CN112169609A - 开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法 - Google Patents

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凃程旭
包福兵
尹招琴
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/2319—Methods of introducing gases into liquid media

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Abstract

本发明涉及一种开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法。本发明通过在基底平面上喷涂超疏水材料制作超疏水网路。当液态流体浸没超疏水轨道后，会在网路表面形成一层数微米到数百微米的气膜；气泡在自身浮力或流体向上的曳力的作用下触碰超疏水轨道，气泡被稳定吸附在轨道上并沿网路的轨道做向上运动。运动到单个轨道分叉为多个轨道的分叉结构时，在毛细力发生急剧变化导致原气泡快速向下游支路分散成更小尺度的子气泡。本发明通过控制轨道的宽度与初始气泡的直径可以有效的达到控制气泡沿轨道上浮以及大量生成微尺度亚毫米级气泡的目的，且其微小气泡生成过程中无另外能量输入，便能控制气泡沿轨道上浮，以及控制气泡分裂时产生的大小。

Description

开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法
技术领域
本发明属多相流领域，涉及一种开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法。
背景技术
气液两相流是自然界的普遍现象，并且广泛应用于热能动力工程、核能工程、低温工程以及航天领域等许多领域，是目前流体力学的研究热点。超疏水是一种新型材料，其定义为表面稳定接触角大于150°，滚动接触角小于10°。超疏水材料以其优越的性能，超强的疏水能力，成为了科学领域的关注热点。
另一方面，作为气液两相流的离散相，微气泡具有在流体中停留时间长、比表面积大的特点，因此微气泡在污水处理、化工、燃料电磁等领域的应用，显示出相比大尺度气泡极为显著的优势。
目前，一般国内外生成微气泡的技术都是通过特殊的气泡发生器，或是在微通道中生成，前者微气泡的单分散性较差、难以控制，后者成本价格普遍偏高、通量有限，难以市场化。本发明提出的开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法，所需装置简单且可以不输入能量，快速产生大量微尺度亚毫米级的微气泡。
发明内容
本发明的目的是针对目前难以在无能量输入条件下，产生微尺度亚毫米级气泡的问题，提供了一种开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法。
为了实现上述目的，本发明通过在基底平面上喷涂超疏水材料制作超疏水网路。网路呈二叉树结构，除了超疏水网路区域，其他平面区域均为非疏水表面。
当液态流体浸没超疏水轨道后，由于超疏水网路的超亲气性，会在网路表面形成一层数微米到数百微米的气膜；气泡在自身浮力或流体向上的曳力的作用下触碰超疏水轨道，由于超疏水轨道的超亲气性，气泡被稳定吸附在轨道上并沿网路的轨道做向上运动。
运动到单个轨道分叉为多个轨道的分叉结构时，在毛细力发生急剧变化导致原气泡快速向下游支路分散成更小尺度的子气泡，并继续沿各自超疏水支路作直线运动，再一次触碰到分叉结构时重复以上分裂过程，产生更小尺度的子气泡，以此类推，直到产生符合尺度要求的微气泡。
所述初始气泡为亚毫米级气泡。
所述超疏水轨道宽度W为0.1～5D。
所述超疏水轨道其液滴接触角为150～180°。
所述超疏水轨道厚度小于1mm。
所述的分叉树结构为二分结构，分叉角度α为0～180°。
所述的分叉树结构每相邻两个节点之间的长度L为1D～20D。
所述的分叉树结构由一条主路与两条及以上支路构成。
所述流体可为牛顿流体或非牛顿流体。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
(1)本发明针对目前难以在无能量输入条件下，大量生成微尺度亚毫米级气泡的问题，提出超疏水网路上产生微气泡的方法，利用超疏水材料的超亲气性和超强的疏水能力以及二叉树结构使气泡以指数形式增加，达到有效快速生成大量微气泡的目的。
(2)本发明针对目前成本价格普遍偏高的气泡发生器，提出超疏水网路产生微气泡的方法，利用超疏水轨道的低制作成本，且超疏水轨道的有效时间长，可以多次重复利用，达到合理节约资源的目的。
(3)本发明针对目前微通道内生成气泡易堵塞的问题，提出开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法，开放壁面制作简单，成本低廉，可以容许微气泡大量产生且不出现堵塞现象。
(4)本发明针对目前市面上型号固定的气泡发生器，提出超疏水网路产生微气泡的方法，可通过调整超疏水轨道宽度大小，针对不同大小的气泡，达到控制不同微气泡产生的目的。
(5)本发明针对目前水中气泡上浮轨迹难以控制且上浮速度无法调整的不足，提出开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法，利用超疏水亲气材料在水中对气泡的超强粘附力作用，以达到控制气泡沿直线上浮及上浮速度的目的。
附图说明
图1为开放壁面超疏水轨道正视图；
图2为开放壁面超疏水轨道侧视图；
图3为二叉树结构气泡生成示意图；
图4为α＝10°气泡分裂前期正面图；
图5为α＝10°气泡分裂后期正面图。
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二叉树结构轨道，使用超疏水溶液进行喷涂，得到表面及边缘平整，表面光滑的超疏水轨道2，使其表面的疏水性能得到明显改善。
若所控制的气泡体积等效直径为D，则绘制的轨道宽度W的范围为目标气泡等效直径的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，轨道对上升气泡捕捉能力及气泡实际上浮速度的控制效果较为理想。如图3，图4，图5所示，为得到大量的有效微气泡3，采用二叉树结构轨道，控制从同一节点衍生出的两条支路的分叉角度α在0～180°，控制每相邻两个节点之间的长度L的范围为目标气泡等效直径的1D至20D，即每节支路长度L＝1～20D，在此角度及长度范围内，可在无能量输入条件下，在开放壁面上有效生成大量微尺度亚毫米级气泡。
将二叉树结构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倍的气泡体积等效直径范围内，便于捕捉水中的气泡，以便于在开放壁面上生成大量微尺度亚毫米级气泡。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可以有效的控制气泡的上浮速度。当二叉树轨道宽度大于0.1D小于D/3时，气泡上浮速度显著下降，约为0.15～0.23m/s；而当二叉树轨道宽度大于D/3小于5D时，所受阻力减小，此时上浮速度约为0.27～1.1m/s，气泡上浮速度显著上升。
单气泡在轨道上的运动速度会随着分叉级数的增加而减小，这是单气泡在分形树状轨道上运动速度的主要变化趋势。但由于分叉结构的存在，气泡在分叉处形状的变化使气泡的头部和尾部形成毛细压力差，从而产生一个加速度引起气泡运动速度的上升变化，这是气泡在分形树状轨道上运动速度的局部变化趋势。保持超疏水轨道的宽度W与分叉角度α不变，改变初始气泡等效直径D会影响气泡在二叉树结构轨道中流动分裂的对称性和同步性。初始气泡等效直径D越大，越有利于气泡流动分裂的对称性和同步性；当气泡等效直径D较小时，容易出现不对称和不同步的流动分裂现象。此外，气泡上浮速度也会影响气泡在二叉树结构轨道中流动分裂的对称性和同步性，上浮速度高的气泡能表现出更好的流动分裂的对称性和同步性。
综上所述，合理的通过控制开放壁面上的二叉树结构轨道的宽度与初始气泡的直径可以有效的达到控制气泡沿轨道上浮以及大量生成微尺度亚毫米级气泡的目的，且其微小气泡生成过程中无另外能量输入，便能控制气泡沿轨道上浮，以及控制气泡分裂时产生的大小，因此本发明在多相流和节能技术领域具有极大的使用价值。

Claims (4)

1.开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法，其特征在于：
在基底平面上喷涂超疏水材料制作超疏水网路，形成疏水轨道，所述网路呈二叉树结构，除了超疏水网路区域，其他平面区域均为非疏水表面；
当液态流体浸没超疏水轨道后，由于超疏水网路的超亲气性，会在网路表面形成一层数微米到数百微米的气膜；
气泡在自身浮力或流体向上的曳力的作用下触碰超疏水轨道，由于超疏水轨道的超亲气性，气泡被稳定吸附在轨道上并沿网路的轨道做向上运动；
气泡运动到单个轨道分叉为多个轨道的分叉结构时，毛细力发生急剧变化导致原气泡快速向下游支路分散成更小尺度的子气泡，并继续沿各自超疏水支路作直线运动，再一次触碰到分叉结构时重复以上分裂过程，产生更小尺度的子气泡，以此类推，直到产生符合尺度要求的微气泡。
2.根据权利要求1所述的开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法，其特征在于：所述超疏水轨道宽度W为0.1～5D，D为气泡体积等效直径。
3.根据权利要求1所述的开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法，其特征在于：所述的二叉树结构的分叉角度α为0～180°。
4.根据权利要求2所述的开放壁面上超疏水网路产生微气泡的方法，其特征在于：所述的二叉树结构中相邻两个节点之间的长度L为1D～20D。
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