CN104089754A - 一种捕捉气泡聚合过程的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种捕捉气泡聚合过程的装置，包括气泡聚合发生装置和用于记录和分析气泡聚合发生装置内气泡运动过程的拍摄及数据处理设备；所述的气泡聚合发生装置包括，密封的充液容器、充液管、若干滴液管和进气管，所述的充液管安装在充液容器上部并与充液器内部连通，所述充液管上设置有阀门；所述滴液管开口向下安装在充液容器底部，用于在重力作用下将充液容器内液体排出，所述滴液管上安装有调节阀；所述的进气管与滴液管连通作为滴液管的支管，其开口端与大气连通，且其高度高于充液容器中液体的高度。本发明装置能获得不同大小和速度的气泡，形成的气泡较稳定、不易破裂，整个动态聚合过程持续的时间较长，降低了对拍摄相机的要求。

Description

一种捕捉气泡聚合过程的方法和装置

技术领域

本发明涉及流体力学多相流气泡动态行为测量技术领域，适用于气泡与气泡聚合过程动态行为的捕捉和记录，特别适用于两个气泡间的相互碰撞、相互接触、并由两个气泡合并成为一个气泡动态过程的捕捉和记录。

背景技术

气液两相泡状流广泛存在于工业界和自然界中，因此深刻理解气泡的动态行为(如气泡的碰撞和聚合过程)对于理解和丰富气液两相泡状流的水动力学特征以及改善和控制泡状流的传热和传质效率具有重要意义。尽管目前已开发了形式多样的光学拍照测试和记录系统，然而由于气泡的动态行为不易人为控制、而且整个过程往往是在瞬间完成，因此捕捉气泡的动态行为非常困难，这极大地限制了人们对气液两相泡状流水动力学特征的理解。因此，要想深刻理解气液两相泡状流的水动力学特性，必须解决气泡动态行为的科学捕捉问题。

尽管目前气泡的生成方法很多，有电解法、空气注入法、加压溶解法、空化法、机械搅拌等方法，但这些方法均不易控制气泡的数量、大小、速度以及稳定性，极大地增加了气泡聚合过程的捕捉难度。因此，气泡良好生成方法的取得对于气泡聚合过程的捕捉也极其重要。

发明内容

为了克服现有光学拍照系统无法准确捕捉气泡的动态聚合过程，本发明的目的在于提供一种捕捉气泡聚合过程的测量方法和装置。在测量方法和测量装置简便易于实施的情况下，实现两个气泡动态聚合过程的准确捕捉和记录。而且该装置能够有效捕捉和测量不同物理特性气泡的动态行为和过程，如单个气泡在液面上的动态演变过程、两个不同尺寸或相同尺寸气泡的动态碰撞过程，以及两个不同尺寸或相同尺寸气泡的碰撞、聚合乃至破裂过程。

本发明的理论原理是：利用静压力平衡原理在密闭容器内产生单个气泡，单个气泡凭借浮力驱动向上运动产生的惯性和自身尾流的影响，浮出液面后会在液面上继续做不规则的滑行运动，当两个气泡遇到一起就会发生一系列复杂动态的聚合行为，利用高速相机将这些动态过程记录下来，通过进一步分析即可给出气泡聚合过程复杂的运动特征。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种捕捉气泡聚合过程的装置，包括气泡聚合发生装置和用于记录和分析气泡聚合发生装置内气泡运动过程的拍摄及数据处理设备；

所述的气泡聚合发生装置包括，密封的充液容器、充液管、若干滴液管和进气管，所述的充液管安装在充液容器上部并与充液器内部连通，所述充液管上设置有阀门；所述滴液管开口向下安装在充液容器底部，用于在重力作用下将充液容器内液体排出，所述滴液管上安装有调节阀；所述的进气管与滴液管连通作为滴液管的支管，其开口端与大气连通，且其高度高于充液容器中液体的高度。

为了便于拍摄，作为优选，所述的充液容器为透明的方形容器。

作为优选，所述的滴液管数量为两个。当然若只采用一根滴液管也同样适用于本发明，只是产生气泡在时间上有间隔；两根比较好，可以同时产生气泡，而且如果其中一根产生的气泡比较小，另一根产生的气泡比较大，这样可以同时观察不同大小气泡的聚合行为。

为了便于调节调节阀开启程度的大小，作为优选，所述的充液容器上部安装有压力计。

进一步地，所述的拍摄及数据处理设备包括高速相机、用于处理高速相机所捕捉到的数据的计算机和用于辅助高速相机拍摄的辅助光源，所述高速相机与计算机传输连接。

为了保证滴液管与充液容器安装的密封性以及方便不同直径滴液管的更换，作为优选，所述的充液容器底部具有开口，所述开口内内安装有底部接管，底部接管内塞有橡皮塞；所述滴液管上部为锥形管道、下部为等直径圆管，滴液管上部锥形管道插入并穿过橡皮塞使滴液管与充液容器连通。

为了避免空气中的杂质进入充液容器内污染气泡界面、改变气泡的运动状态，作为优选，所述的进气管开口端设置有空气过滤器。

进一步地，为了便于空气过滤器的安装，所述的进气管开口端安装有圆筒形座，所述的空气过滤器安装在圆筒形座内。

为了便于操作，作为优选，所述气泡聚合发生装置还包括用于支撑充液容器的支架。

利用上述装置捕捉气泡聚合过程的方法，步骤如下：(1)关闭滴液管上的调节阀，打开充液管上的阀门向充液容器中注入液体；

(2)关闭充液管上的阀门，打开滴液管上的调节阀，同时开启拍摄及数据处理设备，使液体在重力作用下从充液容器中滴出，空气从进气管进入充液容器形成气泡，拍摄及数据处理设备即可捕捉到并分析气泡运动过程。

本发明的有益效果是，本发明的优点之一是，利用重力向下作用和静压力平衡的原理，利用滴液管将液滴缓慢引出充液容器、使充液容器内部压力降低、与外部形成微弱压差；凭借微弱的压差，空气由进气管、经滴液管的上端压入充液容器内，从而形成单个稳定的气泡，而且通过调节阀可以调节液滴下落的速度和大小从而获得不同大小和速度的气泡；

本发明的优点之二是，产生微气泡聚合过程的装置结构简单、实施方便，不需另设加压设备、能耗低，仅仅通过调节液滴下降的速度和大小、或选择和改变滴液管和进气管的直径以及改变液相的纯度，即可得到不同尺寸和不同运动状态下微气泡的聚合过程；

本发明的优点之三是，由于充液容器生成的气泡是因容器内外的压差所致、生成的气泡内外的压强基本相同，再加上气泡处在容器内部不会受到外界的干扰，因此气泡较稳定、不易破裂，整个动态聚合过程持续的时间较长，这样就延长了观察和记录的时间，降低了对拍摄相机的要求。

附图说明

图1本发明装置结构示意图；

图2为本发明气泡聚合发生装置结构示意图；

图3为本发明充液容器结构示意图；

图4为本发明滴液管结构示意图；

图5为本发明进气管结构示意图；

图中1.充液容器，11.底部接管，2.滴液管，21.锥形管道，22.等直径圆管，23.支路，3.进气管，31.圆筒形座，4.调节阀，5.充液管，51.阀门，6.压力计，7.空气过滤器，8.支架，9.高速相机，10.计算机，12辅助光源，13.橡皮塞，14.螺纹接口，15.过渡接管。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种捕捉气泡聚合过程的方法的装置，包括气泡聚合发生装置和用于记录和分析气泡聚合发生装置内气泡运动过程的拍摄及数据处理设备；拍摄及数据处理设备包括高速相机9、计算机10以及辅助光源12。工作时，将气泡聚合发生装置固定在支架8上，高速相机9与计算机10予以传输连接。拍摄时，打开辅助光源12，照亮气泡聚合发生装置内气泡动态聚合过程，由高速相机9记录下来，同时将数据传输给计算机10，便于进一步分析。

如图2所示，气泡聚合发生装置包括，密封的充液容器1、充液管5、两根滴液管2、进气管3和压力计6；所述充液容器1上部具有两个螺纹接口14，充液管5和压力计6分别通过螺纹接口14与充液容器1采用螺纹连接，所述充液管5上带有阀门51；所述滴液管2开口竖直向下安装在充液容器1底部，所述滴液管2上安装有调节阀4；所述滴液管2具有一支路23，进气管3经过过渡接管15与滴液管3的支路23螺纹连接，进气管3开口端与大气连通，为了避免液体从进气管3流出，所述的进气管3高度高于充液容器1中液体的高度。为便于拍摄，所述的充液容器1采用透明的方形容器。使用时，首先关闭调节阀4，打开充液管5上的阀门51向充液容器1中注入液体；然后关闭充液管5上的阀门51，打开调节阀4，使液体在重力作用下从充液容器1中滴出，充液容器1内压力降低，充液容器1内外产生压力差，外界空气在压力差作用下从进气管3进入充液容器1形成气泡，当一对单个气泡相遇时就会发生一系列动态的聚合过程，通过调节调节阀4的开启程度可以改变空气进气量的大小，起到了调节气泡大小的作用。

上述滴液管2与充液容器1的具体安装方式如下，如图3所示，充液容器1底部具有圆形开口，圆形开口胶粘连接底部接管11，所述底部接管11内塞有橡皮塞13；如图4所示，所述滴液管2上部为锥形管道21、下部为具有支路23的等直径圆管22，锥形管道21与等直径圆管22通过过渡接管15连接，滴液管2与充液容器1具体连接方式为，将滴液管2上部锥形管道21插入并穿过橡皮塞13使滴液管2与充液容器1连通。橡皮塞13的使用极大方便了滴液管2和充液容器1的连接，也方便了不同直径滴液管6和进气管8的更换。

如图5所示，所述的进气管3开口端胶粘连接有用于安装空气过滤器7的圆筒形底座31，空气过滤器7直接安装在圆筒形底座31内，空气过滤器7对空气进行过滤，避免空气中杂质进入充液容器1中从而对气泡界面产生污染，改变气泡的运动状态。

Claims (10)

1.一种捕捉气泡聚合过程的装置，其特征在于：包括气泡聚合发生装置和用于记录和分析气泡聚合发生装置内气泡运动过程的拍摄及数据处理设备；

所述的气泡聚合发生装置包括，密封的充液容器(1)、充液管(5)、若干滴液管(2)和进气管(3)，所述的充液管(5)安装在充液容器(1)上部并与充液器内部连通，所述充液管(5)上设置有阀门(51)；所述滴液管(2)开口向下安装在充液容器(1)底部，用于在重力作用下将充液容器(1)内液体排出，所述滴液管(2)上安装有调节阀(4)；所述的进气管(3)与滴液管(2)连通作为滴液管(2)的支管，其开口端与大气连通，且其高度高于充液容器(1)中液体的高度。

2.根据权利要求1所述的捕捉气泡聚合过程的装置，其特征在于：所述的充液容器(1)为透明的方形容器。

3.根据权利要求1所述的捕捉气泡聚合过程的装置，其特征在于：所述的滴液管(2)数量为两个。

4.根据权利要求1所述的捕捉气泡聚合过程的装置，其特征在于：所述的充液容器(1)上部安装有压力计(6)。

5.根据权利要求1所述的捕捉气泡聚合过程的装置，其特征在于：所述的拍摄及数据处理设备包括高速相机(9)、用于处理高速相机(9)所捕捉到的数据的计算机(10)和用于辅助高速相机(9)拍摄的辅助光源(12)，所述高速相机(9)与计算机(10)传输连接。

6.根据权利要求1所述的捕捉气泡聚合过程的装置，其特征在于：所述的充液容器(1)底部具有开口，所述开口内安装有底部接管(11)，所述底部接管(11)内塞有橡皮塞(13)；所述滴液管(2)上部为锥形管道(21)、下部为等直径圆管(22)，滴液管(2)上部锥形管道(21)插入并穿过橡皮塞(13)使滴液管(2)与充液容器(1)连通。

7.根据权利要求1所述的捕捉气泡聚合过程的装置，其特征在于：所述的进气管(3)开口端设置有空气过滤器(7)。

8.根据权利要求7所述的捕捉气泡聚合过程的装置，其特征在于：所述的进气管(3)开口端安装有圆筒形座(31)，所述的空气过滤器(7)安装在圆筒形座(31)内。

9.根据权利要求1所述的捕捉气泡聚合过程的装置，其特征在于：所述气泡聚合发生装置还包括用于支撑充液容器(1)的支架(8)。

10.根据权利要求1～9任一项所述装置捕捉气泡聚合过程的方法，其特征在于：

(1)关闭滴液管(2)上的调节阀(4)，打开充液管(5)上的阀门(51)向充液容器(1)中注入液体；

(2)关闭充液管(5)上的阀门(51)，打开滴液管(2)上的调节阀(4)，同时开启拍摄及数据处理设备，使液体在重力作用下从充液容器(1)中滴出，空气从进气管(3)进入充液容器(1)形成气泡，拍摄及数据处理设备即可捕捉到并分析气泡运动过程。