喷嘴口径参数对气泡上升携带水体能力的影响

王涌，金良安，徐上

(海军大连舰艇学院航海系，辽宁大连116018)

水中气泡上升的理论广泛应用于海洋、化工、环境等诸多领域，其与周围流体的相互作用对气液两相流的流动与输运等特性有着重要影响，是两相流领域工程应用研究的热点［1-2］。一些学者对气泡间的相互作用、气泡周围流体的速度场等相关问题进行了研究，结果表明，上升气泡对周围流场的影响较为复杂，其附近一定范围的水体随之向上运动，而远离气泡的水体则向下回流［3-7］。在利用大气泡消除舰船尾流等海洋工程应用中，重点关注的就是气泡上升对附近水体的携带作用［8-10］。为此，迫切需要对这一作用的大小 (本文中称其为气泡上升携带水体的能力)进行较为准确的测量及表征。但由于气泡携带的上升水体往往与周围水体混在一起，难以对其进行有效的分离和测量，因而鲜见与气泡上升携带水体能力的直接相关的文献报道。徐上等［11］的初步试验表明，气泡水体携带能力的大小受注入气量、注气速度、喷嘴特征、气体施放深度等诸多因素的影响。在此基础上，本研究中，作者选取多种不同口径的喷嘴，分别与3种不同口径的转接头组合进行生成气泡试验，并利用专门设计的双液分离装置对气泡上升携带水量进行测量，进而研究喷嘴口径这一重要参数对气泡上升携带水体能力的影响，旨在为海洋等领域的相关工程应用研究与设计提供参考依据。

1 试验设计

1.1 试验原理

气泡在水中上升的过程中，由于气液两相间复杂的相互作用，会携带其附近一定范围的水体向上运动，该范围越大，气泡对水体的携带能力就越强，但其确切边界显然不易确定。本研究中，采用上升气泡能够携带至某一特定高度的水体体积来表征其对气泡上升携带水体能力的大小 (为行文方便，将其称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向下回流及未被扰动的水体混在一起，对其进行有效分离和准确测量的难度较大。针对这一难题，作者专门设计了双液分离测量方法，其基本原理是:选取水和密度相对较小且与之不相溶的柴油构成双液，并分别盛装于上液池和下液池中 (图1)。由于密度差异，柴油 (上液)和水 (下液)会自行分层，其间必然形成油水界面，通过调整下液的水位，可使该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，从而实现其与周围未被扰动水体的初步分离。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)，即可将被上升气泡携带至柴油中的水体迅速带离下液池上方区域，并因其密度较大而逐渐沉降至上液池的底部，从而实现携带水体的有效分离。由于上液池底面具有一定的坡度，分离出来的水体将滑落至上液池中相对较低的区域，并可经由阀门移出，从而进行较为准确的测量，测得的分离水量越多，表明气泡携带水体的能力越强。

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

需要说明的是:上述测得的分离水量并不完全是气泡上升携带的水量，其中还包含下液池内因气泡存在而排挤出来的相应水量，试验时需加以修正(本研究中已做了修改)。此外，试验过程中难免有少量水体来不及被带离下液池上方区域，而又回落至下液池中，但通过改进试验工艺，可使这部分水量尽可能减少，因而可忽略其对分离水量的影响。

考虑到喷嘴口径的不同可能会直接影响生成气泡的尺度及动力学特征，从而引起气泡上升携带水体能力的相应变化，本研究中选取多种口径的喷嘴，分别经由不同口径的转接头与导气管相连，以构成喷嘴口径参数不同的输气管路来生成气泡进行试验。采用上述方法即可较为准确地测得气泡上升携带水量，进而研究喷嘴口径参数对气泡水体携带能力的影响。

1.2 试验装置

基于上述双液分离测量的思想，本课题组专门研制了相应的原理性试验装置，主要包括携带水体分离装置、气泡生成装置、油水界面稳控装置3个部分。

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。该装置的主体部分由两个半径不同的圆柱形容器 (上大下小)连接而成，居上位置的称为上液池 (图1)，直径为50 cm，高为34 cm，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，直径为21 cm，高为55 cm，置于上液池底面偏高一侧，其顶端面水平且稍高于上液池的底部。

为防止气泡上升携带水体回落至下液池，还需要特定的上液流场形成装置 (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，且高于下液池顶端面6～10 mm。

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

油水界面稳控装置与下液池相连通，用于调整下液的水位，使得油水界面刚好处于下液池的顶端面，以确保各组试验的初始条件一致。

气泡生成装置用于产生试验所需的气泡，主要包括喷嘴、转接头、导气管、注射器等 (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。本研究中，导气管选用内径为3 mm的输液管，注射器的刻度容量为20 mL。为保持注气压力恒定，特选用速度可控的直流电机推动注射器。

1.3 方法

试验时下液池注满水，上液池注入柴油，油层厚度 (油面至下液池顶端面)约9.5 cm。利用油水界面稳控装置调整下液水位，使其恰好位于下液池的顶端面。将直流电机调至慢速档，确保以恒定的压力推动注射器，持续注入20 mL空气形成上升气泡群。分别选取口径为0.45、0.6、0.8、1.2、1.6、2.3、3.0、3.5、4.3 mm的喷嘴进行气泡上升携带水量的测量试验，以研究喷嘴口径对气泡水体携带能力的影响。

基于前期试验，将喷嘴置于垂向深度 (距下液面)约32.5 cm，水平方向距下液池中轴线约7.8 cm处，以获得较大的分离水量，从而减小测量误差。为方便更换不同口径的喷嘴进行试验，导气管与喷嘴之间需加装转接头，本试验中选取口径为2.3、1.6、1.2 mm的转接头构成3种不同特征的输气管路，分别与上述不同口径的喷嘴连接再进行试验，每组试验重复进行20次，取其平均值作为试验数据。

如前所述，此时测得的分离水量 (Qs)并不完全是气泡上升携带水量 (Q)，还需修正下液池内因气泡存在而被排挤出来的水量 (气泡排出水量Qg)，即

假设气体不可压缩，则气泡排出水量 (Qg)与下液池内所含气泡的体积 (V)近似相等。以恒定压力注入空气的情况下，喷嘴口径不同时，气体流量也有所不同，使得下液池内所含气泡的体积也随之发生变化。试验时采用摄像法对气泡上升过程进行直接拍摄，以便较为准确地得到不同口径喷嘴生成气泡的平均上升速度 (vb)，再结合气泡上升高程(h)和气体流量 (vg)，即可近似求得下液池内所含气泡的体积 (V)，进而推知气泡排出水量(Qg)，其表达式为

将式 (2)计算得到的Qg代入式 (1)，即可得到实际的气泡上升携带水量 (Q)。

2 结果与讨论

本试验中，以恒定压力持续注入20 mL空气生成气泡，气泡上升高程 (h)均为32.5 cm。由直接拍摄的气泡上升运动过程，可得到3种口径(2.3、1.6、1.2 mm)的转接头与不同口径喷嘴组合时生成气泡的平均上升速度 (vb)，分别为25.3、23.3、22.7 cm/s，将它们分别代入式 (2)，可得

试验时，分别测得3种口径 (dt)的转接头与不同口径喷嘴 (dm)组合情况下的气体流量 (vg)和分离水量 (Qs);再依据式 (1)～(3)，即可进一步计算出不同口径喷嘴生成气泡的排出水量(Qg)和气泡上升携带水量 (Q)，结果见表1。

2.1 不同口径的喷嘴对气泡上升携带水量的影响

从表1可见:3种喷嘴口径参数不同的输气管路中，喷嘴口径大小对气泡上升携带水体的能力均有直接影响，随着喷嘴口径的增加，气泡上升携带水量逐渐增加至最大值后出现回落，且当喷嘴口径大于转接头口径时，携带水量基本趋于稳定。

表1 不同口径的喷嘴生成气泡的上升携带水量Tab.1 Water volume carried by bubbles formed through different orifices

本试验结果表明:在注气压力和注气量等一定的条件下，喷嘴口径的变化使得生成气泡的尺度及空间分布特征有所不同，从而直接影响其水体携带能力。为深入分析这一原因，特以不同口径喷嘴与口径2.3 mm转接头组合的试验录像为基础，进行相同时机的截图分析，结果如图3所示。从图3可见，在注气压力和注气量一定的条件下，喷嘴口径分别为0.45、0.6、0.8、1.2 mm时，生成气泡的平均尺度随喷嘴口径的增加明显增大，其与周围水体相互作用的气液接触表面积显著增加，因而气泡上升携带水量也会随之逐渐增加。

此后，随着喷嘴口径的进一步增加 (大于1.2 mm时)，生成气泡尺度的变化不再显著，而单位体积内气泡间距的减小则相对较为明显，相邻气泡间更易发生聚并，使得各气泡携带水体的有效区域相互重叠，因而携带水量会有所减少。与此同时，随着喷嘴口径的增加，气体更容易脱离喷嘴生成气泡，使得给定体积气体注入的时间明显缩短，相应地上升气泡与周围水体相互作用的时间也明显减少。在上述两种因素的综合作用下，气泡上升携带水体的能力被削弱，并直接表现为气泡上升携带水量的回落。

喷嘴口径较大 (大于2.3 mm)时，气泡上升携带水量不再随喷嘴口径的增大继续回落，而是基本趋于稳定。其主要原因在于:当喷嘴口径大于2.3 mm时，与喷嘴相连的转接头口径 (dt)成为整个输气管路中内径最小的部分，直接制约着生成气泡的尺度及其空间分布特征。因此，喷嘴口径继续增大时，气泡上升携带水量不再随之显著增加或减小，而是基本趋于稳定。

图3 不同口径喷嘴生成气泡的上升截图 (截图时机相同，转接头口径2.3 mm)Fig.3 Rising bubbles formed through orifices with different diameters(dt=2.3 mm)

2.2 气泡上升携带水量与口径比的关系

本试验结果表明:喷嘴口径小于转接头口径时，气泡上升携带水量存在一个最大值;而喷嘴口径大于转接头口径时，携带水量基本趋于稳定。由此可见，上升气泡的水体携带能力，与喷嘴口径和转接头口径的组合情况是有关系的。

为衡量喷嘴口径 (dm)与转接头口径 (dt)的组合情况对气泡水体携带能力的影响，本研究中将喷嘴口径与转接头口径的比值定义为口径比(n)，即n=dm/dt。显然，当n＜1时，喷嘴的口径要小于转接头口径，此时它是整个输气管路中内径最小的部分;而n＞1时，喷嘴口径大于转接头口径，整个输气管路的最小内径则是转接头的口径。由口径比的概念及上述试验数据，可处理得到9种口径的喷嘴分别与3种口径的转接头组合时的口径比 (n)，以及气泡上升携带水量 (Q)与口径比 (n)的对应关系，结果如图4所示。

从图4可见:3种口径的转接头分别与不同口径的喷嘴组合时，气泡上升携带水量开始均随口径比的增大而增加，达到最大值后将回落至一定程度并逐步趋于稳定。当口径比为0.5左右时，图4-(a)、(b)、(c)中的Q-n关系曲线均达到最大值 (A点)，称A点为最大值点，显然此时的气泡具有最强的携带水体的能力。因此，在相关工程应用设计中，喷嘴口径的最佳大小应为转接头口径的0.5倍左右，这样既可以保证气泡上升时获得较高的携带水体的水量，又可以提高其生产效率。

图4 气泡上升携带水量与口径比的关系Fig.4 Relationship between water volume carried by rising bubbles and diameter ratio

从图4还可见，在 (a)、(b)和 (c)的Q-n关系曲线中，除了最大值A点以外，均还有B点。在B点之后，气泡上升携带水量不再随口径比的增大发生显著变化，而是基本趋于稳定，因此称B点为平稳点，其对应的口径比为1。之所以出现平稳点，其原因主要是，当n＞1时，喷嘴口径大于转接头口径，整个输气管路中内径最小的部分即为转接头口径，它直接限制着生成气泡的尺度及其空间分布特征。换言之，在这种情况下，即使继续增大喷嘴口径，输气管路中内径最小的部分仍然是转接头口径，故生成气泡的上升携带水量也不再随口径比的增大发生显著改变。因此，在实际应用中，单纯依靠增大喷嘴口径，并不能获得更高的水体携带能力，而更应考虑口径比这一因素。

3 结论

在注气量和注气压力等一定的情况下，初步研究了喷嘴口径参数对气泡水体携带能力的影响，结果表明:1)喷嘴口径对气泡上升携带水体的能力有直接影响，即随着喷嘴口径的增加，气泡上升携带水量逐渐增加至最大值后出现回落，并逐步趋于稳定;2)喷嘴口径与转接头口径的组合关系 (用口径比表征)会直接影响气泡上升携带水体的能力。当口径比约为0.5时，气泡上升携带水量出现最大值点;当口径比为1时，携带水量出现平稳点;当口径比大于1时，携带水量基本趋于稳定。

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