颗粒击穿气泡时气泡的变形和破裂

通过高速摄像机拍摄研究了颗粒击穿半球气泡破碎的演变过程.观察并分析了气泡成型后边缘再生和对流情况、受到颗粒击穿时气泡破碎的概率、以及成孔后的气泡破碎行为.通过量纲分析以及实验研究发现,气泡破碎概率是雷诺数和韦伯数的函数,概率P=1.08(Re^(0.5)We^(0.25))^(0.664),且当Re^(0.5)We^(0.25)>1020时,概率升至100%,气泡破碎形成的不稳定性射流数量是奥内佐格数Oh的函数.气泡液膜的卷曲速度随溶液浓度提高而升高,气泡液厚度随浓度提高而减小.

微气泡发生器的研究与应用进展

微气泡具有体积小、稳定性高、停留时间长、比表面积大和具有较强自增压效应等优点,可以显著增加气液两相的接触面积和接触时间,强化气液两相的传质速率。目前,多种基于不同原理的微气泡发生器均可以有效产生微气泡,而不同领域利用微气泡的侧重点有所不同,因此其应用的微气泡发生技术也有所区别。本文综述了微气泡发生器在水处理过程、生物和医学领域、矿物浮选过程以及化工过程中的应用,重点阐述了各工业过程中常用的微气泡发生器类型和微气泡发生器的发泡原理,简述了各类微气泡发生器的气泡生成效果,指出了微气泡发生器的结构和操作条件对微气泡发生性能的影响,总结了各类微气泡发生器的使用条件。当下,依靠单一原理的微气泡发生技术仍具有一定的局限性,而耦合式微气泡发生器结合多种微气泡生成原理的优势,可以产生尺寸更小、分布更均匀的微气泡,因此耦合式微气泡发生器的研发对未来微气泡技术的应用具有重要意义。本文最后对微气泡发生器的应用前景、研发方向等进行了总结和展望。

气体流量和喷嘴直径对鼓泡塔内气泡大小和形状分布的影响

通过高速摄影结合图像处理算法,研究气体流量和喷嘴直径对气泡尺寸和纵横比分布的影响。结果表明,在所有喷嘴直径下,气泡当量直径的概率密度呈现双峰分布,其中第一个峰值接近直径为1.5~2 mm的小气泡区域,另一个峰值位于较大的气泡区域。将气体流量从0.1 L/min增加到0.2 L/min会导致大气泡的概率密度更高,表明气泡聚并现象普遍存在。当气体流量增加至1.2L/min时,峰值对应的气泡直径变小,并且气泡破裂占主导地位。对于直径为1~2 mm的气泡,形状受气体流量的影响较小,而3~9 mm的气泡在所有气体流量下气泡纵横比概率密度分布的峰值均位于纵横比E=0.5处。Iguchi和Chihara提出的模型能更好地预测气泡脱离直径随气体流量的增大的变化。

文丘里式气泡发生器的气泡流动碎化机理研究进展及潜在应用

文丘里式气泡发生器利用水力空化原理产生气泡,气泡进一步受流动剪切效应破碎生成微纳气泡,具有结构简单、效率高、能耗低等优点,在许多领域展现出应用潜力。文丘里式气泡发生器产生的气泡大小及分布对其应用场景有着至关重要的影响。对影响文丘里式气泡发生器产生气泡大小的因素进行了归纳,从实验和理论两方面阐述了气泡流动破碎机理,展望了文丘里式气泡发生器潜在的应用方向,并对目前限制文丘里式气泡发生器大规模工业化应用的原因及进一步碎化气泡的方式进行了讨论,为文丘里式气泡发生器的设计放大提供了参考。

基于气泡统一方程的声场双气泡耦合作用研究

针对声致空化现象中双气泡相互作用力展开了研究。本文基于气泡动力学的基本理论,将气泡统一方程应用到声场中双气泡的耦合作用研究中,建立了可用于计算声场中多气泡耦合的理论模型,并以此研究了不同类型的声场中双气泡次Bjerknes力的变化趋势。研究结果表明:在声压幅值较小的行进波声场中,对于非线性脉动的双气泡,其相互作用现象不仅与声场参数相关,还会受到双气泡初始体积比的影响。若固定其中一个气泡的初始体积,同时改变另一个气泡的初始体积,则双气泡间第1周期内的次Bjerknes力会在初始体积相等时达到第1个极值,随后呈现周期性的起伏,并在总体上呈增大趋势;而双气泡相互作用在声压幅值较大的行进波声场中会随初始半径比的增大持续增强,且周期性的起伏现象并不明显。在驻波声场中靠近波节的位置也能观测到这一现象。此外,本文还探究了非线性振动的双气泡在具有相同频率、不同声压幅值的组合波声场中的耦合效应。本文的研究可为声场中双气泡相互耦合作用以及气泡群动力学相关应用提供理论基础。

基于EFEM和气泡统一方程的双气泡耦合效应研究

基于Euler有限元方法(EFEM),建立了双气泡水下脉动轴对称数值模型,通过与气泡统一方程和实验结果的对比,该模型的准确性和网格的收敛性得到了充分验证.计算结果表明,相比其他气泡理论,气泡统一方程对气泡动力学行为和流场中压力载荷的预测更为准确.结合EFEM和气泡统一方程,研究了浮力参数δ和强度参数ε对双气泡耦合规律的影响.当δ≤0.15时,上气泡在下气泡的作用下会产生垂直向下的射流,此时下气泡边界与固壁边界相似;而当δ增大至0.2时,下气泡对上气泡的影响减弱,浮力效应占据主导地位,上气泡的射流方向垂直向上.ε对气泡间的耦合作用未造成明显影响,但当ε≥150时,其对气泡射流速度的作用会明显减弱.

基于气泡统一方程的水下爆炸气泡迁移特征参数影响规律研究

气泡统一方程能够高效描述考虑多种因素的球状气泡动力学行为,但描述气泡迁移方程中的特征参数对于气泡行为的影响规律以及如何确定特征参数尚不明晰.基于气泡统一方程建立了理论模型进行计算与“欧拉有限元”数值算法以及经典球状气泡理论模型进行对比,并结合以下爆炸实验,进一步验证了气泡统一方程的科学性以及相较于其他理论模型的优势.在此基础上,探究了迁移方程特征参数对自由场水下爆炸气泡动力学的影响规律.研究表明,拖曳力系数和附加质量系数对于气泡第一周期脉动的影响可忽略不计,拖曳力系数相比于附加质量系数对气泡迁移的影响更具有主导作用.当拖曳力系数较大时,其对气泡迁移产生明显的阻碍效果,反之不足以对气泡迁移提供阻碍效果.附加质量系数对气泡迁移也是阻碍作用,其对气泡迁移的影响近乎线性.确定迁移特征参数需要围绕具体问题来分析,基于研究结果并结合相似实验可以明确迁移特征参数,并采用理论计算为水下爆炸实际工程应用提供指导与参考.

温度敏感凝胶推进剂中气泡间相互作用机理研究

为了研究凝胶推进剂除气工艺过程中的气泡两相流问题,采用Carreau-Yasuda模型描述凝胶的剪切稀化特性,并进一步引入了温度敏感性本构描述。数值上,运用流体体积方法研究了剪切和温度敏感耦合的凝胶中浮力驱动气泡的运动特性和气泡间的相互作用机理,关注了气泡的初始排列、气泡个数以及凝胶温度的影响。研究结果表明,主导气泡的尾流以及底部的低粘区会吸引尾随气泡并加速尾随气泡的上升;水平排列的气泡间由于强涡量场会存在一定的横向排斥力;温度上升带来的黏度下降会加速气泡的融合和上升,并且增强了气泡间的相互作用。

基于气泡动力学的油浸绝缘纸中气泡形成模型

油浸式变压器内部绕组的匝间纸绝缘受温度的影响会析出气泡,进而引发局部放电导致绝缘劣化。该文通过研究油纸界面的微观结构和气泡产生的物理过程,建立气泡演化的数值模型,结合气泡生长过程中的受力分析,得到了气泡在不同条件下的生长规律。首先,基于Rayleigh-Plesset方程建立油纸界面处由气泡内压强主导的气泡生长过程。其次,根据理想气体体积定律与Hertz-Knudsen界面蒸发冷凝方程量化界面处水蒸气进入气泡的质量通量,并在此基础上建立气泡内压的控制方程。最后,求解获得了升温时油纸系统中气泡的生长曲线,并根据气泡生长时的受力分析得到了气泡脱离半径进而计算出气泡初始逸出温度(initial temperature of bubble escape,ITBE)。计算的气泡脱离半径与实验结果具有较好的一致性,此外预测的ITBE与实验结果的最小平均相对误差为1.11%。模型结果表明,纸中水分质量分数越高,气泡生长速度越快。而绝缘纸微观结构的变化主要通过影响气泡初始半径和气泡在界面处所受表面张力的大小,从而影响气泡的形成过程。

基于气泡雾化喷嘴的低能耗含油污水处理实验研究

微气泡气浮技术在低能耗下对含油污水的高效处理是目前的研究热点。利用气泡雾化喷嘴作为微气泡发生器,搭建了低能耗微气泡射流气浮处理含油污水的实验系统,系统研究了气液质量流量比(ALR)和工作压力(p)对微气泡群尺度分布特征和除油效果的影响,并计算了气泡雾化喷嘴的能耗。实验结果表明,利用气泡雾化喷嘴形成液下射流可以产生大量微气泡,其中尺度小于150μm的气泡数量占比在55%以上、小于600μm的气泡数量占比在98%以上;随着ALR的增加,微气泡数量整体呈现先增后减的变化趋势,最佳ALR=0.15;当p=0.2 MPa、ALR=0.15时,微气泡群的索特尔平均直径可降低至238μm,出水含油质量浓度为29.73 mg/L,微气泡射流气浮装置处理1 kg含油污水时能耗仅为6.53×10^(-4) kW·h,较溶气气浮能耗降低35%以上。

基于PIV实验研究带破口双层圆柱结构附近气泡的动力学特性

近场水下爆炸冲击波破坏双壳体潜艇外壳结构后,后续的气泡脉动和射流载荷会对潜艇的内壳体继续造成严重毁伤,因此研究破口附近的气泡脉动和气泡载荷特性具有重要意义。基于受冲击波毁伤后的双壳体潜艇结构,制作预制圆形破口的双层圆柱结构模型,将电火花装置作为气泡发生源,开展了不同爆距参数(爆距与气泡的最大直径之比)和不同破口参数(破口直径与气泡的最大直径之比)条件下气泡与带破口双层圆柱结构的相互作用实验。通过高速摄影机捕捉气泡在双层圆柱结构附近的脉动和射流形成过程,采用粒子图像测速技术对爆炸流场速度进行测试,得到气泡溃灭后产生的水射流速度,同时采用压力传感器测量内层圆柱壳壁面处的压力载荷。实验结果表明:爆距参数决定了内板壁面所受压力的载荷形式、气泡溃灭后是否产生有效射流以及产生的射流速度;当爆距参数在一定范围内时,破口参数影响气泡的脉动以及气泡溃灭后产生的水射流方向。

微气泡型管式气液接触器的气液两相流动特性研究

与常用气液鼓泡塔相比,管式气液接触器通过在管道空间内产生的均匀气泡状高分散体系强化气液传质过程,具有含气率高、能耗低和维护简单等优点。自主设计研制了带文丘里射流气泡发生器的微气泡型管式气液接触器;利用计算流体动力学(CFD)数值模拟和室内实验相结合的方法,对其所涉及的成泡机理、气泡粒径分布特性等进行了系统研究。结果表明,采用体积分数法(VOF)模型耦合RNG k-ε湍流模型可模拟分析微气泡型管式气液接触器内成泡机理和气泡形态;在文丘里射流气泡发生器的扩张段内可将大气泡剪切破碎成微气泡,且微气泡均匀稳定;气泡粒径随液体流量的增大而减小,在液体流量为14.0 L/min、气体流量为最大自然吸气量、柱体长度为800 mm时气泡粒径最小(76.5μm);气泡粒径随气体流量的增大而增大,在气体流量为1.5 L/min、液体流量为8.0 L/min、柱体长度为800 mm时气泡粒径最小(86.7μm);气泡粒径随柱体长度的增大呈现先降低后基本不变的趋势,当柱体长度大于800 mm时,其对气泡粒径的影响较小。

微气泡驱与空气泡沫驱技术差异性及调整对策

微气泡驱与空气泡沫驱技术经过矿场试验,在低渗高含水率油藏具有较强的适应性,但对于两种气驱机理认识及技术政策调整思路方式上仍存在短板。本文通过深入研究两种气驱技术机理、驱替特征的差异性,结合现场动态调整效果,认为微气泡驱以物理发泡为主,驱替特征呈气液同驱,采取低气液比(1.0∶3.0)的技术政策,空气泡沫驱以化学发泡为主,驱替特征呈气驱为主液相为辅,采取高气液比(3.0∶1.0)的调整思路,并提出了气驱分注试验的调整对策,控水增油效果显著提升,提高采收率趋势良好。对同类油藏两种气驱技术调整界限具有一定的借鉴指导意义。

阀座气泡泄漏检测与激光对射装置研究

为了探明激光对射应用于阀座气泡泄漏检测原理与测量的准确性、提升阀座气泡泄漏检测效率与准确性,研究了阀座气泡泄漏检测与激光对射装置。通过基于激光对射的阀座气泡泄漏检测装置设计、现状分析和科学试验,对装置的测量稳定性、气泡形成速率或泄漏速率与单个气泡体积的关系、国内外标准中规定气泡数与气体泄漏体积换算关系的准确性等进行了深入研究。得出了基于激光对射的气泡泄漏检测装置拥有优越的测量稳定性、气泡形成速率与单个气泡体积成正比等研究结论。基于研究结论,提出了国内外标准中关于气泡数与气体泄漏体积换算关系的不合理之处与应用建议。

油纸绝缘层间气泡局部放电演化特性

在变压器内部电、热多重应力作用下,油纸绝缘匝间易产生气泡诱发局部放电,威胁变压器的安全运行。文中采用脉冲电流法研究油纸绝缘层间气泡局部放电的演化特性,掌握局部放电演化与气泡缺陷劣化的关联。结果表明,根据局部放电平均放电量(Q)、放电重复率(N)、局部放电相位谱图(PRPD)随时间的变化规律,气泡局部放电演化可分为起始、过渡和稳定3个阶段。通过改变加压时间和气泡位置,以及分析局部放电持续不同时间后气泡内部气体含量的变化,研究局部放电演化机制,发现起始阶段图谱特征产生的原因为绝缘纸表面电荷的积累,而过渡阶段的演化则源于以氧气为代表的电负性气体在局部放电持续作用下消耗殆尽,使得气泡内的放电模式发生改变。此外,气泡所处层间位置、气泡高度以及面积对放电量和重复率影响显著。定量结果表明:局部放电剧烈程度与气泡缺陷参数正相关,可以通过局部放电评估缺陷的劣化程度。研究揭示了层间气泡局部放电的演化规律及影响因素,能够为变压器油纸绝缘状态评估提供参考。

液体中气泡运动行为研究进展

对气泡在液层中的单气泡运动行为和气泡群运动行为进行了综述。通过借助高速摄像机、粒子图像测速技术PIV以及数值计算等方法对气泡运动行为进行了研究。结果表明:液体性质、气泡尺寸、气泡尾部涡旋等多种因素导致气泡在液层中呈现出直线形、螺旋形、“之”字形等不同的上升路径;压力、进气量、液体性质等因素导致气泡形状发生变化;上升速度、液体湍动程度、黏性剪切力、浮力等作用力的影响会使气泡行为表现为聚并、碰撞和破碎。但当前研究对气泡内部运动、传质机理以及气泡群的关注较少,今后可通过对泡内流体行为、气泡群之间的相互作用、影响因素进行分析来完善传质机理。从介观尺度角度开展强化传质,可通过添加破泡内构件对大气泡进行强制破碎,减小其气泡尺寸,增大传质面积和停留时间以达到强化传质的目的。

浮选体系中气泡运动特性研究进展

浮选作为一种高效的选矿方法,更适于处理品位低、嵌布粒度细、矿物组成复杂的矿石资源,其研究和应用逐渐成为矿物加工领域关注的焦点。在浮选体系中,气泡作为浮选体系中“运输”矿物颗粒的载体,它的运动特性直接影响着矿物浮选的选别效果,因此,研究气泡的运动特性,对于优化浮选工艺与改善浮选效果有着重要意义。首先简述了浮选中常见的气泡生成方式,主要有机械搅拌发泡、气泡发生器发泡、电解发泡及超声波发泡四种方式。介绍了气泡参数中的形态特征参数、运动特征参数和分布特征参数的含义和计算公式;然后重点阐述了浮选中起泡剂、捕收剂、抑制剂、浮选机叶轮参数、浮选柱气泡发生器及充气量对气泡参数的影响;归纳了纳米气泡在微细粒矿物浮选中的应用。目前,浮选体系中气泡运动特性的研究存在着较多的理想假设和一定的局限性,与实际工艺条件相比存在着很大差距。因此,完善气泡测量方法、侧重于气泡在实际浮选环境中的运动特性研究以及研发新型纳米气泡生成设备将是未来的发展方向,通过提高气泡参数准确性及深入了解气泡在实际浮选环境中的运动特性,为浮选过程中气泡参数的调整及浮选设备的设计优化提供重要的参考依据。

气泡运移特征可视化观测装置研制及应用

气液两相流动过程中,气泡的形态变化时刻影响着流动的发展。为分析气泡在运移过程中的形态变化,该文研制了一套气泡运移特征可视化观测装置,包括管道模块、动力模块及数据采集模块。为了验证装置的可靠性,开展了不同液相黏度、不同液速及不同管道倾角下的气泡运移实验。实验结果表明,该装置操作简单、功能多样,可清晰地展示并记录气泡在不同液相环境下的运移轨迹及状态,并得到气泡的速度变化数据,实验结果直观可靠。结果证明该装置可解决因气泡运移特征复杂、影响因素多而难以获取直观数据的问题,对研究气液两相流动及气泡动力学领域的相关问题具有一定意义,可推广应用。

微细粒矿物浮选综述:增大颗粒表观尺寸与减小气泡直径

微细粒矿物的浮选回收是世界性难题,增大颗粒表观直径与减小气泡尺寸为解决该难题的有效途径。论文综述了增大颗粒表观直径的四种方法:疏水絮凝浮选、载体浮选、选择性絮凝浮选和剪切絮凝浮选,详细阐述了其在矿物加工领域中的应用及机理,尤其是增大颗粒表观粒径过程中新药剂的最新研究进展及应用领域。从减小气泡尺寸角度出发,以微纳米气泡在矿物加工领域的应用研究为落脚点,阐述了微纳米气泡现有的稳定性机理,为后续微纳米气泡稳定性机理的深入研究提供参考;系统介绍了微纳米气泡在不同种类微细粒矿物浮选中的应用现状;从微纳米气泡与颗粒间界面作用机理出发,详细阐述了微纳米气泡在界面作用中的角色;举例介绍了微纳米气泡浮选设备的研究进展。提出微纳米气泡强化细粒浮选的机理需要进一步明确,基于微纳米气泡、矿浆精准可控的微纳米气泡浮选设备是微细粒矿物浮选的重要研究方向。

电场作用下气泡上升和破碎特性

利用数值模拟方法研究均匀垂直电场下单个气泡在液体中的上升和破碎特性。采用相场方法捕捉气泡形状变化,考察电场强度对气泡上升速度、液体射流速度和破碎时间的影响。结果表明:电场对气泡运动有显著影响,电场强度越大,气泡上升速度和液体射流速度越大。考察电场作用下气泡初始形状对上升和破碎特性的影响。结果表明:在电邦德数Bo_(e)为0—20内,初始水平轴与竖直轴比为1.3和1.0的椭球形气泡,电场强度的增大缩短了其破碎时间,而初始水平轴与竖直轴比为0.8的椭球形气泡,破碎时间随电场强度增大而变长。