CN110255654B - 一种水体中气泡沿直线上浮的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水体中气泡沿直线上浮的控制方法。本发明在平行于重力方向的平面内，布置具有一定倾角的直线超疏水轨道，除了超疏水轨道区域，其它平面区域为非疏水表面，当水体浸没超疏水轨道后，气泡在自身浮力或向上曳力的作用下触碰超疏水轨道时，气泡在直线超疏水轨道上迅速铺展，并被稳定吸附在直线超疏水轨道上，在流体曳力和浮力的作用下沿直线超疏水轨道做直线运动，同等气泡直径下，通过改变轨道的宽度、倾角可调节气泡沿轨道直线上升的速度；同等宽度轨道下，改变气泡大小同样可调节气泡的上升速度。本发明无能量输入，仅依靠气泡自身浮力，所受曳力及壁面黏附力等因素作用，实现对气泡上浮轨迹与速度的控制。

Description

一种水体中气泡沿直线上浮的控制方法

技术领域

本发明涉及水或水溶液中气泡直线运动轨迹的控制，简单来说就是控制气泡在水中上浮的速度及直线上浮轨迹，属于多相流和节能技术领域。

背景技术

气泡在液体中的运动是气液两相流中的典型问题,气液两相流动是多相流研究中的一个重要方向，气泡在液体中运动时会受到浮力，重力等力的作用，这些力使气泡在液体中发生运动，扰动流场，而流场又反作用于气泡，气泡受流场扰动的作用，使之在液体中的运动非常复杂，导致气泡在液体中的上升轨迹难以控制。

气泡被广泛应用于石油化工、能源、船舶制作、污水处理等工程设备和技术领域，液态流体中上升气泡的操控对矿物泡沫浮选、鼓泡反应器、污水处理、水力减阻、微流体力学、微型反应堆技术和生物细胞孵化而言至关重要。例如在泡沫浮选中，气泡在液相中停留时间和运动历程越长对矿物质附着和浮选越有利；相反在微流控和热交换系统中则需要气泡更快离开液相。若气泡上升过程中均匀分布，兼具较大速度及比表面积则能够充分释放鼓泡反应器的反应效率，在精细化工领域，气泡可以作为催化剂控制化学反应的速率，同时气泡也可以作为催化剂的载体，通过控制气泡的运动轨迹以达到控制化学反应发生位置的目的。在石油化工工艺中，发泡是一种普遍现象，例如原油蒸馏、焦化、丙烷脱沥青等都伴随则发泡问题，发泡会造成处理链的减少，装置运行不正常或产品不合格，所以如何消除其中的气泡成为了解决发泡现象的重中之重。而在污水处理中可以通过控制气泡的运动轨迹及气泡的上升速度从而加快污水中微颗粒物的凝结。综上，气泡运动精准操控对上述诸多工业过程而言非常重要。控制了气泡的运动轨迹就能控制化学反应的位置，反应的速度，提高污水处理的效率等，所以如何控制气泡的运动轨迹成为了这些领域中的关键。

发明内容

针对鼓泡反应器、矿物泡沫浮选、污水处理等工业生产中，水体中的气泡在一定Re数范围内，因为重力、浮力、曳力等因素的影响，其自由上升轨迹呈螺旋型，甚至于出现弹跳现象，其气泡轨迹都是非直线，上升速度难以控制，本发明提出一种可以有效控制水体中气泡沿直线上浮及其上浮速度的方法。

为了实现上述目的，实现人为的控制气泡沿直线上浮及气泡上浮的速度，本发明的技术方案是：在平行于重力方向的平面内，布置具有一定倾角的直线超疏水轨道，除了超疏水轨道区域，其它平面区域为非疏水表面，当水体浸没超疏水轨道后，气泡在自身浮力或向上曳力的作用下触碰超疏水轨道时，由于超疏水轨道的超亲气性，气泡在直线超疏水轨道上迅速铺展，并被稳定吸附在直线超疏水轨道上，在流体曳力和浮力的作用下沿直线超疏水轨道做直线运动，同等气泡直径D下，通过改变轨道的宽度W、倾角α可以有效调节气泡沿轨道直线上升的速度，同等宽度轨道下，改变气泡大小同样可以调节气泡的上升速度。

所述气泡为任意气泡。

所述超疏水轨道宽度W为0.1～5D。

所述的轨道倾角为0～90°。

所述的超疏水轨道其水滴水平接触角为150～180°。

所述的超疏水基底壁面可以为玻璃、金属、亚克力及其它亲水工程材料。

所述的超疏水轨道厚度小于0.1mm。

所述的流体可以为牛顿或者非牛顿流体。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

（1）本发明中控制气泡沿直线上浮及上浮速度无能量输入，仅依靠气泡自身浮力，所受曳力及壁面黏附力等因素作用，实现对气泡上浮轨迹与速度的控制。

（2）本发明中所受控制的气泡可以实现其上浮速度比自由上浮气泡速度快，也能实现其上浮速度低于自由上浮气泡速度。

（3）本发明利用超疏水亲气材料在水中对气泡的超强黏附力作用，以达到控制气泡沿直线上浮及上浮速度的目的。

（4）本发明的适用性较强，调整超疏水轨道宽度大小可以针对不同大小的气泡使用，达到控制不同气泡上浮的目的。此外，超疏水轨道的有效时间较长，可以多次重复利用，具有较强的耐用性能。

（5）对于本发明中说提及的超疏水轨道制造其成本较低，且成品实际使用效果较好。

附图说明

图1 竖直气泡运动轨道示意图；

图2 斜气泡运动轨道示意图；

图3 D/W=4气泡上浮轨迹正面图；

图4 D/W=4气泡上浮轨迹侧面图；

图5 D/W=0.25气泡上浮轨迹正面图；

图6 D/W=0.25气泡上浮轨迹侧面图；

图7 α=45°气泡上浮轨迹正面图；

图8 α=55°气泡上浮轨迹正面图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

如图1，图2所示，选择基底材料1，对其表面进行清洗，其后在基底材料表面预留出所期望的气泡运动轨迹，使用超疏水溶液进行喷涂，得到表面及边缘平整，表面光滑的超疏水涂层2，使基底材料表面的疏水性能得到明显改善。

若所控制的气泡其特征长度为D，为达到控制气泡沿直线上浮及上浮速度的目的，则绘制的气泡上升轨道宽度W的范围为目标气泡特征长度的0.1D至5D，即轨道宽度范围W=0.1～5D，在此宽度范围内，气泡运动的稳定性较好，实际得到的上升轨迹控制与预期目标重合度较高，因此轨道对上升气泡捕捉能力及气泡实际上浮速度及直线轨迹的控制效果较为理想。

为了保证气泡在基底材料上具有较好的附着能力，须在基底材料表面形成厚度约为0.1mm，表面及两侧光滑的较好且具有良好疏水性能的超疏水表层。

将超疏水轨道平行于重力方向放置在水中，与气泡生产处位于同一水平面内，并将轨道底端位置放置在水平方向距离气泡生成处0至3倍的气泡特征长度范围内，便于捕捉水中的气泡，以便于水中气泡轨迹的捕获。气泡在水中自然上浮速度约为0.25～0.33m/s，同等气泡直径D下，改变超疏水轨道的宽度W与轨道倾斜角度α可以有效的控制气泡的上浮速度，当超疏水轨道宽度大于0.1D小于D/3时，此范围内，气泡产生后附着到超疏水轨道上，其运动轨迹与气泡形态如图3，图4所示。气泡附着在超疏水轨道上时，由于其体积较大，所受浮力较大，且其迎流面积较大，在浮力，壁面黏附力及上升时水对气泡的阻力等多种因素影响下，气泡缓慢上浮，气泡的上浮速度约为0.15～0.23m/s，其速度明显小于近壁气泡自然上浮，气泡上浮速度显著下降，而当超疏水轨道宽度大于D/3小于5D时，气泡附着在超疏水壁面轨道上，并向轨道上下两端进行铺展如图5，图6所示，其气泡上升时的迎流面积较小，所受阻力减小，此时上浮速度约为0.27～1.1m/s，所以其气泡上升速度较快，因此气泡上浮速度大于近壁气泡自然上浮，气泡上浮速度显著上升。

改变倾角α（如图2所示）同样能够有效控制气泡的上浮速度，不同的α角可以得到不同的上浮速度（如图7，图8所示）。当气泡直径D和超疏水轨道宽度W固定时，α角越接近于0°，气泡直线上浮的速度越快，最大上浮速度可达1.2m/s，增大α角，气泡上浮速度减小，当α角越接近于90°时，气泡上浮速度越慢，直至气泡停滞在超疏水轨道上，气泡上浮速度为0m/s。

因此综上所述，合理的通过控制壁面上的超疏水轨道的宽度及其形状可以有效的达到控制气泡沿直线上浮以及上浮速度的目的，且其上浮过程中无另外能量输入，便能控制气泡沿直线上浮，及控制气泡上浮时的速度。因此该方法在多相流和节能技术领域具有极大的使用价值。

Claims (4)

1.一种水体中气泡沿直线上浮的控制方法，其特征在于：

在平行于重力方向的平面内，布置具有一定倾角的直线超疏水轨道，除了超疏水轨道区域，其它平面区域为非疏水表面，当水体浸没超疏水轨道后，气泡在自身浮力或向上曳力的作用下触碰超疏水轨道时，由于超疏水轨道的超亲气性，气泡在直线超疏水轨道上迅速铺展，并被稳定吸附在直线超疏水轨道上，在流体曳力和浮力的作用下沿直线超疏水轨道做直线运动，同等气泡直径D下，通过改变轨道的宽度W、倾角α可调节气泡沿轨道直线上升的速度；同等宽度轨道下，改变气泡大小同样可调节气泡的上升速度；

所述超疏水轨道宽度W为0.1～5D，当超疏水轨道宽度大于0.1D小于D/3时，气泡的上浮速度小于近壁气泡自然上浮速度，当超疏水轨道宽度大于D/3小于5D时，气泡大于近壁气泡自然上浮速度。

2.根据权利要求1所述的一种水体中气泡沿直线上浮的控制方法，其特征在于：所述的超疏水轨道的水滴水平接触角为150°～180°。

3.根据权利要求1所述的一种水体中气泡沿直线上浮的控制方法，其特征在于：所述的超疏水轨道的基底壁面为亲水工程材料，包括玻璃、金属或亚克力。

4.根据权利要求1所述的一种水体中气泡沿直线上浮的控制方法，其特征在于：所述的超疏水轨道厚度小于0.1mm。

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