CN105181295B - 一种控制和研究气泡聚合过程的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制和研究气泡聚合过程的方法，在低粘度的通电电解液内产生气泡，气泡表面带上电荷；带有极性不同的电荷的气泡在不导电透明液体内发生碰撞与聚合过程，外加电场控制气泡碰撞与聚合过程；用到的装置包括电解液储槽、电介质隔板、两个金属电极板、微孔管和电极、气泡观察分析设备，两个电极极性相反，电介质隔板的高度高于电解液，电解液上方注有不导电透明液体。本发明的有益效果是：气泡通过微孔管产生，气泡大小易于控制，气泡不易破裂；通过调节电场强度来控制气泡的运动速度和轨迹；聚合前气泡形状完好，气泡聚合过程缓慢、持续时间长，降低对相机的要求。
Description
技术领域
本发明属于流体力学多相流气泡动态行为控制与测量技术领域，涉及一种控制和研究气泡聚合过程的方法和装置，适用于控制气泡运动轨迹和捕捉气泡动态接触、碰撞和聚合过程，特别适用于控制、观察和记录两个或多个气泡在液体中的聚合过程。
背景技术
气泡聚合行为是气液两相流领域中的重要内容，其广泛存在于自然界中；在生物、化工、海洋等众多过程领域扮演着重要角色。因此研究气泡动态聚合行为具有重要实用价值和科学意义。要想观察气泡的聚合过程和深入理解气泡的聚合机理，必须解决气泡的科学控制和有效捕捉问题。虽然目前已经开发大量的光学拍照技术，但是由于气泡运动复杂难以控制，加上碰撞与聚合均在瞬间完成，因此难以捕捉到气泡聚合的详细过程。鉴于此，要想科学捕捉和有效控制气泡的聚合过程，必须设法控制气泡的聚合速度。目前，观察气泡聚合过程已有的方法和装置均采用光学仪器直接观察，仅是从提高相机的拍摄速度来观察气泡的聚合过程，而从来没考虑过设法放缓和控制气泡的聚合速度来观察气泡的聚合过程。因此，导致目前的观察效果不明显、且费用高。
良好的观察环境对于观察气泡聚合等动态行为极为重要。目前有关对气泡动态行为的研究基本上是在单种液体——水中进行的，先在水中产生一定数量的气泡，然后利用高速相机进行拍摄和记录、给予分析。由于水的粘度小、气泡运动速度快且不稳定，这给观察带来了巨大困难，且对相机的要求较高。鉴于气泡在粘度高的液体里运动速度慢、形状稳定且运动轨迹易于控制，因此本发明选择在粘度高的液体内观察气泡聚合等动态行为。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：基于上述问题，本发明提供一种控制和研究气泡聚合过程的方法和装置。
本发明解决其技术问题所采用的一个技术方案是：一种控制和研究气泡聚合过程的方法，包括以下步骤：在低粘度的通电电解液内产生气泡，气泡表面带上电荷；带有极性不同的电荷的气泡在电解液上方的不导电透明液体内发生碰撞与聚合过程，不导电透明液体的密度小于电解液且粘度大于电解液且二者不互溶，外加电场控制气泡碰撞与聚合过程，同时用相机捕捉和记录气泡碰撞与聚合过程。
进一步地，电解液为NaCl水溶液，质量浓度为1～6％，不导电透明液体为硅油。
控制和研究气泡聚合过程的方法的装置，包括电解液储槽、安装于电解液储槽腔内底部并将其分隔成两个腔室的电介质隔板、对称安装于电解液储槽外侧以形成电场的两个金属电极板、穿设于每个腔室底部的电解液储槽上小孔内的微孔管和电极、设置在电解液储槽前侧的气泡观察分析设备，两个腔室内的电极极性相反，电介质隔板的高度高于电解液储槽内电解液的高度，电解液上方的电解液储槽内注有没过电介质隔板顶部的不导电透明液体，不导电透明液体的密度小于电解液且粘度大于电解液且二者不互溶。
进一步地，电解液储槽的材质为有机玻璃，电介质隔板为上窄下宽的纵向截面呈三角形的板状结构，电介质隔板材质为陶瓷，金属电极板设置在与电介质隔板平行的电解液储槽的两侧，组成平行板电容器。
进一步地，气泡观察分析设备设置在便于观察两腔室的电解液储槽前侧，气泡观察分析设备包括相机和辅助光源，相机连接有计算机设备。
进一步地，电解液为NaCl水溶液，质量浓度为1～6％，不导电透明液体为硅油。
进一步地，微孔管包括上下连接的刚性微孔细管和微孔管底座，微孔管的下端连接有进气管，进气管包括上下连接的弹性连接座和刚性圆管，微孔管底座和弹性连接座上下连接，进气管的下端依次连接有橡胶软管和供气筒，供气筒表面标有刻度。
进一步地，微孔管、电极与电解液储槽连接处小孔内均设有密封用橡皮塞，微孔管与电介质隔板之间的距离小于电极与电介质隔板之间的距离。
本发明的有益效果是：气泡通过微孔管产生，气泡大小易于控制，而且气泡稳定不易破裂；使气泡表面带电，通过调节电场强度来控制气泡的运动速度和运动轨迹；气泡的碰撞与聚合发生在粘度较大的硅油内，不易受外界干扰，聚合前气泡形状完好，气泡聚合过程缓慢、持续时间长，降低对相机的要求。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的装置的结构示意图；
图2是进气管的结构示意图；
图3是微孔管的结构示意图。
其中：1.电解液储槽，2.金属电极板，3.电介质隔板，4.微孔管，5.电极，6.进气管，7.橡胶软管，10.不导电透明液体，11.电解液，12.辅助光源，13.相机，14.供气筒，16.计算机设备，17.弹性连接座，18.刚性圆管，19.刚性微孔细管，20.微孔管底座。
具体实施方式
现在结合具体实施例对本发明作进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
如图1所示的控制和研究气泡聚合过程的方法的装置，包括电解液储槽1、安装于电解液储槽1腔内底部并将其分隔成两个腔室的电介质隔板3、对称安装于电解液储槽1外侧以形成电场的两个金属电极板2、穿设于每个腔室底部的电解液储槽1上小孔内的微孔管4和电极5、设置在电解液储槽1前侧的气泡观察分析设备，两个腔室内的电极5极性相反，分别为正负电极，电介质隔板3的高度高于电解液储槽1内电解液11的高度，电解液11上方的电解液储槽1内注有没过电介质隔板3顶部的不导电透明液体10，电介质隔板3的顶端低于电解液储槽1内不导电透明液体10的上液面。不导电透明液体10的密度小于电解液11且粘度大于电解液11且二者不互溶。
电解液储槽1的材质为有机玻璃，电介质隔板3为上窄下宽的纵向截面呈三角形的板状结构，减小边界层效应对气泡运动的影响。电介质隔板3材质为陶瓷，金属电极板2设置在与电介质隔板3平行的电解液储槽1的两侧，组成平行板电容器。电场强度可调，金属电极板2用硅胶直接粘贴在电解液储槽1外壁。电解液储槽1为方形透明容器状，便于观察。
气泡观察分析设备设置在便于观察两腔室的电解液储槽1前侧，气泡观察分析设备包括相机13和辅助光源12，相机13连接有计算机设备16。
电解液11为NaCl水溶液，质量浓度为1～6％，不导电透明液体10为硅油。电介质隔板3两侧的电解液11分别与极性不同的电极5相连，使电解液储槽1两侧产生的气泡表面聚集一定数量且正负不同的电荷，带电气泡在电场力的作用下做定向运动。为了降低带电气泡的运动速度，在电解液11上方注有密度低于电解液、粘度高于电解液的不导电透明液体10，带电气泡在浮力作用下向上运动，当运动到不导电透明液体10时，由于其粘性较大，带电气泡的上升速度会自动减慢，另外，由于电解液储槽1内电介质隔板3两侧产生的气泡带有极性不同的电荷，带电气泡在电场力的作用下会自动靠近、相互接触、直至融合为一个整体。通过改变电解液储槽1外侧的电场强弱来控制气泡在不导电透明液体10内的运行速度。
如图3示，微孔管4包括上下连接的刚性微孔细管19和微孔管底座20，微孔管4的下端连接有进气管6，进气管6包括上下连接的弹性连接座17和刚性圆管18，如图2示，微孔管底座20和弹性连接座17上下连接，进气管6的下端依次连接有橡胶软管7和供气筒14，供气筒14表面标有刻度。为了观察不同直径气泡的聚合情况，可通过选用不同规格的微孔管4和调节供气筒14的供气量来获得不同直径的气泡。塑料软管7为三通结构，便于两个微孔管4出口产生大小相同的气泡。
微孔管4、电极5与电解液储槽1连接处小孔内均设有密封用橡皮塞，微孔管4与电介质隔板3之间的距离小于电极5与电介质隔板3之间的距离。
为了便于操作，电解液储槽1下方还安装有用于支撑电解液储槽1的支架。
工作时，先打开电源使电解液11充电，电解液储槽1左右两边形成一个恒定电场，然后开始向里面注入气体、形成气泡，使气泡表面带电，可通过改变电极5的极性使形成的气泡均靠近电介质隔板3。因为电介质隔板3上窄下宽，当气泡远离电解液储槽1底部时，气泡运动受壁面效应的影响将会减小，而且受电场力的作用，气泡逐渐靠近的同时，也上浮进入硅油，由于硅油的粘度较大，气泡的运动速度放缓，便于相机13的拍摄。气泡在电场力和两个气泡所带正负电荷之间的引力作用下相互靠近、缓慢聚合。相机13对准电解液储槽1，辅助光源12给相机13补充足量的光照，相机13将拍到的图片、视频等数据传给计算机设备16处理。
本发明可以实现对两个气泡动态聚合过程的准确捕捉和记录，也可以对不同物理特性气泡的动态运动过程给予准确捕捉和记录，包括单个气泡在不同液体分界面的运动情况，两个尺寸相同或者不同气泡在液体中碰撞和聚合动态变化的过程。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种控制和研究气泡聚合过程的方法，其特征是：包括以下步骤：在低粘度的通电电解液内产生气泡，气泡表面带上电荷；带有极性不同的电荷的气泡在电解液上方的不导电透明液体内发生碰撞与聚合过程，不导电透明液体的密度小于电解液且粘度大于电解液且二者不互溶，外加电场控制气泡碰撞与聚合过程，同时用相机捕捉和记录气泡碰撞与聚合过程。
2.根据权利要求1所述的控制和研究气泡聚合过程的方法，其特征是：所述的电解液为NaCl水溶液，质量浓度为1～6％，不导电透明液体为硅油。
3.一种用于实施权利要求1所述的控制和研究气泡聚合过程的方法的装置，其特征是：包括电解液储槽、安装于电解液储槽腔内底部并将其分隔成两个腔室的电介质隔板、对称安装于电解液储槽外侧以形成电场的两个金属电极板、穿设于每个腔室底部的电解液储槽上小孔内的微孔管和电极、设置在电解液储槽前侧的气泡观察分析设备，两个腔室内的电极极性相反，电介质隔板的高度高于电解液储槽内电解液的高度，电解液上方的电解液储槽内注有没过电介质隔板顶部的不导电透明液体，不导电透明液体的密度小于电解液且粘度大于电解液且二者不互溶。
4.根据权利要求3所述的一种用于实施控制和研究气泡聚合过程的方法的装置，其特征是：所述的电解液储槽的材质为有机玻璃，电介质隔板为上窄下宽的纵向截面呈三角形的板状结构，电介质隔板材质为陶瓷，金属电极板设置在与电介质隔板平行的电解液储槽的两侧，组成平行板电容器。
5.根据权利要求3所述的一种用于实施控制和研究气泡聚合过程的方法的装置，其特征是：所述的气泡观察分析设备设置在便于观察两腔室的电解液储槽前侧，气泡观察分析设备包括相机和辅助光源，相机连接有计算机设备。
6.根据权利要求3所述的一种用于实施控制和研究气泡聚合过程的方法的装置，其特征是：所述的电解液为NaCl水溶液，质量浓度为1～6％，不导电透明液体为硅油。
7.根据权利要求3所述的一种用于实施控制和研究气泡聚合过程的方法的装置，其特征是：所述的微孔管包括上下连接的刚性微孔细管和微孔管底座，微孔管的下端连接有进气管，进气管包括上下连接的弹性连接座和刚性圆管，微孔管底座和弹性连接座上下连接，进气管的下端依次连接有橡胶软管和供气筒，供气筒表面标有刻度。
8.根据权利要求3所述的一种用于实施控制和研究气泡聚合过程的方法的装置，其特征是：所述的微孔管、电极与电解液储槽连接处小孔内均设有密封用橡皮塞，微孔管与电介质隔板之间的距离小于电极与电介质隔板之间的距离。
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