CN113333183A - 一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法。本发明中尾翼由主翼以及气泡附着侧翼组成，两者之间的夹角为θ；气泡附着于侧翼后，带动尾翼一起沿一定角度斜向上运动，通过控制气泡直径、尾翼形状、尾翼材质、尾翼展弦比k以及夹角θ的不同来调控气泡上升运动轨迹形态和上升速度。本发明中涉及的尾翼制作简便，成本低廉，在实际应用中无需外部能源输入，仅依靠气泡自身的浮力以及侧翼涂层的壁面粘附力，再通过尾翼操控可实现气泡大幅度的自发横向迁移以及上升速度的控制；不同于超疏水平面与丝轨道，通过尾翼操控气泡输运一定程度上保留了气泡的自由度。

Description

一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法

技术领域

本发明涉及多相流以及水动力学领域，具体涉及利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法。

背景技术

对在液态流体中气泡的操控于矿物泡沫浮选、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有重要作用。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。利用气泡技术研制的气泡船，多数采用滑行舰艇行，是高性能船型的一种，在运动船舶的船体外表面和水之间，引入空气和排气形成气膜，可以大幅减少运动船舶总阻力。由此可以看出对气泡运动的精准操控对上述诸多工业问题来说非常重要。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。

在静止液态流体中，气泡自由上升时轨迹有直线、之字形和螺旋型三种情况，之字形与螺旋型轨迹具有小幅度的周期性左右振荡，气泡的横向迁移幅度较小且速度不稳定，导致气泡的运动范围并不大。

目前为了满足稳定控制气泡的运动轨迹，已有在平面上、丝上制作超亲气轨道来控制气泡上升的研究，但是利用平面以及丝轨道很大程度上限制了气泡运动的自由度，所以在控制气泡运动轨迹的同时，实现气泡自发输运显得尤为重要。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种控制气泡定向输运同时保证气泡上升拥有较大自由度的方法，即利用尾翼控制气泡的运动轨迹与速度。

一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法，具体是：

所述的尾翼由主翼以及气泡附着侧翼组成，两者之间的夹角为θ；气泡附着于侧翼后，带动尾翼一起沿一定角度斜向上运动，通过控制气泡直径、尾翼形状、尾翼材质、尾翼展弦比k以及夹角θ的不同来调控气泡上升运动轨迹形态和上升速度。

与现有技术相比较，本发明的有益效果为：

(1) 本发明中涉及的尾翼制作简便，成本低廉，在实际应用中无需外部能源输入，仅依靠气泡自身的浮力以及侧翼涂层的壁面粘附力，再通过尾翼操控可实现气泡大幅度的自发横向迁移以及上升速度的控制；不同于超疏水平面与丝轨道，通过尾翼操控气泡输运一定程度上保留了气泡的自由度。

(2) 本发明中仅需尾翼即可实现对气泡的控制，适用性强，使用简单。在工程应用中可在尾翼上加装吸附指定物质的特殊设计，将大量该种尾翼投入需要浮选的水域，可通过气泡在不同形状与夹角的尾翼操控下上升轨迹不同的特点对不同物质进行浮选；尾翼可重复使用，节约成本以及人工费用。

（3）本发明的尾翼操控气泡方法在携带生物大分子、污水处理、微塑料处理方面应用前景广泛。

附图说明

图1为尾翼夹角θ、尾翼展弦比k (k = a/b)示意图；

图2为k = 3.3，θ = 30°时气泡运动轨迹叠加图，时间间隔为0.18；

图3为k = 2，θ = 30°时气泡运动轨迹叠加图，时间间隔为0.18；

图4为k = 1.5，θ = 45°时气泡运动轨迹叠加图，时间间隔为0.18。

图5为k = 2，θ = 150°时气泡运动轨迹叠加图，时间间隔为0.18。

具体实施方式

如图1所示，本发明中的尾翼整体由主翼1以及气泡附着侧翼2组成；主翼与侧翼为厚度远小于其平面尺寸的薄片；侧翼与主翼相连，表面有超疏水涂层，用于粘附气泡。通过调整侧翼与主翼之间的夹角θ可以准确控制气泡轨迹与尾翼初始朝向的倾角α。气泡附着于侧翼后，会带动尾翼一起沿一定角度斜向上运动，随着尾翼夹角θ以的变化，气泡运动轨迹与尾翼初始朝向3的倾角α会随之变化。相较于气泡自由上升运动，尾翼操控气泡可以实现大幅度的自发横向迁移。

本发明具体是将带有尾翼通过底座支架置于液体中，由于气泡附着侧翼表面涂层的超亲气性，在尾翼以合适的角度以及速度放置于液体中时，侧翼表面会均匀覆盖一层微米级的气膜。当液体中气泡与尾翼超亲气附着区接触时，侧翼与气泡之间的液膜发生破裂，并由此吸附气泡，气泡在附着区的粘附力的作用下，会铺满整个侧翼表面；同时气泡的浮力大于气泡与尾翼的重力，在钉扎作用下确保气泡可以实现上升运动，并随着气泡直径、尾翼形状、尾翼材质、尾翼展弦比k以及尾翼夹角θ的不同可以调控气泡上升运动轨迹形态和上升速度。

进一步说，所述的夹角θ为15°~180°。

进一步说，所述的尾翼主翼形状可以为四边形、三角形、圆形、椭圆形等多种不规则形状，也可以为T形、弧形与十字形等三维形状。

进一步说，所述的尾翼夹角θ在气泡运动过程中可控，与所述的尾翼形状搭配，可以实现气泡在上升过程中运动方向可变。

进一步说，所述的气泡等效直径d _eq 需根据不同大小的尾翼选用不同大小的气泡。

进一步说，所述的气泡附着侧翼超亲气涂层其水滴接触角为130°~180°，

进一步说，所述的尾翼可以为不锈钢、玻璃、金属、亚克力及其他工程材料。

进一步说，所述的尾翼材料为超疏水材料时，侧翼无需额外超疏水涂层。

进一步说，所述的涂层可以为纳米二氧化硅、氧化锌、干燥荷叶及其他满足要求的超疏水材料。

实施例：

将200微米的铝薄板放至预设好的CNC中，加工出理想的形状，再将加工好的铝薄板浸泡于去离子水中，用超声清洗机清洗30分钟，接着用无尘纸将铝薄板的水渍擦干，再将无水乙醇倒至无尘纸上对铝薄板正反表面进行擦拭，直至表面的杂至清理干净，用干净的压缩空气吹干待用。利用夹子、钳子与角度尺将侧翼2与主翼1弯折出不同的角度，将弯折出角度的尾翼摆放好，放置于通风橱中，接着用配置好的超疏水溶液对气泡附着侧翼所在的表面进行喷涂，喷涂后静置适当时间，将尾翼片放置真空干燥箱中20分钟以上，使超疏水溶液中的超疏水物质完全吸附在尾翼的侧翼表面上，形成一层超疏水涂层；如此重复上述的操作三遍，即可得到疏水性优良的超疏水涂层，待其冷却后取出，放置于液体中的底座支架上待用；真空干燥箱的工作参数：160℃、100%真空。

将喷涂好的尾翼以合理的角度放置于底座支架上方，侧翼表面会覆盖一层均匀的气膜，形成气泡附着区，利用注射泵与针嘴组合而成的气泡生成装置在侧翼下方释放气泡，气泡在接触侧翼表面的气膜后会铺展在附着区上，在钉扎效应作用下，气泡带动尾翼向上运动，尾翼控制气泡运动的方向。

在工程应用中，在不同参数的尾翼上加装可以吸附特定物质的装置，将大批量的尾翼置入需要对不同物质进行浮选的水域，尾翼上的特定装置会吸附不同的物质，在水域中生成气泡，尾翼侧翼与气泡粘附后自由上升，尾翼的参数不同气泡的运动轨迹不同，可完成对不同物质的分类浮选。

为了验证上述操控效果，采用高速阴影成像系统进行拍摄记录，相机选用Photron公司基于CCD技术研发的FASTCAM Mini UX 50高速相机，图像采集系统中主要考虑的参数是CCD高速相机的帧率以及分辨率，实验中拍摄的帧率是500ps，最大分辨率是1280×1024。

在尾翼参数k = 3.3，θ = 30°的工况下，气泡与侧翼表面涂层粘附在一起，气泡呈半圆形，在钉扎作用下气泡带动尾翼自由上升运动，运动轨迹近似于倾斜角度为50°的直线，上升速度为0.07m/s，见图2。

在尾翼参数k = 2，θ = 30°的工况下，气泡带动尾翼自由上升运动，运动轨迹近似于倾斜角度为60°的直线，上升速度为0.08m/s，见图3。

在尾翼参数k = 1.5，θ = 45°的工况下，气泡带动尾翼自由上升运动，运动轨迹近似于倾斜角度为65°的直线，上升速度为0.1m/s，见图4。

在尾翼参数k = 2，θ = 150°的工况下，气泡带动尾翼自由上升运动，运动轨迹近似于倾斜角度为90°的直线，上升速度为0.08m/s，见图5。

Claims (5)

1.一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法，其特征在于：

所述的尾翼由主翼以及气泡附着侧翼组成，两者之间的夹角为θ；气泡附着于侧翼后，带动尾翼一起沿一定角度斜向上运动，通过控制气泡直径、尾翼形状、尾翼材质、尾翼展弦比k以及夹角θ的不同来调控气泡上升运动轨迹形态和上升速度。

2.根据权利要求1所述的一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法，其特征在于：

所述的侧翼表面有超疏水涂层，用于粘附气泡；通过调整侧翼与主翼之间的夹角θ可准确控制气泡轨迹与尾翼初始朝向的倾角α。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法，其特征在于：所述的夹角θ为15°~180°。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法，其特征在于：所述的夹角θ在气泡运动过程中可控，与所述的尾翼形状搭配，实现气泡在上升过程中运动方向可变。

5.根据权利要求1所述的一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法，其特征在于：所述的尾翼主翼形状为四边形、三角形、圆形、椭圆形或T形、弧形、十字形。

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