高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究_张建生

第29卷第10期 光子学报 V ol.29N o.10 2000年10月 ACT A PHO TON ICA SIN IC A Octo be r2000　高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究*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.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.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.实验结果表明,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.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. 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.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-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.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.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.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2,3.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　气泡动力学关于气泡的运动和动力学问题,Gar rettso ng 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.1.1　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.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e、气体密度d、水的密度d0,如果气泡完全被水支配,气泡将受到一个力d0e d V/d t.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.如果d≠d0即气泡不*国防科技重点实验室基金试点项目(编号:99JS26.3.1.ZK1801)收稿日期:2000-03-10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F D,这一力下面进一步讨论.在气泡运动过程中,它将要带着一部分水(用U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(-U e d0d u/d t),这一项使得气泡的有效惯性质量增加.此外,气泡受到一浮力e g(d-d)k∧,在此k∧表示竖直向上方向的单位矢量.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=F De d0(U+d/d0)+(1+U)d V/d tU+d/d0+(1-d/d0)g k∧U+d/d0(1)其中d V/d t=V/t+(v·r)V(2)1.2　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.气泡可以根据雷诺数(Reyno lds number)R e=u d0/Z进行划分,其中Z 为水的粘滞系数.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.对于水中的小气泡(气泡线度l≤100μm),所受力为粘滞阻力,可表示为F V=-k Z 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=4π.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=6π.而对于中等尺寸(100μm≤l≤2000μm)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.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=12π.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 c d0s1uu(4)式中D c是阻力系数,对200<R e<1000的气泡, 0.55≤D c≤0.65.在没有表面活性物质的情况下,s1非常小(对于R e1的情况,s1～12/R 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= 12π.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.2　实验2.1　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设计制造的HJ991半自动通用胶片判读仪对所拍摄的胶片进行了判读.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0.6m),所拍摄气泡位于水面下0.3m实验系统如图1所示.图1　实验系统框图Fig.1　Scheme o f ex perimental appa ratus2.2　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.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0.36m m、0.30mm、0.46mm、0.85m m、0.37mm、0.95m m.气泡末速度与气泡直经的关系绘于图3.95310期 张建生等.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,Bubble01～Bubble06分别表示六个不同的气泡Fig.2　Th e curv es of a scent v elocity v ersus time.Bubble01～Bubble06ex press six bubbles r espectively图3　气泡末速度与气泡直径的关系Fig.3　T ermina l r ate and bubble ra dius3　分析与讨论实验条件下,水的粘滞系数为 1.002×10-3 (Pa.s),水的密度为1.0×103kg/m3,空气的密度为 1.20kg/m3.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.实验时气泡运动的初始条件表示为t=0, l=l0,v=v0,r=r0,根据加速度的定义a=d v/d t,有d v=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.从图2可以看出,气泡上升速度的大小都在随着时间减小.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v0,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.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.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.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.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0.46mm4　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0.46m m时存在一极大值. 3)利用高速摄影机与胶片判读仪配合来研954 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.参考文献1　张建生,孙传东,冀邦杰等.气泡的运动规律及光学特性.鱼雷技术,2000,8(1):11～152　J in W U.Bubble po pulations and spectra in near-surface ocean :summa ry and r ev iew o f field measurements.J Geo ph Res ,1981,86(C 1):457～4633　M edvin H ,Breits N D .Ambient a nd tra nsient bubble spectr al densities in quiescent seas and under spilling breake rs .J Geoph Res,1989,94(C9):12751～127594　Gar ret tso n G A.Bubble tra nspo rt theo ry with applicatio n to th e upper ocea n.J Fluid M ech,1973,59(1):187～206THE MOMENT OF AIR BUBBLES INWATER BY USE OF HIGH SPEED PHOTOG RAPHYZhang J ia nsheng 1,Lu Qing 1,Sun Chuandong 2,Lu Di 2,Chen Liangyi21X i ′an Institute of T echnology ,X i ′an 7100322X i ′an I nstitute of Optics and Precision Mechanics ,Academia Sinica ,X i ′an 710068Receiv ed da te:2000-03-10Abstract Air bubbles play important roles in lo ts o f processes.Studying of bubbles in ship w akes m akes it feasible to shado w the target.H igh speed pho to graphy (HSP)as a direct and cheap mea ns ofresea rching air bubbles can g et the detail w ith the coo rdina tion o f semi -automa tic film judgm ent a nd reading instrument.The ascent ra te decreases with tim e a nd the terminal v elocity has a n ex treme v alue cor respo nding to bubbles with fix ed diameter according to the ex periment.Bubble dynamics,discussed in detail in this paper,com pared with the data of bubble im ag es go t of HSP,giv es the im po rtance fo r using HSP to studying the mom ent o f air bubbles alo ng of the co nsistence of results .Keywords H igh speed photog raphy;AirbubbleZhang Jiansheng w as bo rn in 1966,g raduated from the No rmal Univ ersity of Shaa nxi (N US )is 1988a nd receiv ed his master 's deg ree in Physics Depar tment from N US .No w he is a PhD candida te in Xi 'an Institute o f Optics and Precision M echa nics,Chinese Academ y of Science.He is cur rently a lecturer in Xi 'an Insti-tute o f Technolog y to o.His research interests include SERS and o ptical engineer-ing .95510期 张建生等.高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究。