河南省大学生创新创业训练计划工程中期检查表项目名称基于PIV技术的水下上升气泡运动规律的试验研究计划完成时间2020.11工程负责人翟左指导教师王宏飞、薛海填表时间2020.12.221.5气泡的上浮运动气泡在生成之后将在水中做上浮运动，而气泡直径的大小将决定它的运动规律。因为外表张力的作用，气泡里面的压力高于外面的压力，如果气泡里面和外面的压力差越大，气泡越容易维持球形，而正是小气泡时才能维持非常大的内外压力差。通常直径HVO.1mm的气泡才能维持球形，其上浮运动时就像固体球形粒子一样遵守Stokes定律，此时Re<l。当Re>200-300时，气泡受到的阻力可近似的按照下式计算：(117)2---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---式1-17中的阻力系数J。0.55-0.65,一般取它的平均值0・6用来计算。一个气泡在水中平稳上浮时，作用在它上的阻力与浮力得到了平衡，那么有=(P、-P>g"；故气泡上浮速度U=修之屹(1-18)Jp、当Re=700—800时(在通常情况下相当于4=0.15〜0.2),气泡呈压扁的椭球形。这时气泡在上浮运动中，气泡的上浮速度与受到的阻力均发生变化，它是因为气泡上浮时受到水的阻力形状发生改变，从而导致各方面的阻力大小不一，但是气泡上浮又自觉地朝阻力较小的方向运动，因而又改变了其受到的阻力，从而使气泡上浮的轨迹不是垂直向上的，而成螺旋向上(如图1・7)。在气泡直径不断变大的过程中，存在一局部气泡上浮速度与其直径没有关系，而当气泡的直径更大时，它就更加不稳定，裂开为许多直径小的气泡。图1-7单个气泡在水中上浮的轨迹图1-8扁球形气泡在水中上浮trajectoryofasinglebubbleinwaterFig.1-8Oblatebubblesfloatinwater在水中上升的椭圆形气泡(如图1-8),上浮过程中气泡的形态发生变化，假如只是气泡厚度的变化，这时把气泡当做非常扁的圆柱体，那么气泡受到的阻力做的功与气泡外表能的改变相等:2dl=出2匚n=-adA(1-19)2式中，A为气泡的横截面积。假设气泡变形时其体积保持不变，那么有AdS+ddA=0---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---U4gb屹-4)---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---故有2bU由阻力和浮力相等的条件可求得:(1-20)不同直径的气泡在水中的上浮速度如图2-9所示，可以看出当气泡直径小于1.2mm时，气泡维持球形，其上浮速度随着气泡直径的增大而变大，当气泡直径在5mm范围内，气泡在上浮的过程中形状会发生改变，气泡受到的阻力有些增大，使得气泡上浮速度有些降低，且在4mm.5mm左右时气泡上浮速度将会出现一个最小值，而当气泡直径再增大时，气泡上浮速度又逐渐趋向于一稳定值。2.完成了对水中气泡产生和上升运动的研究：基于气泡水动力学理论，建立了常规水底气泡的产生、开展及溃灭过程理论模型，分析国内外相关理论研究文献，特别是对气泡上升过程中在水压力不断变化情况下的气泡的直径和体积、气泡压强变化、气泡大小的影响因素；气泡的形状及影响因素；气泡的上浮运动等过程进行理论分析。局部结论如下：在气体流量一定时，通过改变气孔内径，气泡脱口直径随着气孔内径的增大而变大，所测的气泡直径与Tate公式基本吻合。根据气体流量极小时，PIV图像采集系统拍到的不同针孔下产生的气泡图片，通过计算和测量得到的不同针孔下气泡脱孔直径的理论和试验值放于表2-1o表2」不同气孔内径下气泡脱孔直径的理论值和试验值针头编号30282623191713108气孔内径(mm)0.310.350.450.631.071.472.403.504.00Pid/mm图1-9不同直径的气泡在水中的上浮速度Fig.1-9FloatingspeedofbubbleswithdifferentdiametersinwaterTable.3-1Theoreticalvalueandexperimentalvalueofbubblesheddingdiameterunderdifferentstomataiinnerdla-00.511.522.533.544.5气孔内径(mm)图2；气泡脱孔直径随气孔内径变化的理论值和试验值Fig.2-1Theoreticalandexperimentalvaluesofthevariationofbubblediameterwithporediameter(2)在气孔内径一定时，通过改变气体流量，气泡脱口直径随着气体流量的增大而变大，当气体流量增大到一定量时，气泡的直径逐渐趋向于一定值，而气泡的...