施放深度对气泡水体携带能力影响的实验研究

王 涌，金良安，2，徐 上，韩云东

（1.海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018；2.中国科学院大连化学物理研究所，辽宁 大连 116023）

施放深度对气泡水体携带能力影响的实验研究

王 涌1，金良安1，2，徐 上1，韩云东1

（1.海军大连舰艇学院航海系，辽宁 大连 116018；2.中国科学院大连化学物理研究所，辽宁 大连 116023）

水中上升气泡对周围水体的携带能力受多方面因素的影响，由于测量手段缺乏等原因，其影响规律研究一直是两相流领域的难点。引入气泡上升携带水量的概念表征其水体携带能力的大小，进而利用专门设计的实验装置，采用双液分离测量法，调整喷嘴至27.5～52.5cm之间的不同施放深度，进行气泡上升携带水量的测量实验。结果表明：在注气量（20ml）和注气速度（3ml／s）等一定的条件下，随着气体施放深度的增加，气泡水体携带能力呈现缓慢增强并逐渐稳定的总趋势，但其间（施放深度约35.0～45.0cm）该能力会略有下降，并有极小值出现；且在绝大多数情况下，小口径喷嘴生成气泡的水体携带能力稍强。上述结论可为化工等领域工程应用中设计合理气体施放深度、确定最佳喷嘴口径等问题提供参考依据。

水中气泡；水体携带能力；气泡施放深度；影响规律；两相流

0 引 言

上升气泡广泛存在于浮选、曝气、分离、污水处理以及舰船尾流抑制等军事工程应用过程中，其与周围流体的相互作用，对气液两相流的整体流动与传热特性等有着至关重要的影响，是两相流及多相流领域研究的热点和难点［1－3］。现有文献多集中于气泡周围流体速度场的数值模拟实验研究［4－8］，而实际工程应用中更具指导意义的往往是上升气泡对周围水体的携带能力，至今未见与之直接相关的文献报道。

鉴于当前对上升气泡水体携带能力的测量及表征技术的迫切需求［9－11］，特引入气泡上升携带水量的概念对其进行表征，并利用专门研制的原理性实验装置，采用双液分离测量法，调整喷嘴至不同的气体施放深度，进行气泡上升携带水量测量实验，研究其对气泡水体携带能力的影响规律，以便为相关领域的工程应用设计提供参考依据。

1 实验设计与实现

1.1 实验原理

气泡在水中上升运动的过程中，由于气液两相间的作用等，会携带其附近一定范围内的水体随之向上运动，且该范围越大，气泡的水体携带能力就越强。鉴于其确切边界难以确定，特从工程应用的实际需求出发，采用上升气泡能够携带至某一特定高度的水体的体积来表征气泡水体携带能力，并将其定义为气泡上升携带水量。

由于气泡上升携带的水体往往与周围的水混在一起，对其进行有效分离和准确测量的难度较大，针对这一难题，特设计了双液分离测量的方法，其原理如下：

选取密度小于水且与之不互溶的柴油与水构成双液，并分别盛装于上液池和下液池中（见图1）。由于密度差异，柴油（上液）和水（下液）会自行分层，形成油水界面，通过调整下液的水位，可使油水界面刚好位于下液池的顶端面。当来自下液（水）底部的上升气泡越过油水界面时，其携带的水体将随之进入到上液（柴油）中。在此基础上，设法使柴油以适当的速度做水平方向的平稳旋转运动（如图2虚线所示），即可将上升气泡携带至柴油中的水迅速带离下液池上方区域，并因密度较大而逐渐沉降至上液池底部，从而实现携带水体的有效分离。由于上液池的底面具有一定坡度（见图1），上述分离水体将滑落至相对较低的区域，并可经由阀门移出，从而进行较为准确地测量，测得的分离水量越多，表明气泡的水体携带能力越强。

需要说明的是：实验过程中，难免有少部分水体来不及被带离下液池上方区域而又回落至下液池中，但通过改进实验工艺，可使这部分水量尽可能减少，因此，在研究气体施放深度对气泡水体携带能力的影响时，可认为测得的分离水量与气泡上升携带水量近似相等。

1.2 实验装置

基于上述双液分离测量的思想，专门研制了相应的原理性实验装置（见图1），主要包括3个部分：携带水体分离装置、气泡生成装置、油水界面稳控装置。

携带水体分离装置用于实现气泡上升携带水体的有效分离（见图1）。该装置的主体部分由两个半径不同的圆柱形容器连接而成（上大下小），居上位置的称为上液池，直径50.3cm，高34cm，其坡面向阀门处稍倾斜，以便收集被有效分离的气泡上升携带水体；居下位置的称为下液池，直径21cm，高55.3cm，置于上液池底面偏高一侧，其顶端面水平且稍高于上液池底部。本例中下液为水，上液为柴油，由于二者之间存在密度差异且互不相溶，必然会自动分层形成油水界面。产生于下液池底部的上升气泡越过该油水界面时，其携带的水体将随之进入到上液中，实现与气泡周围未被携带水体的分离。为防止上述携带水体回落至下液池，还需要特定的上液流场形成装置（见图2）：其专用油泵置于上液池外，进液口和出液口分别开设于上液池内壁的相应位置以构成循环管路，且高于下液池顶端面约6～10mm，使得上液能以适当速度做水平方向的平稳旋转运动，且对油水界面几乎不构成扰动，以便将上升气泡携带至柴油中的水迅速带离下液池上方区域，从而实现携带水体的有效分离。

图1 双液分离测量装置Fig.1 Dual－fluid separation experimental apparatus

图2 上液流场形成原理示意图Fig.2 Sets to form up－liquid flow field

气泡生成装置用于产生实验所需的气泡，主要包括喷嘴、导气管、注射器等（见图1）。喷嘴的形状、口径、垂向深度和水平位置等均可任意调整，以研究不同特征气泡的水体携带能力。为控制注气速度，注射器由直流电机推动，经测量，其可控速度范围约2～40ml／s。

油水界面稳控装置与下液池相连通，用于调整下液的水位，使之处于将要从下液池顶端溢出而并未溢出的状态，即油水界面刚好处于下液池的顶端面，以确保各组实验的初始条件一致。

1.3 实验方法

实验时，下液池注满水，上液池注入柴油，油层厚度（油面至下液池顶端面）约9.5cm，通过油水界面稳控装置调整下液水位，使油水界面恰好位于下液池的顶端面。直流电机以3ml／s的速度推动注射器，一次性注入20ml空气形成上升气泡群。

考虑到不同口径喷嘴生成气泡的特征会有所不同，进而影响其水体携带能力，特选取大口径（d＝2.5mm）和小口径（d＝0.6mm）两种喷嘴生成气泡以使实验更为完善。

经前期实验，喷嘴的水平位置距下液池中轴线约7.8cm时，分离水量最大，故特将喷嘴置于此位置进行实验，以获得较大的分离水量，从而减小测量误差。

调整喷嘴至下液面的垂直距离，选取27.5、32.5、35、37.5、40、42.5、45、47.5、50.0和52.5cm 等不同气体施放深度，分别进行气泡上升携带水量的测量实验。为减小误差，每组实验进行20次重复测量，并取其平均值作为实验数据。

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

在不同气体施放深度条件下，对大、小两种口径喷嘴生成气泡的上升携带水量进行测量，其具体结果如表1所示。

表1 不同气体施放深度生成气泡的上升携带水量Table 1 Water volume carried by bubbles at different injecting depth

2.2 分析与讨论

2.2.1 总体趋势的分析与讨论

为直观起见，可据表1绘制成图3，其横坐标表示气体施放深度，纵坐标表示气泡上升携带水量。由图3可知，随着气体施放深度的增加，气泡上升携带水量逐渐增加并趋于稳定，其主要原因在于施放深度对气泡上升速度的变化有显著影响，具体分析如下：

图3 气体施放深度与气泡上升携带水量的关系Fig.3 Relationship between carrying water volume and air injecting depth

随着气体施放深度的增加，气泡在水中上升的高程也不断增加，其运动至油水界面附近的瞬时上浮速度逐渐增大，使得其周围水体获得的随之向上运动的速度也相应增大，越过油水界面的能力有所增强，因而分离得到的气泡上升携带水量也逐渐增加。当气体施放深度较大时（大于45.0cm），气泡运动至油水界面附近的瞬时上浮速度已达到相对稳定的极限速度，其与周围水体的相互作用也基本达到动态平衡，使得气泡上升携带水量受施放深度的影响不再显著，而是逐步趋于平稳。上述现象表明，随着气体施放深度的增加，气泡水体携带能力具有缓慢增强并逐渐稳定的总体趋势。

由图3还可看出：当气体施放深度在某一区间内时（35.0～45.0cm），两种口径喷嘴生成气泡的上升携带水量均会稍有减小，并有极小值出现，这与气泡间的聚并作用等密切相关。

注气速度一定时，喷嘴附近气泡的生成具有一定的周期性，表现为相邻气泡的垂向间距大致相等；随着气泡上升高程的不断增加，气泡的垂向间距会随之增大或减小；继续上升至某一高度，间距较小的相邻气泡就会出现聚并现象［12］。本实验中，注气速度一定（3ml／s），且注气量相等（20ml），实验时采用摄像法对不同施放深度条件下大、小口径喷嘴生成气泡的上升过程进行直接拍摄，选择适当时机截图并经图像处理后可得图4和图5。显见：气体施放深度增大时，气泡上升高程也随之相应增加，其垂向间距发生变化；当施放深度增大至一定程度时，相邻气泡开始出现聚并现象（大、小口径喷嘴分别对应40.0和35.0cm），其携带的有效水体发生部分重叠，使得单位体积气体拥有的气液接触面积有所减小，因而气泡上升携带的总水量会随之减少，且在聚并作用较为显著的相应深度（大、小口径喷嘴分别对应45.0和42.5cm），往往有携带水量极小值的出现，相应地，此时气泡的水体携带能力也降至最低。

图4 不同施放深度生成气泡的上升情况（小口径喷嘴）Fig.4 Rising bubbles of different air injecting depth（d＝0.6mm）

图5 不同施放深度生成气泡的上升情况（大口径喷嘴）Fig.5 Rising bubbles of different air injecting depth（d＝2.5mm）

2.2.2 影响规律的深入分析与讨论

由上述分析可知，采用不同口径喷嘴生成气泡，其水体携带能力的总体变化趋势基本一致，即随着气体施放深度的增大，气泡的水体携带能力逐渐增强，其间略有降低，且施放深度增大至一定程度后（大于45.0cm）逐步趋于稳定。但进一步观察图3可知，不同口径喷嘴生成气泡的水体携带能力仍略有差异：绝大多数情况下，小口径喷嘴生成气泡的水体携带能力稍强，这主要与不同口径喷嘴生成气泡的尺度及其分布特征有关。

对比图4和图5可知：在注气速度（3ml／s）和注气量（20ml）相同的情况下，小口径喷嘴生成气泡的尺度较小，且数量相对较多，其与周围水体发生作用的气液接触面积也相应较大，因而在绝大多数情况下，小口径喷嘴生成气泡的水体携带能力相对稍强。

在特定施放深度内（37.5～45.0cm），大口径喷嘴生成气泡的水体携带能力反而较强，主要原因在于相邻气泡间聚并作用的程度不同，具体分析如下：

由于小口径喷嘴生成的气泡数量较多（见图4），单位体积内的气泡间距相对较小，发生聚并作用的几率较大，施放深度较小时（35.0cm），相邻气泡间就开始出现聚并现象，气泡的水体携带能力被削弱；随着施放深度的增加，相邻气泡间的聚并作用进一步加剧，气泡的水体携带能力逐渐降低；当施放深度达到一定程度时（42.5cm），降至最低，相应地测得的携带水量也最小（140.2ml），至于曲线为什么会在这一区域附近存在一个明显的“谷点”，这也是值得后续深入研究的问题。而大口径喷嘴生成的气泡尺度相对较大，相同注气量条件下生成气泡的数量也较少（见图5），使得相邻气泡间的距离较大，施放深度较大时（40.0cm）才发生聚并作用，且持续时间较短，气泡的水体携带能力只是稍有降低，当施放深度为45.0cm时，携带水量即达到极小值（171.8ml），稍高于小口径喷嘴生成气泡的最小携带水量。因此，在相邻气泡间聚并作用较为显著的特定施放深度内（37.5～45.0cm），大口径喷嘴生成气泡的水体携带能力相对较强。

3 结 论

引入气泡上升携带水量的概念表征其水体携带能力的大小，进而利用专门设计的原理性实验装置，采用双液分离测量法，以互不相溶的水和柴油为介质，对27.5～52.5cm之间10个不同施放深度生成气泡的携带水量进行测量，研究了气体施放深度对气泡水体携带能力的影响规律，结论如下：

（1）在注气量和注气速度等一定的情况下，气体施放深度对气泡水体携带能力有显著影响，其总体趋势是：气泡水体携带能力随气体施放深度的增加而缓慢增强并逐渐趋于稳定，但其间（35.0～45.0cm）该能力会稍有下降，并有极小值出现。

（2）绝大多数情况下，小口径喷嘴生成气泡的水体携带能力稍高，但在特定施放深度范围内（37.5～45.0cm），大口径喷嘴生成气泡的水体携带能力反而相对较强。

考虑到实际工程应用中往往需要上升气泡具有相对较强的水体携带能力，因而应尽量选取较小口径的喷嘴，并在水体携带能力相对稳定的施放深度较大的区域内生成气泡。上述结论可为上升气泡在化工、环境及军事等诸多领域的工程应用提供参考依据，有关喷嘴口径、注入气量等对气泡水体携带能力影响的具体规律有待于后续进一步深入研究。

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王 涌（1974－），女，山东潍坊人，博士研究生，讲师。研究方向：军事航海安全保障与防护技术。通信地址：辽宁省大连市中山区解放路667号航海系（116018）；联系电话：13387851670；E－mail：little＿walnut＠126.com

Experimental research for influence of injecting depth on water volume carried by bubbles

WANG Yong1，JIN Liang－an1，2，XU Shang1，HAN Yun－dong1
（1.Dept.of Navigation，Dalian Naval Academy，Dalian Liaoning 116018，China；2.Dalian Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences，Dalian Liaoning 116023，China）

The rising bubble's capacity to carry water is influenced by many factors.For the lack of technologies to measure it，the investigation on influence laws of the capacity is a difficult point of gas－liquid two－phase flow research.In this paper，the concept of water carried by bubbles volume was introduced to characterize rising bubble's capacity to carry water surrounding bubbles，and the special experimental apparatus was made.The influence laws of different air injecting depth（27.5～52.5cm）on bubble's capacity to carry water were studied by this equipment with water and diesel fuel.The results show that air injecting depth will significantly affect bubble's capacity to carry water with the same air volume（20ml）and injection rate（3ml／s）.The capacity will increase correspondingly with air injecting depth increasing and tend to approach stable，though in some special depth（35.0～45.0cm）it will decrease to a minimum.And the bubbles which are from smaller nozzle will carry more water.The conclusion will help to find optimal air injecting depth or more rational nozzle diameter，and it will be valuable in other related fields.

bubble in water；capacity to carry water；air injecting depth；influence laws；twophase flow

O359＋.1

A

1672－9897（2011）06－0049－05

2011－04－18；

2011－07－30

“十一五”国防预研项目（51314020103）