period of bubble growth and departure, and the fluid volume of flow backwards into tube are decreased with an increase in the inclined angle of capillary tube. A smaller internal diameter of inclined capillary tube leads to a smaller bubble departure diameter and a shorter cycle period of bubble growth and departure.
Key words: inclined capillary tube, stagnant fluid，bubble growth and departure, visualization experiment
引言
在化学、核能、热力发电以及石油等工业领域的换热设备以及化工和生化反应器中广泛存在气泡的生长及脱离现象，例如气泡动力学的研究对于探讨液体核态沸腾换热的机理具有重要的作用[1-3]。直接甲醇燃料电池阳极流道内气泡的生长和脱离特性对电池阳极的传输传质特性和电池的性能具有很大的影响[4-5]。现有的核池沸腾换热模型大部分是从研究单个气泡的形成、生长和脱离以及伴2007-11- 收到初稿.
*国家自然科学基金项目（No. 90410005, 90510020）, 教育部新世纪优秀人才支持计划, 高等学校博士学科点
专项科研基金（项目批准号：20050611004）.
**通讯作者：廖强, 男, 40岁, 博士, 教授. E-mail:lqzx@https://www.360docs.net/doc/235875991.html,
https://www.360docs.net/doc/235875991.html, 随这一动力过程的瞬态换热现象着手的，而这些模型中均包含着表征气泡动力过程的主要参数：气
泡的脱离直径和脱离频率。气泡动力学经过几十年的发展，已经积累了不少实验数据，取得了很多研究成果，但气泡脱离直径及脱离频率的预测至今还没有取得令人满意的结果，从而限制了研究领
域的发展[6-7]。
2实验装置及实验方法
实验系统如图1所示。实验系统由可视化实验段、气体注入装置、高速摄像分析系统组成。可视化实验段为透明的有机玻璃材料制成的矩形槽道，玻璃毛细管安装于实验段底板，管口插入实验段约5 mm。具体的实验方法见文献[8]。
1 计算机；
2 高速摄影仪；
3 注射泵；
4 毛细管；
5 透明液体流道；
6 EH-1000闪光灯
图1 可视化装置示意图
3实验结果及分析
毛细管管内径D c为1.7 mm，外径为2.5 mm，气体流量Q g为0.5 ml/min，注气室容积V g为30 ml 时，倾斜30°的毛细管管口气泡生长过程的图像见图2。在气泡生长初期，气体逐渐将毛细管内液体取替出管外，气泡呈半球状生长。当气泡长大到一定程度后（3821 ms时），气泡在浮升力的作用下开始非对称生长，气泡左侧气液接触角缓慢增大，气泡右侧气液接触角迅速减小，气泡沿竖直方向生长。当时间等于3907 ms时，气泡左侧开始脱离毛细管管壁，气泡进入脱离阶段。当时间等于3916 ms时，气泡与毛细管端口断裂，由于气泡脱离导致毛细管管内气相压力减小，一定量的液体倒流进入毛细管。气泡与毛细管管口脱离后进入液体层，在表面张力的作用下，在气泡的上升过程中，气泡沿竖直方向收缩，呈椭球体形状。毛细管管口气泡脱离过程的细节如图3所示，可清楚的看到气泡脱离瞬间气泡与毛细管管口的脱离过程以及在气泡脱离后液体进入毛细管的回流过程。在竖直方向的液体浮升力作用下，气泡的脱离点在毛细管右侧管壁处。
图4为毛细管倾斜60°时气泡在毛细管管口的生长过程图像。在气泡生长初期，气泡同样呈半球状生长。当气泡长大到一定程度后（3620 ms时），在浮升力的作用下气泡开始非对称生长，当时间等于3670 ms左右时，气泡左侧开始脱离毛细管管壁，气泡进入脱离阶段。当时间等于3690 ms 时，气泡与毛细管端口脱离。与毛细管倾斜角度等于30°时气泡生长不同之处在于倾斜角等于60°时气泡的生长脱离周期变短，在气泡脱离瞬间，回流进入毛细管的液体量变少。
毛细管管口气泡在倾斜角等于60°时的脱离过程细节如图5所示，可清楚看到气泡在脱离瞬间气泡与毛细管管口的脱离过程以及在气泡脱离后液体进入毛细管的回流过程，以及气泡的脱离点在毛细管右侧管壁处。与倾斜角等于30°时相比较，气泡的脱离体积要小于倾斜角等于30°时的气泡
脱离体积。其原因主要是在气泡的生长过程中液体浮升力成为影响气泡生长行为的主要作用力，随
0 ms 3441 ms 3626 ms 3701 ms 3821 ms 3841 ms
3856 ms 3866 ms 3886 ms 3896 ms 3907 ms 3916 ms
图2 毛细管倾斜30°时气泡生长过程图像
3866 ms 3881 ms 3892 ms 3901 ms
3905 ms 3907 ms 3909 ms 3912 ms
图3毛细管倾斜30°时气泡脱离过程图像
0 ms 2990 ms 3190 ms 3390 ms 3590 ms 3620 ms
3640 ms 3660 ms 3670 ms 3680 ms 3690 ms 3710 ms
图4 毛细管倾斜60°时气泡生长过程图像
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着毛细管倾斜程度的增大，浮升力的作用使得气泡与毛细管左侧管壁脱离的时间提前，从而使气泡的生长脱离周期变小，气泡的脱离体积变小。
图6为毛细管倾斜90°时气泡在毛细管管口的生长过程图像。气泡于2400 ms 开始非对称生长， 2490 ms 时，气泡左侧开始脱离毛细管管壁，气泡进入脱离阶段。2504 ms 时，气泡与毛细管端口断裂。与毛细管倾斜角度等于60°时气泡生长不同之处在于倾斜角等于90°时气泡的生长脱离周期进
一步变短，在气泡脱离瞬间，回流进入毛细管的液体量相对前两种倾斜角度实验都要少。气泡脱离
3630 ms 3660 ms 3675 ms 3684 ms
3690 ms 3694 ms 3700 ms 3710 ms
图5毛细管倾斜60°时气泡脱离过程图像
0 ms 950 ms 1450 ms 1950 ms 2150 ms 2400 ms
2440 ms 2460 ms 2490 ms 2498 ms 2504 ms 2520 ms
图6毛细管倾斜90°时气泡生长过程图像
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毛细管管口后，液体没有发生进一步回流进入毛细管的现象。毛细管管口气泡在倾斜角等于90°时的脱离过程细节如图7所示。气泡的脱离点在毛细管右侧管壁处，与倾斜角等于60°时相比较，气泡的脱离体积以及回流进入毛细管的液体量均减少。
图8为毛细管倾斜角度大小对管口气泡的脱离周期的影响情况。随著毛细管倾斜角度的增大，管口气泡的脱离周期随之减小，并且随着倾斜角度的增大，气泡脱离周期的降幅也增大。气泡脱离周期的降低主要原因是随着毛细管倾斜角度的增大，液体浮升力的作用增大，浮升力促进气泡脱离毛细管管壁从而缩短了气泡的生长脱离周期。
图9为毛细管倾斜角度对气泡脱离直径的影响情况。随着倾斜角度的增大，气泡的脱离直径随之降低，随着毛细管倾斜角度的增大，浮升力的作用使气泡左侧接触角缓慢增大，而右侧接触角则迅速减小，从而使得气泡受到的表面张力在竖直方向上减小，因此气泡随着毛细管的倾斜角度增大，脱离毛细管所需的浮升力变小，从而使气泡的脱离体积和脱离直径随着倾斜角度的增大而减小。
2503 ms 2504 ms 2505 ms 2513 ms 2450 ms 2473 ms 2486 ms
2498 ms
图7毛细管倾斜90°时气泡脱离过程图像
4.2图
8毛细管倾斜角度对气泡脱离周期的影响 4.02.53.03.5
030
60
90
α/°
T /s
图9毛细管倾斜角度对气泡脱离直径的影响
3.4
3.63.8
4.0
030
α/°
D b /m m
6090
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毛细管管内径D c 为0.7 mm ，外径为1.5 mm ，气体流量Q g 为0.5 ml/min ，注气室容积V g 为30 ml ，毛细管倾斜30°和60°时，气泡的生长和脱离过程如图10和11所示。毛细管管径为0.7 mm （称为小管），倾斜角度等于30°时气泡的脱离过程与管径为1.7 mm 的毛细管（称为大管）管口气泡的脱离过程相似。但是，小管管口气泡脱离后的液体回流量要明显小于大管管口气泡脱离后的回流液体量。倾斜角为60°时，其气泡脱离时的体积变小，气泡脱离后没有发生液体回流现象。在毛细管管径为0.7mm 时，毛细管倾斜角度大小对管口气泡的脱离周期的影响如图12所示。随着毛细管的倾斜角度的增大，毛细管管口气泡的脱离周期总体上呈下降趋势。对比图8和图12
可知，毛细管管径
8450 ms 8490 ms 8550 ms 8570 ms
8578 ms 8584 ms 8590 ms 8600 ms
图10毛细管倾斜30°时气泡脱离过程图像 4200 ms 4230 ms 4260 ms 4290 ms
4306 ms 4315 ms 4326 ms 4336 ms
图11毛细管倾斜60°时气泡脱离过程图像
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的减小使得管口气泡的脱离周期也随之减小。毛细管倾斜角度大小对管口气泡脱离直径的影响如图13所示。随着毛细管的倾斜角度的增大，毛细管管口气泡的脱离直径减小。对比图9和图13可知，毛细管管径的减小导致气泡的脱离直径减小。
图 12毛细管倾斜角度对气泡脱离周期的影响 1.001.251.501.752.002.25030
60
90
α/°
T /s
图13毛细管倾斜角度对气泡脱离体积的影响
2.5
3.0
3.5
4.0
030
60
90
α/°
D b /m m
4 结论
(1) 倾斜毛细管管口气泡生长过程中，气泡首先呈半球状生长，然后在浮升力的作用下非对称生长； (2) 气泡脱离时，气泡下侧首先脱离毛细管管壁，随后在上侧管端口断裂； (3) 气泡脱离将导致液体向毛细管内部回流; 随着倾斜角度的增大，
(4) 随着毛细管倾角的增大，气泡的脱离直径和生长脱离周期以及液体的回流量减小；
倾斜毛细管管径越小，气泡的脱离直径和生长脱离周期越小。
参考文献
[1] 辛明道.沸腾传热及其强化[M].重庆:重庆大学出版社,1987.
[2] 杨春信,马重芳等.核态池沸腾中气泡生长和脱离的动力学特征—气泡动力学研究回顾[J].热能动
力工程,1999(7):246-249.
[3] 李启恩.喷嘴气泡脱离直径的计算[J].化工学报,1990(6):754-761.
[4] H.Yang. In situ visualization study of CO 2 gas bubble behavior in DMFC anode flow fields [J]. J.
Power Sources, 2005, 139:79–90.
[5] T. Bewer. Novel method for investigation of two-phase flow in liquid feed direct methanol fuel cells
using an aqueous H 2O 2 solution [J]. J. Power Sources, 2004(1), 125:1–9.
[6] Robert Cole, Shulman H L. Bubble departure diameters at subatmospheric pressures [J].Chemical
Engineers Progress Symposium Series,1966,62(64):6～16.
[7] Andrea Luke.High speed video recording of bubble formation with pool boiling [J]. International
Journal of Thermal Sciences, 2006(45):310–320.
[8] 包立炯，石泳，朱恂，廖强. 液体流动条件下毛细管管口气泡生长脱离特性可视化实验, 2007年
中国工程热物理学会传热传质学学术会议, 广州。
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空气泡、气泡跑得快、缓慢的气泡、打气泡、气泡比赛、上升的气泡-科技馆展品概念深化方案-上海惯量自动化
空气泡/气泡跑得快/缓慢的气泡/打气泡/气泡比赛/上升的气泡 --科技馆推荐展品设计策划概念深化方案 展示内容 展项通过气泡在三组不同的密度液体中的运动状态的不同，展示波义耳定律。展台上有3个打气筒，分别对应3个容器。科技馆展品制作生产源头工厂-上海惯量自动化有限公司提示大家容器里面分别是不同密度的液体。操作台上的打气筒，于是打气装置向容器底部打气。观众可以看到，气泡上升过程中，分别装有水、石蜡油、煤油的容器中的气泡，由于压强逐渐减小，其体积逐渐增大。 科学原理 波义耳定律是由英国化学家波义耳在1662年根据实验结果提出：在密闭容器中的定量气体，在恒温下，气体的压强和体积成反比关系。科技馆展品制作生产源头工厂-上海惯量自动化有限公司提示大家这是人类历史上第一个被发现的定律。所以气泡上升过程中，由于压强逐渐减小，其体积逐渐增大。 操作说明 1.用力压打气筒； 2.对比不同管内气泡的上升观察现象。 表现形式 机械互动 Exhibits of Science Museum： AIR BUBBL According to Boyle’s law, when the temperature is constant, the air volume of a fixed amount is reversely proportional to pressu re intensity. Production source factory of exhibits in science museu m--Shanghai GuanLiang(inertia) Automation Co., Ltd reminds everyo ne that Because high density and high viscosity of the liquid, the in termolecular acting force is very big, so the air bubble formed has an adequate volume and the resisting force when the air bubble ris
KTa1-xNbxO3晶体生长过程中气泡与界面的相互作用
第32卷 第11期 无 机 材 料 学 报 Vol. 32 No. 11 2017年11月 Journal of Inorganic Materials Nov., 2017 Received date: 2017-02-14; Modified date: 2017-05-15 Foundation item: National Natural Science Foundation of China (51472263, 51602330); Shanghai Sailing Program (16YF1413100) Biography: LI Shu-Hui (1992-), female, candidate of master degree. E-mail: lishuhui@https://www.360docs.net/doc/235875991.html, Corresponding author: LIU Yan, professor. E-mail: liuyan@https://www.360docs.net/doc/235875991.html,; PAN Xiu-Hong, associate professor. E-mail: xhpan@https://www.360docs.net/doc/235875991.html, Article ID: 1000-324X(2017)11-1223-05 DOI: 10.15541/jim20170068 Interactions Between Bubble and Interface During KTa 1-x Nb x O 3 Crystal Growth LI Shu-Hui 1,2, PAN Xiu-Hong 1, LIU Yan 1, JIN Wei-Qing 1, ZHANG Ming-Hui 1, YU Jian-Ding 1, CHEN Kun 1, AI Fei 1 (1. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China) Abstract: The generation of bubbles and its interaction with the interface during melting and growth process of po-tassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3) crystals were visualized by a high temperature in-situ observation system. It was found that bubbles are generated mainly from the solid-liquid interface during melting, rather than from the melt. Bubbles with radii smaller than 0.7r (where r is the mean radius of bubbles) arise mostly from nucleation at the interface while radii larger than 1.5r are the result of coalescence. The existence of the bubble not only lowers the growth velocity of the near interface, but also affects the structure of the crystal. The effect of a bubble on the growing interface depends on their dimension ratio together with the moving speed of the interface. There are three typical kinds (hat-, sphere- and ellipsoid-shaped) of vapor inclusion morphologies being demonstrated. The analysis of the bubble behavior can promote the understanding of the formation of inclusion defects in KTN crystal growth process. Key words: potassium tantalate niobate; crystal growth; bubble; in situ observation; computed tomography Potassium tantalate niobate, KTa 1-x Nb x O 3(KTN), which has the largest quadratic electro-optic effect, is one of the earliest discovered materials with photorefractive characteristics [1-2]. It has attracted much attention as a promising material for electro-optical applications in the past few years [3-5]. Although the unparalleled properties of KTN single crystals have been realized for more than half century [1,6-7], application is still extremely limited because of the rigorous growth conditions [2,6]. In order to find a relatively simply way to obtain KTN crystal, re-searchers have tried several methods [8-10]. But some growth defects, such as inclusion, crack and striation, still restrict the application of the crystal [11-13]. With the purpose of obtaining KTN single crystal with high qual-ity, it is imperative to strength the study on its growth defects [12]. However, due to the difficulty for real-time observation in a high temperature environment, few studies have been focused on the generation procedure of inclusions during KTN crystal growth from the melt. In this work, we try to study the generation of bubbles with the help of a high temperature in-situ observation sys-tem [14-18]. Furthermore, combined with the morphological analysis of bubbles-induced inclusions, the influence of the existing bubble on the crystal structure was discussed in detail. 1 Experiments KTa 1-x Nb x O 3 crystals with x = 0.78 were obtained in a melt growth apparatus, then the melting and growth process were performed and visualized in a high tem-perature in-situ observation system. The system was comprised of a heating chamber and a loop-shaped Pt wire heater as shown in Fig. 1. The Pt wire (Φ 0.2 mm) as shown in Fig. 1(a) was employed to heat and suspend the melt during the in-situ observation experiment of crystals with high melting points. The inner diameter of the loop is ~1.20 mm. Pt-10% Rh thermocouple (Φ 0.08 mm) as shown in Fig. 1(b) located in one side of the loop is used to measure the temperature with the fluctuations of less than ±2 above 1000. The power ℃℃was applied to both the electrodes of the wire as shown in Fig. 1(c) and 1(d). The video of the crystal growth process was re-corded from the microscope by a camera. A typical experimental procedure was carried out in the following way. Before each test, the amount of the test melt was precisely controlled until a thin transmis-sive flat film of about 300 μm thickness in the center of the loop-shaped heater was obtained. Turn on the power source, record the temperature as the melting temperature 万方数据
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气泡的声学特性分析 221 气泡的散射特性 上世纪50年代后期，海洋学者开始意识到了气泡研究对于海洋探测的重要性，自从UriCk和HOOVer在1956年发现了气泡对于声波的散射后，气泡的散射问题就一直是水声研究领域的经典问题错误未找到引用源。。目标对声信号的散射能力根据不同性质、大小、形状的目标而不同，同时也与声波的入射方向有关[9]。因此, 对于水声探测来说，目标散射场特性的研究尤为重要。沿X轴方向传播的平面声 波入射到半径为R的软球边界上，观察点S(rc)处的声场。如图2.1所示，X轴方向为零度方向。 图2.1平面声波在软球球面上的散射 入射平面声波表达式为： P i(x,t)=p°e j(Z) = P O e j g rCO S e)(2-1)其中，，为波长，C为介质声速，「为角频率，C=二，为波数，(r,d)为点S的球坐标。 根据波动方程和软球应满足的边界条件，球面上的声压为零，即 P i P S=O (^ R) (2-2)声场关于X轴对称，所以取满足以X轴对称的球坐标系的波动方程的解为 Oel P s =Σ R m P m(CoS日)h m2>(kr)e jκt(2-3) m z0 其中，R m为常数，h r mυ(x)为第二类m阶汉克尔(Hankel)函数，「：?为m阶勒 让德(Legendre)多项式，代表声波的传播方向为由球心向外。入射平面声波可以分解为 球函数的和： Oa P i(r,8,t) =p°e j°5∑ (―j)m(2m+1)P m(cos日)j m(kr) (2-4) m =0 其中，j m(kr)为m阶球贝塞尔(BeSSe)函数。将(2-2)，(2-3)和(2-4)式合并，解出a m ,则P S为：
重建上升气泡与数字图像处理方法1
重建上升气泡与数字图像处理方法 边雨辰,冯栋，王弘毅 天津市重点实验室的过程测量与控制，学校的电气工程及其自动化 天津大学 中国天津 摘要 描述气泡上升对研究气体或液体两相流的原理是很重要的。 作为上升的气泡,重建气泡的形状可以成为进一步描述一个泡沫的坚实基础。气泡图像由两个摄像机采集；利用数字图像处理方法对图像进行预处理；模拟椭圆的参数运用霍夫转换来获取；气泡模拟椭圆模型的重建型基于这些提取参数。 关键字：数字图像处理；参数提取；气泡椭球；重建 一．介绍 在自然界和工业领域,特别是各种能源产业，例如石油和化工等行业,多相流发生频繁。两相流指的是一种特殊的流动模式混合流体力学的关系,其中他们之间一定有两种相共存和显式接口。最常见的类型是气体或液体两相流,其中最基本的模式是泡状流。泡状流在气/液两相流机制的研究中起着重要的作用，同样在泡沫柱的工业应用上也具有极大的价值。 随着科学技术的发展,各种各样的新技术应用于测量多相 流动参数。作为一种新兴的测量技术,数字图像处理广泛的应用于多
相流参数的测量,如泡沫变形、流速和天然气的分数。首先,进行初始图像处理,然后对图像中感兴趣的目标进行测定,并提取泡沫的投影参数,最后,泡沫模型的变形码，变形气泡模型运用气泡流动机制的进一步研究的参数来重建。基于数字图像处理单个图像的气泡,福特讨论了单气泡变形和运动,但泡沫的倾斜角度被忽视,水平宽度和垂直高度的气泡图像仅仅视为泡沫的轴。在研究气体高分泡沫流动中,穆雷运用数字图像处理重建了部分使用气体分布。 本文中，使用两个摄像机从垂直方向对上升的气泡进行监控，运用数字图像处理方法来处理图像，使其达到理想化的二进制图像；从泡沫图像的投影椭圆来提取参数；使两组的参数相匹配来计算三维参数和重建这个变形泡沫的椭球面模型。它提供了一条可行途径来进一步对泡沫的流动机理研究。 二．泡沫图像采集 从两个垂直的方向使用两个摄象机比使用单摄像机能更好的、更准确地对不断上升的泡沫进行监控。在这个研究中，两相流模拟实验装置是一个由200毫米×200毫米截面积和1.25米的高度的有机玻璃槽,如图1所示。它的小孔直径约2毫米，泡沫的流速、频率、大小运用 调节控制阀下面的孔隙可以控制。双摄像头的图像采集设备由两个从两个垂直的方向的摄象机组成，焦距8毫米。图像被这些是760(卧式)×575(垂直的)像素,帧速率是每秒30帧的相机拍摄。在这些条件,涂
倾斜毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验
https://www.360docs.net/doc/235875991.html, 倾斜毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验 廖强*朱恂包立炯石泳 重庆大学工程热物理研究所，重庆400030，中国摘要：本文采用高速摄影仪对滞止流体中不同管径和倾斜角度的毛细管管口的气泡生长和脱离过程进行了可视化实验研究。实验结果表明：倾斜毛细管管口气泡生长过程中，气泡首先呈半球状生长，然后在浮升力的作用下非对称生长；气泡脱离时，气泡下侧首先脱离毛细管管壁，随后在上侧管端口断裂；气泡脱离将导致液体向毛细管内部回流。随着毛细管倾角的增大，气泡的脱离直径和生长脱离周期减小；倾斜毛细管管径越小，气泡的脱离直径和生长脱离周期越小。 关键词：倾斜毛细管，滞止流，气泡生长与脱离，可视化实验 中图分类号:O359 VISUAL EXPERIMENTS ON BUBBLE GROWTH AND DEPARTURE AT THE TIP OF INCLINED CAPILLARY TUBES IN STAGNANT LIQUID Liao Qiang* Zhu Xun Bao Lijiong Shi Yong Institute of Engineering Thermophysics, Chongqing University, Chongqing 400030, China Abstract: The bubble growth and departure at the tip of inclined capillary tubes in stagnant fluid was experimentally investigated by using a high-speed visual system. The visual experiments showed that the bubble growth experienced the sphere-like growth and the unsymmetric growth stages at the tip of an inclined capillary tube. In the period of bubble departure, the bubble firstly detaches from the lower side of capillary tube end and then, departs from the tube tip at the upper edge of the capillary tube end. The flow backwards of fluid into the tube is observed after bubble departing from the tip of capillary tube. It is found that the bubble departure diameter, the cycle period of bubble growth and departure, and the fluid volume of flow backwards into tube are decreased with an increase in the inclined angle of capillary tube. A smaller internal diameter of inclined capillary tube leads to a smaller bubble departure diameter and a shorter cycle period of bubble growth and departure. Key words: inclined capillary tube, stagnant fluid，bubble growth and departure, visualization experiment 引言 在化学、核能、热力发电以及石油等工业领域的换热设备以及化工和生化反应器中广泛存在气泡的生长及脱离现象，例如气泡动力学的研究对于探讨液体核态沸腾换热的机理具有重要的作用[1-3]。直接甲醇燃料电池阳极流道内气泡的生长和脱离特性对电池阳极的传输传质特性和电池的性能具有很大的影响[4-5]。现有的核池沸腾换热模型大部分是从研究单个气泡的形成、生长和脱离以及伴2007-11- 收到初稿. *国家自然科学基金项目（No. 90410005, 90510020）, 教育部新世纪优秀人才支持计划, 高等学校博士学科点 专项科研基金（项目批准号：20050611004）. **通讯作者：廖强, 男, 40岁, 博士, 教授. E-mail:lqzx@https://www.360docs.net/doc/235875991.html,
小气泡答疑
小气泡 小气泡的原理是什么？ 答：小气泡水磨头利用强压将水的超微小气泡作用于皮肤。由于小气泡直径只有10微米，可以很容易渗进毛孔并且带走污垢，同时大量气泡在水中溶解破裂，产生大量的能量和氧负离子，由此可以杀菌，改善痘痘的问题。整个过程像做保养一样，皮肤没有破损所以敏感皮肤也适用，也无需恢复时间！ 小气泡皮肤清洁有哪些优势？ 1、相比化学去角质，超微小气泡物理去除老化细胞更加温和。 2、提升毛孔吸收水的能力，减缓干性细纹，使补水更通透。 3、彻底清洁毛孔，使水油分泌平衡，由此可以改善痘痘的问题！ 小气泡皮肤深层清洁多久做一次？经常清洁会不会对皮肤让皮肤变薄？ 答：答：人体肌肤角质在17日-28日的周期会自动掉落，随着年龄的增长会留在皮肤上，是皮肤暗淡的原因，因此定期清洁尤为重要！但不建议过度经常清洁皮肤，如果过度清洁会使皮肤表皮变脆弱降低皮肤保护能力，因此建议的施术周期为两周一次，清洁后皮肤不会变薄，因为小气泡清洁的是角质以及毛孔内部垃圾，脸部皮肤不会因此而变薄。 2、夏季可以做小气泡吗？ 答：可以，因为夏天皮脂腺分泌旺盛，可能角质层也就相对厚一些，所以要经常做面部清洁以及面部护理，在效果上因为夏天毛孔张开，对脸部清洁有非常不错的帮助。 3、用仪器吸附角质后，毛孔会不会变大？
答：在用小气泡施术前，我们会用热喷将毛孔扩大软化，这样有助于角质干净清除！进行清洁后，再给皮肤补充些养份，更有助于产品的吸收，反而会有缩小毛孔的效果。 4、脸上青春痘比较多，治疗的时候会不会有疼痛感？ 如果面部青春痘比较多的情况，在面部清洁后适当地挤压痘痘，再用敏感肌肤使用的药水来进行毛孔清洁，不会有明显的疼痛感。反而会抑制痘痘的生长。 5、治疗一次有效果吗？治疗次数应该是多久呢？ 小气泡主要是清洁毛孔，就好比是在为脸部做一次大扫除一样。整套护理不是除于功效类项目，是属于日常很有必要的护理类项目，只要你觉得皮肤脏了，堵了就需要好好清洁一下。对于黑头非常明显的朋友，做一次都会有超明显的效果。 6、它是怎样达到如此好的效果的？ 答：通过真空负压形成真空回路，将小气泡和营养液充分结合，通过特殊设计的小螺旋形洗头直接作用于皮肤，且能保持小气泡长时间接触皮肤，促进剥离作用，小气泡与吸附作用相结合，在安全没有疼痛的状态下，能深层洁面，祛除老化角质细胞，祛除皮脂，彻底清除毛囊漏斗部的各种杂质，毛囊虫及油脂残留物，同时使毛囊漏斗部充满营养物质，为皮肤提供持久的营养，使皮肤湿润细腻有光泽。 7、小气泡皮肤清洁前注意些什么？ 答：治疗当天，要仔细清洁面部，不能有化妆品残留。 8、小气泡多久做一次来进行皮肤清洁？
显微镜下瓷器表面气泡研究
古陶瓷的釉中有气泡是一种比较常见的现象。有的器物的气泡特征十分明显，用肉眼即能观察清楚，形成很深的直观印象；而有的器物虽然有明显的气泡，但气泡的特征却不是很明显；也有的器物釉面无明显的气泡，甚至无气泡。 有关气泡形成的原因和变化规律，目前尚未处于探索阶段。有人认为它是由釉层中的水分子变化而来的。在陶瓷烧制过程中，窑内的高温会使釉层中的结晶水或液态水都变成气体，当釉层厚时，气态水分子被釉膜包住，释放不出来便形成为气泡。 当釉层薄时，气泡冲破了釉层，则在釉表形成无数小坑凹（麻点）。气泡的形成与器物的窑口、釉质、釉层厚薄、烧成时窑内的温度变化、窑内气氛等因素有密切关系。 气泡在古陶瓷鉴定中的作用 目前收藏界尚有不同说法，肯定者认为，气泡在古陶瓷鉴定中具有重要的参考作用，可以作为鉴别新旧和窑口的主要依据之一；否定者认为，气泡不过是釉层中的一种自然现象，气泡无规律可循，不具有区分标识的功能，因而不能作为鉴定的依据。事实上，这两种观点都不完全正确。尽管不同器物的气泡在具体形态、疏密、多少、大小及层次分布等方面的特征千差万别，有时难以用同一个标准去把握，但相同窑口或品种的器物在气泡特征方面却具有一定的相似性。相同窑口或品种的器物，由于釉的原料、配方、施釉方法、釉层厚薄、烧成时的窑内气氛、温度变化等方面都大致相同，因而烧成后的器物在气泡特征方面会具有一定的共性和规律。这种共性和规律，在进行仔细分析研究后，有时也可以作为古陶瓷鉴定的依据之一，具有一定的参考价值。但相对于古陶瓷的胎、釉、造型、纹饰等其他鉴定标准来说，气泡并不是最典型最本质的特征，气泡标准具有不确定性，因而不能无限夸大气泡在鉴定中的参考价值。对于一些釉中无明显气泡或虽有气泡但特征不典型的陶瓷种类，不宜通过气泡特征进行鉴定。依据气泡进行古陶瓷鉴定，最基本的前提在于对被鉴定对象的气泡特征要了如指掌，这种了解应是在观察、上手大量真品实物基础上的感性认识和理性升华，而不能只是通过书本得来的未经对照实物检验的似是而非、众说纷纭的所谓气泡特征。 历代各个窑口陶瓷气泡的特征
气泡动力学研究
气泡动力学研究 A.Shima Professor Emeritus of Tohoku University, 9-26 Higashi Kuromatsu, Izumi-ku, Sendai 981, Japan Received 17 June 1996 / Accepted 15 August 1996 摘要：为了弄清楚与空化现象密切相关的气泡的特性，气泡动力学的研究已经深入的进行并且建立了其研究领域。本文旨在结合激波动力学简单的介绍气泡动力学及其历史。 关键字：气泡、空化、脉冲压力、液体射流、冲击波、损害坑。 1引言 在1894年的英格兰，当船在高速螺旋桨推动下试运行的时候达不到设计速度。为了查清这种现象的原因而设计了一个试验并最终发现了空化现象。从那时起，空化现象的研究日益进展，因为空化现象是阻碍工作在流体环境中的水力机械性能提高的一个重要因素。 然而，现在为了根本的理解空化现象及其相关内容，人们已经意识到应该研究气泡动力学。作者研究空化现象和气泡动力学四十多年，本文简单介绍一些气泡动力学研究及其与冲击波动力学的联系。 2空化和气泡核 水在水轮机，水泵，螺旋桨和带有各种沟渠的水力机械中流过，当液体和固态水翼的表面或者沟槽壁的相对速度变得如此大以至于局部水流的静压力减小到极限压力以下时空化现象就出现了，这个极限压力被称为空化初始压力。 通常情况下当水中不满足空化条件时，称为气泡核的小气泡是不存在的，水能抵抗非常大的负压，空化现象不能轻易的发生。 然而，水中通常包含几个百分点的空气，因此在这种情况下气泡核生长称为可见的气泡和容易被告诉摄影观察到（Knapp and Hollander 1948）。这就是所谓的空化现象。 同样地，假设有一个气泡核半径为，在液体中随着温度变化而生长，气泡存在和稳 定的条件通过由静力平衡关系得到的公式给出（Daily and Johnson 1956）。 上式中σ是液体的表面张力，是液体饱和蒸汽压，P是液体压力。当上式中的值超过右 端或小于左端的值时，气泡核分别开始无限的膨胀或收缩。由此看来气泡表现出复杂的行为取决于气泡周围各种水力状况。由于这些状况存在于空化噪声，空泡腐蚀等许多现象中，所以空泡动力学的研究要澄清空化现象的机理。 3无限液体中气泡的行为 Besant (1859) 提出（在真空、无限的、非粘滞性的并且不能压缩的液体中运动的球形气泡）一个预测液体中各点压强和气泡溃灭时间的难题。 Rayleigh (1917)从理论上解决了这一难题并且得到了描述气泡运动的解析式。他的在无限的、非粘滞性的、不能压缩的液体中单个球形气泡运动公式如图示1所示。气泡的表面速 度V通过假定液体所做的功——当一个气泡由初始半径缩小到R——等于气泡运动的全部 动能获得。
气泡在液体中上升
物体和气泡在水中受到水的压强（只考虑水不考虑大气压强） P=ρ水gh 若深度相同物体和气泡在水中受到水的压强相等 物体和气泡在水中受到的压强（考虑大气压强） P=P0+ρ水gh 若深度相同物体和气泡在水中受到的压强相等 不明追问 物体所受压力的大小与受力面积之比叫做压强 定义式：p=F/S 液体压强公式推导过程：要想得到液面下某处的压强，可以设想这里有一个水平放置的“平面”，这个平面以上的液柱对平面的压力等于液柱所受的重力。 这个平面上方的液柱对平面的压力F=G=mg=ρVg=ρShg 平面受到的压强p=F/S=G/S=mg/S=ρVg/S=ρShg/S=ρgh（适用于液体） 产生浮力的原因 可用浸没在液体内的正立方体的物体来分析。该物体系全浸之物体，受到四面八方液体的压力，而且是随深度的增加而增大的。所以这个正立方体的前后、左右、上下六个面都受到液体的压力。因为作用在左右两个侧面上的力由于两侧面相对应，而且面积大小相等，又处于液体中相同的深度，所以两侧面上受到的压力大小相等，方向相反，两力彼此平衡。同理，作用在前后两个侧面上的压力也彼此平衡。但是上下两个面因为在液体中的深度不相同，所以受到的压强也不相等。上面的压强小，下面受到的压强大，下面受到向上的压力大于上面受到的向下的压力。液体对物体这个压力差，就是液体对物体的浮力。这个力等于被物体所排开的液体的重力。 水中大气泡和小气泡哪个上升的快？ 应该是大的上升的快 你可以把它们与雨点作一下对比 气泡的话,在水中受到的有水的浮力和粘滞力的作用(重力可以忽略), 气泡越大,受到的浮力越大, 气泡的速度越来越快,受到的粘性滞力也越来越大,当与浮力平衡时,气泡就匀速上升了,此时用公式表示就是F=Kv^2,KJ水的粘滞系数,F表示浮力,浮力越大,当然最后的速度也越大 牛顿粘滞定律： 对于实际流体，它是有粘滞性的。实际流体发生分层流动，因流速不同，相邻两层之间就有了相对滑动，之间存在与速度方向相切的相互作用力，我们称之为粘滞力或内摩擦力，实验表明： F=ηS（dv/dx） 此式称为牛顿粘滞定律，F为粘滞力，S为两流层之间的接触面积，dv/dx为该处的速度梯度，比例系数η叫做流体的粘度或粘滞系数，单位为Pa·s或P（1P=0.1Pa·s）。 粘滞系数（coefficient of viscosity）η： 流体粘滞性大小的量度。 流体具有粘滞性的原因： 分子力和分子的无规则热运动。 滞系数的决定因素： 粘滞系数大小由流体本身的性质、流体的温度决定。 对液体来说：温度越高，粘滞系数越小；温度越低，粘滞系数越大。
微细气泡生长及生成特性单因素影响规律研究
Abstract Microbubbles refer to bubbles whose diameter is hundreds of microns.They are small in sizeThey have many characteristics that conventional bubbles do not have,such as small size,slow rise speed,and high mass transfer efficiency.So,microbubbles have considerable potential application value in many fields,such as wastewater treatment, ultrasonic imaging,and skin cleaning.The single-factor inflencing laws of microbubble growth and formation characteristics in the PDMS chip are studied aims to stduy the inflencing laws of microbubble growth and formation characteristics based on the application of microbubbles in sewage treatment and astronauts bathing. The theory model of microbubble formation surrounded by co-flowing liquid was investigated.The mechanics conditions of the microbubble during its growth process are analyzed in detail based on the ellipsoidal assumptions.The mechanical equation of the surface tension,liquid flow tension,gas power and microbubble inertial force are established.The calculation of above-mentioned model was completed to predict the detachment volume of microbubbles in different environments based on the MATLAB and the fourth-order Runge-Kutta method. The numerical simulation experiment of microbubble formation surrounded by co-flowing liquid was investigated.The numerical simulation model was established based on the two-phase flow theory and the level set equations in COMSOL Multiphysics.The detachment volume and formation time in different environments were predicted.And the prediction of the change of the volume in the growth process of the microbubble was completed. The experiments of generation characteristics of the microbubble surrounded by co-flowing liquid was investigated.The PDMS chip based on coaxial flow focusing was processed.A microbubble generation test system was set up to study the generation characteristics of the microbubble surrounded by co-flowing liquid based on the professionally-constucted high-speed microscopic camera system(HSMCS).Image-Pro Plus,Photoshop,and MATLAB are used to process the images in the process of the microbubble generation.The characteristic parameters of the microbubble such as the detachment volume,formation time,and the centroid displacement under different conditions were obtained to investigate the influence of the liquid flow,liquid viscosity, gas pressure and the width of gas channel on generation characteristics of the microbubble.The effect of the prediction of the theoretical model and the simulation model on the detachment volume and the formation time were verified. The experiments of generation characteristics of the microbubble in microfluidic -II-