倾斜毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验
微通道内催化表面气泡生长及脱离的可视化实验(论文)
2014年12月CIESC JournalDecember 2014第65卷第12期化工学报V ol.65 No.12微通道内催化表面气泡生长及脱离的可视化实验叶丁丁1,2，相威2，朱恂1,2，李俊1,2，廖强1,2（1重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030；2重庆大学工程热物理研究所，重庆 400030）摘要：采用聚二甲基硅氧烷材料（PDMS）制备矩形截面的微通道，并在微通道壁面上沉积MnO2作为催化剂，采用高速摄影仪对通流过程中过氧化氢催化分解生成氧气气泡的过程进行了可视化实验研究，分析了反应物的浓度和流量对气泡生长速度及脱离直径的影响。
结果表明：气泡在微通道内催化表面的生长及脱离过程呈周期性变化的趋势；气泡生长可以分为快速生长和缓慢生长两个阶段，当t＜3 s时气泡处于快速生长阶段，催化反应主要受动力学控制，当t≥3 s时扩散控制占主要地位，气泡生长速度随反应物浓度的升高而增大；气泡脱离直径受反应物浓度影响较小，受反应物流量影响较大，而且随液相反应物Reynolds数的增大线性降低。
关键词：微通道；催化；反应；气泡生长；脱离直径DOI：10.3969/j.issn.0438-1157.2014.12.005中图分类号：O 359+.1；TQ 021 文献标志码：A 文章编号：0438—1157（2014）12—4678—06 Visualization experiments of bubble growth and detachmenton catalytic surface in a microchannelYE Dingding1,2, XIANG Wei2, ZHU Xun1,2, LI Jun1,2, LIAO Qiang1,2(1Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems, Chongqing University, Chongqing 400030, China;2Institute of Engineering Thermophysics, Chongqing University, Chongqing 400030, China)Abstract:A rectangular microchannel was fabricated with polydimethylsiloxane (PDMS) material and MnO2 catalysts were deposited on the wall of the microchannel. The growth and detachment process of oxygen bubbles generated by the catalytic reaction of H2O2 solution were recorded by a high speed camera. The effects of reactant concentration and flow rate on bubble growth rate and detachment diameter were also analyzed. The growth and detachment process of bubbles generated on the catalytic surface in the microchannel occurred periodically. Moreover, the bubble growth consisted of two processes, the initial fast growth process and the later slow growth process. Before 3 s, the generated bubbles were in a fast growth period, and reaction kinetics dominated the process. However, after 3s, reaction rate was controlled by diffusion, resulting in the fact that bubble growth rate increased with increasing reactant concentration. In addition, bubble detachment diameter was slightly affected by reactant concentration, while it was significantly affected by reactant flow rate and dropped linearly as Reynolds number increased.Key words:microchannels; catalysis; reaction; bubble growth; detachment diameter2014-04-24收到初稿，2014-06-18收到修改稿。
毛细管光电法测量气泡、液滴大小分布的研究
在 装置 中液滴 或 气 泡 一 般 呈 球 形
犷。
=
其体 积 为
。
一
f
犷。
,
所 以 得出 其直 径为
3 u 一=
、
音
!
,
d扎
对于 同 一 液 滴 或 气 泡
有
/
,
/,
1
:
-
_
d 止l 吞
’
/
_
口 ,
Z
\
么了
几 一 e
、
c
l
/
(
1
)
梦 叼 !( 洲 (( (((
`
卜帕 甲
/ / /
/
/
/
/
/
刁衬 亩
,
在 实 时测量时
。
它 还能
、
选 择最 佳 测试 条 件 和 自动 鉴 别并 剔 除错 误 测 量 数 据 性好
、
因 此 该 系 统 测 量 精度 高
速 度快
重复
操作简 便
它 的研 制 成 功 填补 了 国 内 空 白
提 供 了先 进 的 测 试 方 法 和 手 段
二
、
毛 细 管光 电检 测 法 的测量 原 理
第9 卷
1 9
8 8
第
年
期
4 1 1月
仪
C
器
R N
L
仪
O
表
S C E N T
学
F C
报
o
.
l
v
.
9
地
4 8
H
N
E S E
O U
F
N
S T
R U
毛细管现象
毛细管现象毛细管现象是指当液体与毛细管接触时，液体会在毛细管内产生上升或下降的现象。
这种现象的产生是由于毛细管壁与液体之间的表面张力和毛细管内液体的吸附作用相互作用所导致的。
毛细管现象在实际应用中具有重要的意义，可以用于测量液体的表面张力、分离物质以及在液体中进行输运等方面。
毛细管现象很早就被人们观察到并研究，最早的研究者之一是英国科学家托马斯·杨。
他通过实验发现，当一束细长的玻璃管（即毛细管）插入液体中时，液体会沿着毛细管内壁上升，直到液面与外界的液面平衡为止。
他将这种现象称为毛细现象，后来人们将其称为毛细管现象。
毛细管现象的产生主要是由于液体与毛细管之间的表面张力作用。
表面张力是指液体表面上的分子之间的相互作用力，由于表面分子只受到周围分子的吸引力，所以表面分子会产生向内收缩的趋势，使液体表面形成一个薄膜，这就是表面张力的原因。
当液体与毛细管接触时，液体的表面张力会使液体上升，直到与外界液面平衡。
除了表面张力，毛细管现象还与毛细管内液体的吸附作用有关。
吸附作用是指液体与固体表面之间的相互作用力。
在毛细管壁上存在大量微观孔隙，并且孔隙内部存在着各种形式的吸附物质（如水分子）。
当液体进入毛细管时，液体分子会与孔隙内的吸附物质相互作用，使液体分子受到一定的吸引力，从而促使液体上升。
毛细管现象的产生还与毛细管的直径和液体的性质有关。
根据建立的毛细管下降和上升的数学模型可以得到，当毛细管直径越小，液体上升或下降的速度越快。
而液体的性质则主要通过表面张力和吸附作用来影响毛细管现象。
毛细管现象在实际应用中有着广泛的应用。
首先，毛细管现象可以用于测量液体的表面张力。
通过测量液体在毛细管中上升或下降的高度，可以得到液体的表面张力值。
这对于研究液体的性质以及工业生产中的质量控制具有重要意义。
其次，毛细管现象可以用于分离物质。
利用毛细管现象，可以根据不同物质在毛细管中的上升或下降速度，将不同物质分离出来。
气泡粘附纤维微观可视化实验研究
气泡粘附纤维微观可视化实验研究张文晖;张金朝;江骁雅【摘要】Effect of fiber properties,surfactant and CaCl2 on the bubble-fiber attachment were investigated with CCD in this research. The results show that the addition of nonionic surfactant TX-100 or anionic surfactant sodium oleate cannot en-hance the attachment. Compared with longfiber(1.1,mm),bubble is prone to attach short fiber(0.6,mm). Bubble is easy to attach AKD sized fiber. Under alkaline conditions(pH=10.5),the addition of CaCl2 can enhance bubble-fiber attachment.%采用 CCD 摄像法观测气泡粘附纤维的微观行为，考察纤维性质、表面活性剂和 CaCl2对气泡粘附纤维的影响．实验结果表明：加入非离子表面活性剂TX-100或阴离子表面活性剂油酸钠都不利于气泡粘附纤维；相对于长纤维(1.1,mm)，气泡更容易粘附短纤维(0.6,mm)；AKD 施胶过的纤维更容易粘附在气泡上；碱性(pH＝10.5)条件下加入CaCl2将有利于气泡对纤维的粘附．【期刊名称】《天津科技大学学报》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】4页(P26-29)【关键词】纤维;气泡粘附;可视化;AKD【作者】张文晖;张金朝;江骁雅【作者单位】天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津 300457;天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津 300457;天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学材料科学与化学工程学院，天津 300457【正文语种】中文【中图分类】TS71+3废纸作为一种重要的可再生资源，其回收利用具有良好的经济及社会效益，对环境保护和资源利用都具有十分重要的意义．就工程技术层面而言，通过改进废纸制浆工艺以提高二次纤维的利用率是目前解决废纸资源日趋紧张的重要途径之一．据报道[1]，目前工业浮选脱墨环节中本色浆的纤维流失率为5%～12%；而高品质浆的纤维流失率将达到50%．纤维流失途径主要有两种：一是通过气泡粘附纤维进入泡沫层；二是通过物理夹带进入泡沫层．Li等[2]研究发现浮选脱墨过程中长纤维较短纤维更容易流失，认为这主要是加入表面活性剂后增强了长纤维表面的疏水性，从而导致长纤维更容易流失．因此他们认为，表面活性剂改变纤维表面疏水性使得纤维更易与气泡粘附是纤维流失的主要原因．然而，Deng等[3]采用间歇式浮选，从宏观角度研究纤维流失机理，发现气泡粘附纤维导致的纤维流失量只占总流失量的25%～33%．本文从微观可视化的角度出发，研究在不同化学环境条件下气泡粘附纤维情况，考察各因素对气泡粘附纤维的影响．1.1 原料与仪器9#美废、漂白硫酸盐阔叶木浆；烷基烯酮二聚物(AKD，固含量13.8%)，阳离子聚丙烯酰胺(cPAM，相对分子质量1×107)；TX-100，化学纯，天津江天化工技术有限公司；油酸钠、氯化钙，分析纯，天津市江天化工技术有限公司．Bauer Mcnett纤维筛分仪，美国TMI公司；912型纤维分析仪，瑞典Lorentzen &Wettre公司；PGX型便携式接触角测试仪，美国Thwing-Albert公司．1.2 实验方法纤维分级：采用Bauer Mcmett筛分仪对纸浆纤维进行分级．纤维表面改性：先向疏解好的纸浆内加入cPAM(用量0.1%，相对于绝干浆)后，加入AKD乳液(用量1.0%，相对绝干浆)，抄片，(105±2)℃烘箱内烘焙2h，自然熟化12h，备用．测量时对抄好的纸片再次进行碎解并疏解成单根纤维状态．纤维长度测量：采用912型纤维分析仪进行纤维长度测量．纤维疏水性质表征：纤维抄片后采用PGX型便携式接触角测试仪测量三相接触角．气泡粘附纤维微观实验[4]：把湿浆疏解成单根纤维(浓度约为0.05%)，倒入100mL的方形有机玻璃槽中(如图1所示)，采用磁力搅拌器搅拌纤维悬浮液，加入表面活性剂至所需浓度，混匀．通过10µL注射器向有机玻璃槽内曝入一个气泡(直径约为1.6mm)并使之停留在曝气管口．操作有机玻璃方槽下方的微距升降台，使有机玻璃方槽缓慢上升，气泡接近纤维层并逐渐没入纤维层，直至气泡完全被纤维层所覆盖．操作微距升降台，使有机玻璃方槽缓慢下降，气泡缓慢脱出纤维层，继续使有机玻璃方槽缓慢下降，直至能够清晰地拍摄到气泡的状态为止．用CCD摄像头拍下粘附过程，并记录保存图像．2.1 气泡粘附未改性纤维未改性的纤维性质见表1．由表1可知：未表面改性的纤维表面呈亲水性(三相接触角小于30º)．目前，浮选脱墨主要在中碱性条件下进行，因此本实验主要考察pH为7.0和10.5两种典型条件下的情况．不同TX-100浓度和pH条件对气泡粘附短纤维的影响如图2所示．从图2可以看出：在非离子型表面活性剂TX-100质量浓度为10mg/L与100mg/L，pH为7.0与10.5条件下，气泡对短纤维无粘附．此外，气泡对长纤维也无粘附(图略)．在阴离子型表面活性剂油酸钠体系中，气泡对纤维也无粘附(见图3)．表面活性剂对气泡粘附纤维的影响原因有两方面：一方面，随着表面活性剂的加入，气泡表面会吸附表面活性剂(其疏水端向内吸附在气泡表面，其亲水端向外)，从而使得气泡表面更亲水；另一方面，表面活性剂也会吸附在亲水的纤维表面，使得纤维表面更疏水．在本实验条件下，前者的作用明显大于后者，从而导致气泡对纤维无粘附．pH对表面活性剂体系中气泡粘附纤维影响主要是影响纤维表面不同官能团，从而影响表面的疏水性，但其影响不大[2]．在pH＝10.5、油酸钠质量浓度50mg/L、氯化钙质量浓度100mg/L的条件下，在油酸钠–氯化钙体系中，气泡粘附纤维情况如图4所示．由图4可知：气泡可以粘附短纤维，而对长纤维无粘附．其主要原因是长纤维质量大于短纤维质量，长纤维与气泡之间粘附作用力小于长纤维在液体中有效重力．加入氯化钙增大了气泡对纤维的粘附作用的原因可能是：其一，Ca2+或Ca(OH)+吸附在带负电荷的纤维表面，增大了纤维疏水性[5]；其二，Ca2+或Ca(OH)+与表面活性剂竞争吸附在气泡表面，由于正电性强和空间位阻小，导致Ca2+优先吸附在气泡表面，阻止气液界面处的表面张力过快降低．为了进一步研究氯化钙对气泡粘附纤维的影响，实验考察pH分别为5.5、7.0、10.5的条件下，氯化钙对气泡粘附纤维的影响，结果如图5所示．从图5可以看出：在酸性和中性条件下，气泡对短纤维无粘附作用；而在碱性条件下，气泡可以粘附纤维．这说明氯化钙很可能是以Ca(OH)+的形态影响气泡粘附纤维．2.2 气泡粘附改性纤维本文通过施胶改性模拟废纸浆中施过胶的纤维．为了便于控制施胶程度(纤维表面疏水性)，采用AKD对阔叶木漂白硫酸盐浆纤维表面进行改性，改性后的纤维呈疏水性(三相接触角为130º左右，见表2)．从图6中可以看出纤维经过施胶，虽然表面呈现疏水性，但由于TX-100吸附在气泡表面，导致了气泡表面呈亲水化或气液表面张力的迅速降低，因此在本实验条件下，气泡对改性后纤维无粘附．在pH＝10.5、油酸钠质量浓度50mg/L、氯化钙质量浓度100mg/L的条件下，在油酸钠–氯化钙体系中，气泡粘附改性纤维情况如图7所示．对比图4和图7可以发现：通过纤维表面改性，增大了气泡对纤维的粘附，并且气泡对短纤维粘附量更大．其原因主要是强化了气泡与纤维间作用或静电作用．对比图6和图7可以发现，在氯化钙存在情况下，Ca2+或Ca(OH)+对气泡表面的“保护”作用减少了油酸钠在气泡表面上吸附，防止或减缓了气泡表面亲水化，因此在水质硬度大的环境中，吸附容易粘附疏水性纤维．采用CCD摄像技术可得到气泡粘附纤维的直观图像，有助于对纤维流失机理的理解．加入表面活性剂不利于气泡粘附纤维；相对于长纤维，气泡更容易粘附短纤维；碱性条件下加入氯化钙，将有利于气泡对纤维的粘附，从而导致纤维更易流失；施胶改性后的纤维更易粘附在气泡上．【相关文献】［1］ Deng Y. Effect of fiber surface chemistry on the fiber loss in flotation deinking[J]. Tappi Journal，2000，83(6)：61.［2］ Li M，Muvundamina M. Fractionation of fiber slurries via froth flotation and sedimentation[J]. Progress in Paper Recycling，1995，4(3)：32.［3］ Deng Y，Abazeri M. True flotation and physical entrapment：The mechanisms of fiber loss in flotation deinking[J]. Nordic Pulp and Paper Research Journal，1997，13(1)：4–9．［4］ Omota F，Dimian A C，Bliek A. Adhesion of solid particles to gas bubbles. Part 2：Experimental[J]. Chemical Engineering Science，2006，61(2)：835–844.［5］ Turvey R W. Why do fibres float?[J]. Journal of Pulp and Paper Science，1993，19(2)：J52–J57.。
脉动热管可视化实验研究进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2018年第37卷第8期·2880·化 工 进展脉动热管可视化实验研究进展孙潇1，韩东阳1，焦波2，甘智华1，3，4（1浙江大学制冷与低温研究所，浙江 杭州 310027；2哈尔滨理工大学荣成校区机械工程系，山东 荣成 264300；3浙江省制冷与低温技术重点实验室，浙江 杭州 310027；4国家冷冻冷藏设备质量检验中心(河南)，河南 商丘476800）摘要：脉动热管是一种结构简单、可用于微小空间、高热流密度条件下的传热元件。
其优良的传热特性源于内部工质的蒸发、冷凝相变以及两相流动等热-水动力学特性。
可视化实验是研究工质流动特性的常用方法，对于理解脉动热管的传热机理非常重要。
本文介绍了5种可视化技术手段，简述了近二十年来脉动热管可视化实验观察到的气液相变和多种流型，分析了流型的影响因素，并总结了流动特性和传热性能之间的对应关系。
指出目前可视化实验观察到的结果可以定性地解释一些传热现象，却难以定量地揭示脉动热管的传热规律。
未来可以将可视化实验中测得的气液塞运动速度、液膜厚度和相分布等信息利用起来，考虑管壁材质的影响，建立更准确的气液两相流模型，用来设计、评估和预测脉动热管的性能。
关键词：脉动热管；可视化；气液两相流；相变；传热中图分类号：TK172.4 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2018）08–2880–12 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-2168Research progress on visualization of pulsating heat pipesSUN Xiao 1, HAN Dongyang 1, JIAO Bo 2, GAN Zhihua 1, 3, 4（1Institute of Refrigeration and Cryogenics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China ；2Department of Mechanical Engineering, Rongcheng Campus, Harbin University of Science and Technology, Rongcheng 264300, Shandong, China ；3Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310027,Zhejiang, China ；4National Quality Inspection Center of Refrigeration Equipment (Henan), Shangqiu 476800,Henan, China ）Abstract ：Pulsating heat pipe （PHP ）is a heat transfer device with simple structure capable of transferring heat effectively in comparatively small space. Visualization experiment is a common method to study flow characteristics of working fluid, which is very important to understand thermo-hydrodynamics of PHP. Previous studies have shown that bubble flow, slug flow, annular flow or semi-annular flow are common flow patterns. Phenomena such as nucleation boiling, coalescence of bubbles, formation of vapor plug and liquid slug were observed in the closed loop PHP. In this paper, five visualization techniques were introduced. Gas-liquid phase transition and flow patterns observed in the visualization experiments of PHPs in recent two decades were briefly introduced. The influencing factors of flow pattern were analyzed, and the correspondence between flow characteristics and heat transfer performance were summarized. At last, future developments were suggested.Key words : pulsating heat pipe; visualization; gas-liquid flow; phase change; heat transfer管。
物理化学实验指导书
物理化学实验指导书实验一碳酸钙分解压的测定实验项目性质：验证性实验计划学时 4学时一、实验目的1. 了解一种测定平衡压力的方法——静态法。
2. 初步掌握普通真空操作技术，中高温的控制和测温方法。
3. 测定各温度下碳酸钙的分解压，从而计算在一定温度范围内的ΔH的平均值。
二、实验原理：碳酸钙高温分解，并吸收一定热量：CaCO3(S)CaO(S)CO2(g)在这个反应体系内存在固态CaCO3(s)、固态CaO(s)及气态CO2(g)这三个单独的相。
基本上不互相溶解。
因此在一定温度时，反应的标准平衡常数：KpCO2/p式中：PCO2表示在反应温度下，碳酸钙分解达平衡时CO2压力。
P为标准压力P= 100 kPa。
CaCO3在一定温度下，分解达平衡时，CO2的压力保持不变，称为分解压，分解压的数值随温度的升高而升高。
lnKrHm/RTrSm/R，rSm为反应的熵按照等压方程式的积分式：变化，R为气体常数。
在一定温度范围内因ΔrSm及ΔrHm变化不大，可视为常数，故可lnKA(1/T)B，以 lnK对1/T作图，得一直线，其斜率及截距将上式改写为分别为ArHm/R及BrSm/R，此可求出CaCO3分解反应的反应热及反应平均的熵变化。
应该注意，ΔH值会随温度变化，但在一个不太大的温度范围内，变化不多，故可以认为其平均值是常数。
而用上式处理。
三、仪器和试剂仪器：SK2-1-10H电阻炉、石英管、控温仪、瓷舟、DP-A 精密数字压力计、胶塞、循环水多用真空泵、电子天平试剂：粉状CaCO3 四、实验步骤1、称取约5克粉状CaCO3装在一小瓷舟内，送入石英管内相当于电炉的中心部位，然后用橡皮塞紧塞石英管。
2、抽真空。
停留10分钟后，检查压力有无变化。
如果压力计指示体系压力在增加，表示系统漏气。
应找出漏气原因，解决后，再检查至不漏气为止。
3、接通电源加热管状电炉，设定温度控制器的温度为600℃。
4、当温度为600℃时，二次抽真空。
毛细管口气泡的曲率半径和附加压力变化
110Univ. Chem. 2018, 33 (10), 110−113收稿：2018-03-21；录用：2018-05-09；网络发表：2018-05-31*通讯作者，Email: zhxie@•自学之友• doi: 10.3866/PKU.DXHX201803044 毛细管口气泡的曲率半径和附加压力变化谢治辉*西华师范大学化学化工学院，四川 南充 637002摘要：通过直接绘制气泡形成过程中弯曲表面关键状态的形状示意图，得到了曲率半径随时间变化的关系曲线。
利用该曲线有助于加深学生对最大泡压法测表面张力实验中曲率半径和附加压力变化的理解，同时该曲线也可用于解析一些与附加压力有关的习题。
关键词：毛细管；曲率半径；附加压力；表面张力中图分类号：G64；O64Evolution of Radius of Curvature and Excess Pressure of a Bubble atthe End of CapillaryXIE Zhihui *College of Chemistry and Chemical Engineering, China West Normal University, Nanchong 637002, Sichuan Province,P. R. China.Abstract: The profiles of the curved surface at critical status during formation of a bubble are drawn schematically,and the dependence of the radius of curvature on time is obtained in this work. The curve is useful for the students tobetter understand the evolution of radius of curvature and excess pressure in the laboratory experiment of surfacetension measurements by the bubble pressure method, and helpful to interpret the exercises regarding excesspressure.Key Words: Capillary; Radius of curvature; Excess pressure; Surface tension表面张力是本科物理化学课程表面物理化学一章中的一个非常重要的概念[1,2]。
小型制冷装置毛细管可视化实验研究
Ａｂｓｒ ｃ ： ｓ ｌ— ｃ ｌ ｅｒｇ ｒ ｔ ｎ ｓ ｓｅ ａ ｄ ａ ｍａ ｅ ａ ｑ ｉｉｉｎ ｓ ｓｅ ｗａ ｅ ｉｕ ｄ ａ ｄ ｂ ｌ． ｔ ａ ｔ Ａ ｍａｌｓ ａｅ ｒ ｆｉｅ ａｉ ｙ ｔｍ ｎ ｎ ｉ ｇ ｃ ｕ ｓｔ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｓｇ ｅ ｎ ｕｉ ｏ ｏ ｔ Ｕｎ ｅ ｈ ｉｆｒ ｎ ｒ ｉ ｇ ｃ ｎ ｉｉｎ ｌｔ ｏ ｗｏ ｐ ａ ｅ ｆｏ ｉ ａ ｅ ｔｄｉ ｅ ｅ ｔ ｐ ｓｔ ｎ ｆｔ ｅ ｃ ｐ ｌ ｒ ｄ ｒｔ ｅ ｄ ｆｅ ｅ ｔｗｏ ｋ ｎ ｏ ｄ ｔｏ ｓ，ｏｓ ｆｔ — ｈ ｓ ｗ ｍ ｇ ｓ ａ ｆ ｒ ｎ ｏ ｉｉ ｓ ｏ ｈ ａ ｉｌ ｙ ｌ ｆ ｏ ａ ｔ ｂ ｒ ｂ ａ ｎ ｄ． Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅｄｉｉ ｌｉ ｇ ｎ ｐ ｌｔｏ ｈ ｏ ，ｅ ｐ ｏ ｔａｍ ｅｈ ｄ ｔ ｎｉｕ ａｅ ｔ ｅ ｔ — ｕ ｅ ｗｅ ｅ ｏ ｔ ｉ ｅ ｓ ｄ ｏ ｈ ｇ ｔ ｍａ ｅ ｍａ ｉ ｕ ａｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｙ ｘ ｌ ｉ ｔ ｏ ｏ ｍａ ｐ ｌ ｔ ｈ ｗｏ ｐｈ ｓ ｏ ｉ ｇ ｓ Ｔｗｏ ｐ ａ ｅ ｆ ｗ ｃ ａａ ｔ ｒｓｉｓ ｏ ｅ ｒｇ ｒ ｎ ｎ ｃ ｐｌａ ｕ ｅ ｗｉｈ ｔ ｅ ｍａ ｉ ｕ ａｅ ｍ ａ ａ ｅ ｆ ｗ ｍａ ｅ ． ｌ — ｈ ｓ ｏ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｆｒ ｆｉ ｅａ ｔｉ ａ ｉ ｒ ｔ ｂ ｔ ｈ ｎ ｐ ｌｔｄ ｉ — ｌ ｌｙ ｇ ｓ ｗａ ｎ ｌ ｚ ｄ． ｅ ｓａ ａｙ ｅ Ｋ ｅ ｏ ｄｓ ａ ｉｂａｉ ａ ｉｌｒ ｕｂ ｙ ｗ ｒ ： ｄ ａ ｔｃ ｃ ｐ ｌａ ｔ ｅ；ｔ — ｈ ｓ ｏ ；ｖ ｓ ａ ｉａｉｎ； ｉ ｇ ｎ ｐ ｌｔｏ ｙ ｗｏ ｐ ａ ｅ ｆ ｗ ｌ ｉｕ ｌｚ ｔｏ ｍａ ｅ ｍａ ｉ ｕ ａｉｎ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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:O359VISUAL EXPERIMENTS ON BUBBLE GROWTH AND DEPARTURE AT THE TIP OF INCLINED CAPILLARY TUBES IN STAGNANT LIQUIDLiao Qiang* Zhu Xun Bao Lijiong Shi YongInstitute 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@ 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 ms3856 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 ms3905 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 ms3640 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 ms3690 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 ms2440 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 ms2498 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 4.02.53.03.50306090α/°T /s图9毛细管倾斜角度对气泡脱离直径的影响3.43.63.84.0030α/°D b /m m6090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。