CN213590427U

CN213590427U - 一种可调控气泡直线上升速度的超疏水轨道

Info

Publication number: CN213590427U
Application number: CN202022072405.XU
Authority: CN
Inventors: 王唯逸; 凃程旭; 包福兵; 尹招琴; 金积君
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2021-07-02
Anticipated expiration: 2030-09-21

Abstract

本实用新型公开了一种可调控气泡直线上升速度的超疏水轨道。本实用新型包括基板和设置于基板上的直线轨道，所述的直线轨道为超疏水区域，所述直线轨道背向基板凸起，凸起部分呈圆弧状。所述直线轨道宽度L为0.1～5D，用于调整气泡的迎流面积；所述直线轨道凸起的高度H为0.1～5D，用于调整气泡与轨道之间的接触线；通过改变宽度L和高度H实现气泡直线上升速度的调控；其中D为气泡等效直径。本实用新型在原有的平面超疏水轨道上增加了另一个调节气泡上浮速度的因素，即凸起高度，在相同环境下，气泡在轨道上的速度既能高于气泡自由上浮速度也能低于气泡自由上浮速度，使得气泡上浮速度的调控区间相比现有技术更大。

Description

一种可调控气泡直线上升速度的超疏水轨道

技术领域

本实用新型涉及一种可调控气泡直线上升速度的超疏水轨道，尤其涉及一种具有肋条突起的超疏水轨道，属于多相流和节能技术领域。

背景技术

气泡广泛存在于石油化工、生物、医药、流体机械等日常生活和工业生产中，气泡在人们的日常生活和工业生产中能够发挥积极的作用；例如气泡是有效的声波的散射体和吸收体、气泡参与海洋表面的气体交换，向污水中充入气体提高微生物的有氧呼吸，有助于水体清洁，利用船舰发动机水下排气运动尾流对水下船舰进行跟踪识别等。

对于有益于日常生活和工业生产的气泡，可以通过人工注射气泡或发泡的方法提高溶液中气泡的含量；但是气泡的存在也可能导致严重的危害。例如，当海洋中的气泡以相当剧烈的状态存在时，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。因此，寻求一种科学有效的方法操控溶液中的气泡至关重要。

自然界中各种各样的生物现象给予人类很多启迪，在不断向自然界探索和学习的过程中，人们发现荷叶、水稻叶、水黾腿、蝴蝶翅膀等动植物的部位均具备超疏水特性。

一般地，将水滴在表面的接触角大于150°且滚动角小于10°的固体表面称为超疏水表面，通常超疏水表面置于水或水溶液环境中，由于其表面附着的铠甲状薄气膜，超疏水表面表现出很强的超亲气特性，利用该特性可以实现气泡的精准操控，满足多样的工程需要，如矿物浮选。

气泡在液体中的运动极为复杂，其运动轨迹和速度存在很大的不确定性。除了重力和浮力的影响，气泡的尾流、变形等因素也至关重要，从而导致气泡在液体中的运动具有很强的随机性，很大程度上无法满足诸多工业过程中对气泡运动精准操控的需要。

发明内容

本实用新型提出的超疏水轨道是在已有的平面超疏水轨道基础上，提出具有直线肋条突起的超疏水轨道，通过调整肋条表面的几何尺寸，导致气泡运动模式改变的前提下，实现对气泡直线上浮运动速度的调控。

本实用新型解决技术问题所采取的技术方案为：

本实用新型包括基板和设置于基板上的直线轨道，所述的直线轨道为超疏水区域，所述直线轨道背向基板凸起，凸起部分呈圆弧状。

所述直线轨道宽度L为0.1～5D，用于调整气泡的迎流面积；

所述直线轨道凸起的高度H为0.1～5D，用于调整气泡与轨道之间的接触线；

通过改变宽度L和高度H实现气泡直线上升速度的调控；

其中D为气泡等效直径。

进一步说，所述超疏水轨道与水滴的接触角为150～180°。

进一步说，所述的基板为玻璃、金属或亚克力。

本实用新型与现有技术相比，具有的有益效果是：

本实用新型在原有的平面超疏水轨道上增加了另一个调节气泡上浮速度的因素，即凸起高度，在相同环境下，气泡在轨道上的速度既能高于气泡自由上浮速度也能低于气泡自由上浮速度，使得气泡上浮速度的调控区间相比现有技术更大，且本实用新型调控气泡轨迹与上浮速度的过程均无能量输入。

附图说明

图1 直线圆弧肋条超疏水轨道正视图；

图2 直线圆弧肋条超疏水轨道侧视图；

图3 直线圆弧肋条超疏水轨道截面图；

图4 不同圆弧高度H轨道下的气泡运动轨迹与形态；

图5 不同肋条宽度L轨道下的气泡运动轨迹与形态。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型的技术方案是：在沿气泡上浮的方向设置直线圆弧肋条的直线轨道。轨道宽度为L，高度为H。轨道部分为超疏水区域，其他部分为非超疏水区域。在超疏水轨道的超亲气性和液体表面张力的同时作用下，气泡会呈现为稳定的球状或非球状。将轨道完全浸于液体中时，液体中原本无规则自由上升的气泡接触到轨道后会沿着竖直圆弧肋条超疏水轨道运动。直线圆弧肋条轨道的肋条宽度L增加，气泡由于超疏水轨道的超亲气性在直线超疏水轨道上迅速铺展，使得气泡的迎流面积显著减小，气泡上浮速度得以增加；肋条轨道高度H的加大导致气泡与轨道之间的接触线增大，气泡上浮速度得以减缓。综上，通过改变直线圆弧肋条轨道的肋条宽度L、高度H实现气泡直线上升速度的调控。

其中轨道宽度L范围为0.1～5D，轨道高度H范围为0.1～5D，轨道与水滴的接触角为150～180°，超疏水基底材料可以为玻璃、金属、亚克力及其它亲水工程材料，D为气泡等效直径。

实施例：

如图1，图2，图3所示，在具有直线圆弧肋条的铝板1上喷涂超疏水轨道，仅在肋条表面具有超疏水涂层，而在其它基底区域为一般亲水或超亲水表面，超疏水轨道2沿气泡3上浮的方向设置。

液体中原本无规则自由上升的气泡3接触到轨道2后沿着直线运动，通过改变直线圆弧肋条超疏水轨道2的肋条宽度L、高度H实现气泡3上升速度的调控。在直线圆弧肋条超疏水轨道2的超亲气性和液体表面张力的同时作用下，气泡3会呈现为稳定的球状或非球状。将直线圆弧肋条超疏水轨道2完全浸于液体中时，直线圆弧肋条轨道2下端与气泡3产生处位于同一水平面，为了使得轨道2更好的捕捉气泡3，轨道2肋条应与气泡3产生处保持0-3D的距离。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2对上升气泡3捕捉能力及气泡3实际上浮速度及轨迹的控制效果较为理想。

气泡3在水中自然上浮的速度约为0.25～0.33m/s。如图4（轨道肋条宽度L一致，从左至右的高度分别为：H=0.4mm、H=0.3mm、H=0.2mm），图5（轨道肋条高度H一致，从左至右的宽度分别为：L=0.4mm、L=0.3mm、L=0.2mm）所示为气泡3附着在直线圆弧肋条超疏水轨道2上的运动轨迹与气泡3形态。

在气泡3直径D一定且直线圆弧肋条超疏水轨道2肋条宽度L大于0.1D小于0.3D时，由于轨道2宽度小于气泡3直径，气泡3所受浮力与气泡的迎流面积较大；在直线圆弧肋条超疏水轨道2的高度取值为0.1D≤H≤0.5D，气泡3沿直线圆弧肋条超疏水轨道2上浮的速度为0.15～0.3m/s，随着直线圆弧肋条超疏水轨道2高度的增加，即0.5D＜H≤5D，气泡3与直线圆弧肋条超疏水轨道2的接触线增加，气泡3上浮速度明显降低，气泡3的上浮速度约为0.05～0.2m/s。

当超疏水轨道2宽度大于0.3D小于5D时，由于轨道2宽度大于气泡3直径，附着在超疏水轨道2上的气泡3会沿着轨道2上下两端进行铺展，气泡3所受浮力与气泡3的迎流面积较小；在直线圆弧肋条超疏水轨道2的高度取值为0.1D≤H≤0.4D，气泡3沿直线圆弧肋条超疏水轨道2上浮的速度为0.27～1.1m/s，随着直线圆弧肋条超疏水轨道2高度的增加，即0.4D＜H≤5D，气泡3与直线圆弧肋条超疏水轨道2的接触线相应增加，气泡3上浮速度也存在明显降低，气泡3的上浮速度约为0.23～0.96m/s。由此，本实用新型在现有技术手段通过改变轨道2宽度调控速度的基础上增加改变肋条高度使得气泡3直线上浮速度调控区间拓展。

综上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种可调控气泡直线上升速度的超疏水轨道，包括基板和设置于基板上的直线轨道，所述的直线轨道为超疏水区域，

其特征在于：

所述直线轨道背向基板凸起，凸起部分呈圆弧状；

所述直线轨道宽度L为0.1～5D，用于调整气泡的迎流面积；

所述直线轨道凸起的高度H为0.1～5D，用于调整导致气泡与轨道之间的接触线；

通过改变宽度L和高度H实现气泡直线上升速度的调控；

其中D为气泡等效直径。

2.根据权利要求1所述的一种可调控气泡直线上升速度的超疏水轨道，其特征在于：所述超疏水轨道与水滴的接触角为150～180°。

3.根据权利要求1所述的一种可调控气泡直线上升速度的超疏水轨道，其特征在于：所述的基板为玻璃、金属或亚克力。