CN114956241A - 一种控制气泡滑移速度以矩形脉冲信号变化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制气泡滑移速度以矩形脉冲信号变化的方法。本发明是在平面超疏水表面上制作出直线超疏水轨道，使得除了超疏水轨道区域，其他基底平面区域为非疏水表面；在超疏水轨道上设置矩形条状缺陷，矩形条状缺陷为非超疏水状态；通过控制矩形条状缺陷的宽度来调控气泡滑移速度的大小；通过控制矩形条状缺陷的长度来控制气泡在低滑移速度下的运动时长；通过协同控制矩形条状缺陷的宽度和长度来操控气泡在超疏水轨道上的滑移速度按矩形脉冲时域信号的规律进行变化。本发明可以控制速度下降的幅度和维持不同速度的时长。本发明采用的是开放壁面无外部能源驱动的方法，主要依靠浮力和超疏水轨道的约束作为气泡的驱动力。

Description

一种控制气泡滑移速度以矩形脉冲信号变化的方法
技术领域
本发明属于气泡操控技术领域，具体涉及利用超疏水轨道对气泡滑移速度进行编译，实现速度以矩形脉冲信号规律进行变化。
背景技术
在现代工业生产中，例如能源动力工程中的锅炉，石油、天然气的输送过程，冶金工程中的熔炼炉，化学工程设备中的各式气—液反应器，生物环境工程中的污水处理过程和造纸过程，选矿工程中的浮选过程中，常常伴随着大量气泡分散于液体中的现象。
在诸如石油化工、能源、污水处理、船舶设计等工程设备和技术领域，气泡被广泛地运用。液态流体中上升气泡的操控对矿物泡沫浮选、热交换系统、鼓泡反应器、污水处理和水力减阻等过程至关重要。例如，当海洋中的气泡以相当剧烈的状态存在时，将成为引起船舶螺桨破坏的主要原因；在纤维的纺丝液及高分子溶液中，如果气泡无法排除会导致生产的纤维出现毛丝、断丝等现象，大量气泡的聚集还可能出现气爆。在矿物泡沫浮选时，要求气泡在液相中更长的停留时间和运动历程来保证吸附更多的矿物；相反在微流控和热交换系统中则需要气泡更快离开。因此，寻求一种科学有效的方法操控溶液中的气泡的运动速度和轨迹至关重要。
目前，由于气泡在水中始终受到浮力及其周围流体作用力的影响，操控液体中气泡的定向运输面临诸多挑战。例如，如何利用超疏水轨道对滑动气泡的速度进行精准的控制或编译。该问题的解决将有助于控制气泡融合或分裂前的初始速度，以及目标区域的巡航速度和调节浮选过程中气泡的颗粒或液滴吸附能力，在矿物浮选，污水处理和生物孵化等领域具有潜在重要影响。如调节浮选过程中，液体中气泡与其附近颗粒或液滴之间的碰撞速度只有在某个特定的范围才能够发生两者的吸附，在工程应用中就需要对气泡滑移速度进行较为精确的控制，即当气泡速度以近似矩形脉冲信号进行变化时，可实现对气泡速度在不同特定值上的切换，有利于气泡从该区域低速运动吸附颗粒或液滴，到达另一区域高速运动进行释放。
发明内容
为了实现超疏水轨道上气泡滑移速度按照矩形脉冲信号变化的要求，本发明提供了一种利用超疏水轨道的矩形条状缺陷将气泡沿其路径的行进速度编译成矩形脉冲信号的操控方法。
一种控制气泡滑移速度以矩形脉冲信号变化的方法：
在平面超疏水表面上制作出直线超疏水轨道，使得除了超疏水轨道区域，其他基底平面区域为非疏水表面；
在超疏水轨道上设置矩形条状缺陷，矩形条状缺陷为非超疏水状态；
通过控制矩形条状缺陷的宽度来调控气泡滑移速度的大小；
通过控制矩形条状缺陷的长度来控制气泡在低滑移速度下的运动时长；
通过协同控制矩形条状缺陷的宽度和长度来操控气泡在超疏水轨道上的滑移速度按矩形脉冲时域信号的规律进行变化。
与现有的技术相比较，本发明的有益效果是：
（1）本发明可以控制速度下降的幅度和维持不同速度的时长。
（2）本发明采用的是开放壁面无外部能源驱动的方法，主要依靠浮力和超疏水轨道的约束作为气泡的驱动力。
（3）本发明简单可行、成本低、适合规模化生产。
（4）本发明应用领域广泛，如矿物浮选、污水处理、生物孵化、超疏水减阻等。
附图说明
图1是超疏水轨道的实验装置正视示意图。
图2是超疏水轨道上矩形条状缺陷的参数定义图。
图3a是气泡在缺陷宽度为0.6mm，缺陷长度为20mm下的实测阴影成像过程图。
图3b是气泡在缺陷宽度为0.6mm，缺陷长度为20mm下的实测滑移速度散点图和速度拟合曲线图。
图4a是气泡在缺陷宽度为0.6mm，缺陷长度为60mm下的实测阴影成像过程图。
图4b是气泡在缺陷宽度为0.6mm，缺陷长度为60mm下的实测滑移速度散点图和速度拟合曲线图。
图5a是气泡在缺陷宽度为0.2mm，缺陷长度为40mm下的实测阴影成像过程图。
图5b是气泡在缺陷宽度为0.2mm，缺陷长度为40mm下的实测滑移速度散点图和速度拟合曲线图。
图6a是气泡在缺陷宽度为0.2mm，缺陷长度为40mm下的实测阴影成像过程图。
图6b是气泡在缺陷宽度为0.2mm，缺陷长度为40mm下的实测滑移速度散点图和速度拟合曲线图。
附图中的标号分别为：
1、玻璃板；2、矩形条状缺陷；3、超疏水轨道；4、固定螺钉；5、铝型材；6、纯净水；7、水箱；8、喷嘴；9、气泡。
具体实施方式
本发明通过在平面超疏水表面上制作出直线超疏水轨道，使得除了超疏水轨道区域，其他基底平面区域为非疏水表面，进一步在超疏水轨道上设置矩形缺陷，使缺陷区域为非超疏水状态，矩形缺陷的长边与超疏水轨道纵向平行。通过控制矩形条状缺陷的宽度W d来调控气泡滑移速度的大小；通过控制矩形条状缺陷的长度L来控制气泡在低滑移速度下的运动时长；通过协同控制矩形缺陷的宽度和长度来操控气泡在超疏水轨道上的滑移速度按矩形脉冲时域信号的规律进行变化。
所述的矩形缺陷可以有多个，不同矩形缺陷的宽度和长度都可以不同；
所述的超疏水轨道可以为竖直或倾斜；
所述的气泡滑移速度的矩形脉冲信号可以为等周期或者变周期；
所述的流体介质可以为的牛顿流体或者非牛顿流体；
下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：
本实施以具有矩形条状缺陷的超疏水轨道图2为例。以玻璃板1作为基底，喷涂上一层超疏水纳米SiO2溶液（纳米SiO2占溶液成分的0.1~3%），形成超疏水壁面。将具有超疏水壁面的玻璃板进行图案化雕刻，形成具有矩形条状缺陷2的超疏水轨道3。矩形条状缺陷是破坏了超疏水涂层生成的，不具有超疏水性。将玻璃板用固定螺钉4固定在铝型材5上，缓缓放到注入了一部分纯净水6的水箱7中，底部固定着一个可以更换的喷嘴8，用于产生不同大小的气泡9。
当纯净水浸没超疏水轨道，气泡在浮力的作用下自由上浮，在接触到超疏水轨道时，由于超疏水轨道的超亲气性，气泡会被超疏水轨道捕捉。之后，在浮力和超疏水轨道对气泡的约束力的作用下，气泡沿着超疏水轨道定向滑移。一旦上升气泡接触到矩形条状缺陷，由于气泡变形导致其迎风面积显著增加，上升速度迅速降低。一方面，矩形条状缺陷宽度W d=0.6mm的轨道使气泡速度从0.61m/s减到0.28m/s，然而随着缺陷长度L从20mm增加到60mm，气泡低速滑移的运动时长可以线性增大（约增加了142.8ms），相当于矩形脉冲信号减弱时的宽度增大，如图3b和图4b所示。另一方面，矩形条状缺陷宽度W d的增加（从0.2mm到0.6mm）进一步导致了滑移速度的下降（从0.31m/s 到0.15m/s），相当于矩形脉冲信号的幅度增大，如图5b和图6b所示。
整个实测阴影成像过程如图3a、4a、5a、6a所示，图上的气泡为每隔25ms拍摄的形态图的叠加。
本发明不局限于上述的实施方式，凡依本发明申请范围所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种控制气泡滑移速度以矩形脉冲信号变化的方法，其特征在于：
在平面超疏水表面上制作出直线超疏水轨道，使得除了超疏水轨道区域，其他基底平面区域为非疏水表面；
在超疏水轨道上设置矩形条状缺陷，矩形条状缺陷为非超疏水状态；
通过控制矩形条状缺陷的宽度来调控气泡滑移速度的大小；
通过控制矩形条状缺陷的长度来控制气泡在低滑移速度下的运动时长；
通过协同控制矩形条状缺陷的宽度和长度来操控气泡在超疏水轨道上的滑移速度按矩形脉冲时域信号的规律进行变化。
2.根据权利要求1所述的一种控制气泡滑移速度以矩形脉冲信号变化的方法，其特征在于：所述矩形条状缺陷的长边与超疏水轨道纵向平行。
3.根据权利要求1所述的一种控制气泡滑移速度以矩形脉冲信号变化的方法，其特征在于：所述的矩形条状缺陷至少一个以上。
4.根据权利要求3所述的一种控制气泡滑移速度以矩形脉冲信号变化的方法，其特征在于：不同矩形条状缺陷的宽度和长度都不同。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种控制气泡滑移速度以矩形脉冲信号变化的方法，其特征在于：所述的超疏水轨道为竖直或倾斜。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的一种控制气泡滑移速度以矩形脉冲信号变化的方法，其特征在于：所述的气泡滑移速度的矩形脉冲信号为等周期或者变周期。
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