水中氣泡運動規(guī)律的PIV實驗研究.pdf

1、水氣兩相流廣泛地存在于各個領域，由于其流動復雜性和實驗量測手段的限制，使氣泡在水流中運動特性的了解和認識不夠深入。單個氣泡在靜水中上升運動的研究排除了各種復雜因素，是摻氣水流理想狀態(tài)下的研究方式，能夠為分析摻氣水流流場信息提供參考和幫助。本文運用PIV測量技術和數(shù)字圖像處理技術，分別對靜水中和泄洪洞反弧段水流中單個氣泡的上升過程進行實驗研究，分析了氣泡在靜水中的運動規(guī)律，并初步探索了氣泡在反弧段水流中的運動規(guī)律，主要研究內(nèi)容和成果如下：

2、
　　 (l)總結(jié)分析了PIV技術在氣泡運動參數(shù)測量中的應用，可以測量的摻氣水流運動參數(shù)包括氣泡尺寸、形狀、運動軌跡、運動速度、運動加速度、水流自由液面等。
　　 (2)設計了分析靜水氣泡運動規(guī)律的實驗裝置及實驗方案，運用PIV測量技術獲取了單個氣泡的運動參數(shù)，包括氣泡特征尺寸、瞬時速度、上升軌跡等，分析了氣泡上升運動規(guī)律。得到了若干明確、詳盡的實驗結(jié)論，為后續(xù)實驗研究或數(shù)值分析計算提供參考和模型選擇依據(jù)。
　　

3、 (3)實現(xiàn)了靜水中亞毫米級氣泡變形情況的觀察和描述，認為考慮氣泡變形影響的臨界直徑在dep=0.5mm～1mm范圍內(nèi)。驗證了在蒸餾水中We數(shù)比Eo數(shù)更好地反映E值變化趨勢，且Taylor等提出的預測式最合適。
　　 (4)分析了氣泡瞬時速度變化規(guī)律，并提出在一定尺寸范圍內(nèi)，標準化瞬時速度與標準化E值呈現(xiàn)良好的y=-x線性對應關系。
　　 (5)提出了dep=1.7mm～2mm為靜水中氣泡終速度拐點，并驗證了文獻中的終速

4、度預測式，認為Jamialahmadi式適合本文尺寸范圍氣泡的終速度預測，誤差小于10％。
　　 (6)實現(xiàn)了兩部高速攝像機同步記錄，得到靜水中氣泡上升三維軌跡。隨著氣泡直徑增加，軌跡由直線形向Z字形、螺旋形轉(zhuǎn)變。提出了Eo=0.5、Re=750為直線形和Z字形軌跡轉(zhuǎn)變臨界值。當Eo＞0.8、Re＞800時氣泡運動軌跡為Z字形或螺旋形，軌跡形態(tài)比較隨機，沒有明顯的臨界值。
　　 (7)驗證了國內(nèi)外文獻提出的阻力系數(shù)預測式

5、，得出Tomjyama等給出的預測式最適用于本文尺寸范圍氣泡，為數(shù)值模擬計算選擇阻力系數(shù)模型提供參考。
　　 (8)分析了氣泡在靜水中上升受力情況，認為阻力和浮力為主要作用力，慣性力和視質(zhì)量力的作用需要考慮，可以忽略Basset力、Magnus升力、重力的作用。
　　 (9)對反弧段水流中氣泡受力情況初步探索分析，認為對于微氣泡來說升力占主要地位，其次為阻力，慣性力、視質(zhì)量力需要考慮，Bassot力可以忽略；而對于中等尺