毛細(xì)管管口氣泡生長(zhǎng)及脫離特性研究.pdf

1、氣泡動(dòng)力學(xué)是近代逐步發(fā)展的一個(gè)分支學(xué)科，它主要研究氣泡生長(zhǎng)脫離過程的規(guī)律和條件。從研究單個(gè)氣泡的形成、生長(zhǎng)和脫離過程入手，研究氣泡運(yùn)動(dòng)過程中氣液兩相流的傳熱傳質(zhì)過程和機(jī)理，在相關(guān)理論模型中用來表征氣泡動(dòng)力過程的主要參數(shù)包括氣泡脫離直徑和脫離周期。氣泡動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)于弄清多孔結(jié)構(gòu)材料界面處氣液兩相流動(dòng)的傳熱傳質(zhì)機(jī)理具有重要意義。本文主要利用高速攝影儀對(duì)不同條件下毛細(xì)管管口氣泡的生長(zhǎng)脫離過程進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)研究。主要研究工作和結(jié)論如下：

2、 (1)在液體流道內(nèi)流體為靜止?fàn)顟B(tài)條件下，研究了毛細(xì)管管徑、毛細(xì)管管壁浸潤(rùn)性、氣體流量、注氣室容積以及毛細(xì)管傾斜角度等因素對(duì)毛細(xì)管管口氣泡生長(zhǎng)脫離過程的影響情況。依據(jù)氣泡動(dòng)力學(xué)理論，采用球狀模型對(duì)氣泡在快速生長(zhǎng)階段中接觸角的變化規(guī)律進(jìn)行了理論計(jì)算和分析。 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)毛細(xì)管管口氣泡在生長(zhǎng)過程中存在生長(zhǎng)初期、快速生長(zhǎng)期、緩慢生長(zhǎng)末期等三個(gè)區(qū)域，而對(duì)應(yīng)的氣-液相界面接觸角在不同的生長(zhǎng)階段具有不同的變化規(guī)律。在氣泡生長(zhǎng)初期，氣液接觸角

3、緩慢減小，進(jìn)入快速生長(zhǎng)階段后，氣液接觸角迅速減小，隨后氣泡開始脫離毛細(xì)管管口，接觸角迅速增大直到氣泡脫離毛細(xì)管管口。 依據(jù)質(zhì)量守恒定律、理想氣體狀態(tài)方程和拉普拉斯方程，對(duì)毛細(xì)管管口氣泡進(jìn)入快速生長(zhǎng)階段后的氣液接觸角變化規(guī)律進(jìn)行理論計(jì)算和分析，最終得到的計(jì)算結(jié)果表明，氣泡在快速生長(zhǎng)階段，氣液接觸角隨時(shí)間迅速減小，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的氣液接觸角變化趨勢(shì)基本一致。 隨著毛細(xì)管管徑的增大，氣泡的脫離直徑隨之增大，生長(zhǎng)脫離周期減小；氣

4、流量越大，氣泡脫離直徑越大，生長(zhǎng)脫離周期越小；注氣室容積變化對(duì)氣泡的脫離直徑影響很小，但隨著注氣室容積增大，氣泡的生長(zhǎng)脫離周期增大。 氣泡在親水性毛細(xì)管和憎水性毛細(xì)管管口的生長(zhǎng)脫離過程有著明顯的差異。氣泡在憎水性毛細(xì)管管口生長(zhǎng)時(shí)氣固液三相接觸線會(huì)隨著氣泡的長(zhǎng)大而發(fā)生沿毛細(xì)管管口徑向遷移。另外，憎水性毛細(xì)管管口氣泡的脫離體積要小于親水性毛細(xì)管管口氣泡的脫離體積。 毛細(xì)管的傾斜會(huì)導(dǎo)致管口氣泡在浮升力的作用下呈非對(duì)稱性生長(zhǎng)。毛

5、細(xì)管傾斜角度的增大使得管口氣泡的脫離體積和脫離直徑減小。另外，隨著傾斜角度的增大，在氣泡脫離毛細(xì)管管口后，液體的回流量隨之減少。 (2)在液體流動(dòng)條件下，通過對(duì)不同浸潤(rùn)性的毛細(xì)管管口氣泡生長(zhǎng)脫離過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和分析，討論液體流速等參數(shù)對(duì)氣泡在毛細(xì)管管口運(yùn)動(dòng)過程的影響情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,氣泡在浸潤(rùn)性不同的毛細(xì)管管口的脫離周期和脫離直徑都隨著液體流速的增大而減小。另外，毛細(xì)管材料浸潤(rùn)性對(duì)氣泡在液體流動(dòng)條件下的生長(zhǎng)脫離過程的影響要小

6、于液體滯止時(shí)毛細(xì)管材料浸潤(rùn)性對(duì)氣泡生長(zhǎng)脫離的影響。由此可見，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，液體運(yùn)動(dòng)對(duì)氣泡所產(chǎn)生的橫向作用力是影響氣泡生長(zhǎng)脫離過程的主要因素之一。 通過對(duì)相同實(shí)驗(yàn)條件下兩種浸潤(rùn)性材料的毛細(xì)管管口氣泡生長(zhǎng)脫離過程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析得知，隨著液體流速的增大，親水性毛細(xì)管管口氣泡的脫離周期的下降速度跟憎水性材料的毛細(xì)管管口氣泡的脫離周期的下降速度基本相同；而隨著液體流速的增大，憎水性材料毛細(xì)管管口氣泡的脫離直徑的降幅要大于親水性毛細(xì)管。

7、 (3)在不同氣體流量條件下，利用高速攝影儀對(duì)雙聯(lián)毛細(xì)管管口氣泡的生長(zhǎng)脫離以及相互影響情況進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)。研究和分析雙聯(lián)毛細(xì)管管口氣泡的生長(zhǎng)脫離過程以及管口氣泡間的相互影響情況。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)液體淹沒雙聯(lián)毛細(xì)管管口時(shí)，在管內(nèi)無氣體流動(dòng)情況下，管徑大的毛細(xì)管將成為液體通道，而管徑小的則為氣體通道；親水管成為液體通道，而憎水管成為氣體通道；在有氣體流動(dòng)情況下，管徑大的毛細(xì)管成為氣體通道，而管徑小的則成為液體通道。當(dāng)氣室的進(jìn)氣流