（化工过程机械专业论文）微气泡生成技术的试验研究.pdf

摘要 微气泡已经被人们广泛的应用在动力、化工、采矿、石油等领域，在石油工业中， 由于重、渣油的粘度大，燃烧不完全，造成能源的极大浪费。所以，研究者们想到了将 微气泡注入到重、渣油中，这样便可形成巨大数目的气泡，从而增加了液体燃料的燃烧 面积，提高了燃烧效率。本文首先从理论上对气泡的生成、气泡在液体中的行为、气泡 发生器的结构进行分析，得到了能够表达气泡发生器内部压力、流量和几何尺寸之间关 系，并反映其内部能量变化的气泡发生器的基本性能方程。在理论的指导下，设计了两 种气泡发生器，并通过试验对比了两种不同结构的气泡发生器的性能。在试验中，气体 介质采用压缩空气，液体介质采用水，主要是通过改变气泡发生器的结构和操作参数( 气 体压力、液体压力、气体流量、液体流量等) ，对混合腔内气液混合现象、气泡流以及 各因素对生成气泡尺寸的影响进行了大量的试验。采用数字高速摄像仪对不同工况下的 气泡流场进行观测，并利用与之相配合使用的软件进行分析、处理。试验中气体压力和 液体压力在o 1 m p a - - 一o 5 m p a 之间变化，属小流量操作工况。对试验结果分析发现：气 孔直径、进气方式、混合腔结构、出口位置以及操作参数对气泡的尺寸都有影响。在小 流量下，气孔的大小对气泡尺寸的影响比较显著，其中进气方式也是重要的影响因素。 关键词：气泡流，微气泡，气泡尺寸，高速摄像仪 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt e c h n o l o g yo fm i c r o - b u b b l e sg e n e r a t i o n c h e nr u y a n ( c h e m i c a lp r o c e s se q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o q i ux i n g q i a b s t r a c t m i c r o - b u b b l e sh a da l r e a d yb e e nw i d e l yu s e di nt h ee n e r g y , c h e m i c a l s ，m i n i n g ，o i la n d o t h e rf i e l d s i nt h eo i li n d u s t r y , b e c a u s eo fh e a v yr e s i d u a lo i lv i s c o s i t ya n di n c o m p l e t e l y c o m b u s t i o nr e s u l t e di nag r e a tw a s t eo fe n e r g y t h e r e f o r e ，t h em i c r o b u b b l e sw e r ei n j e c t e d i n t ot h eh e a v ya n dr e s i d u u mo i l ，ah u g en u m b e ro fb u b b l e sw a sf o r m e d ，t h u si n c r e a s i n gt h e c o m b u s t i o na r e ao fl i q u i df u e l ，i m p r o v e dc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , t h et h e o r yo f t h eb u b b l ef o r m a t i o n ，b u b b l eg e n e r a t o ra n a l y s i so ft h es t r u c t u r e ，h a db e e na b l et oe x p r e s s b u b b l eg e n e r a t o ri n t e m a lp r e s s u r e ，f l o wr a t ea n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es e v e r a l d i m e n s i o n s ，a n dt or e f l e c tc h a n g e si ni t si n t e r n a le n e r g yo ft h eb a s i cp e r f o r m a n c eo ft h e b u b b l eg e n e r a t o re q u a t i o n ，d e s i g n e dt w ob u b b l eg e n e r a t o r su n d e rt h eg u i d a n c eo ft h e o r y , a n dt h r o u g ht h ec o n t r a s tb e t w e e nt w od i f f e r e n ts t r u c t u r e so ft h eb u b b l e g e n e r a t o r p e r f o r m a n c e i nt h ee x p e r i m e n t ，g a sm e d i u mu s e dc o m p r e s s e da i r , t h el i q u i dm e d i u mu s e d w a t e r , m a i n l yb yc h a n g i n gt h es t r u c t u r eo fb u b b l eg e n e r a t o ra n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s ( g a s p r e s s u r e ，l i q u i dp r e s s u r e ，g a sf l o wa n dl i q u i df l o w , e t c ) ，al a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sw a s d i d ，i no r d e rt oo b s e r v e dm i x e dg a s - l i q u i dm i x t u r ec a v i t yp h e n o m e n o n ，b u b b l yf l o wa n dt h e i m p a c to fg e n e r a t e ds i z eo fb u b b l e s u s i n gh i g h s p e e dp h o t o g r a p hf o rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s o nt h eb u b b l yf l o wf i e l do b s e r v a t i o n s ，a n du s i n gc o m p a t i b l e 诵t 1 1t h es o f t w a r eu s e df o r a n a l y s i s ，p r o c e s s i n g t e s tg a sa n dl i q u i dp r e s s u r ew a ss e ti nt h ep r e s s u r eo fo 1m p at o 0 5 m p a , i nt h es t a t u so fs m a l lf l o wo p e r a t i v e s a n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，w ef o u n d t h a td i a m e t e ro ft h ep o r ea i r , m i x e d c a v i t ys t r u c t u r e ，e x p o r tl o c a t i o na n dt h eo p e r m i o no ft h e p a r a m e t e r sh a de f f e c to nt h es i z eo ft h eb u b b l e i nas m a l lf l o w , t h eb u b b l es i z ew a s i n f l u e n c e ds i g n i f i c a n t l yb yt h ep o r es i z e ，t h ei n t a k em e a n so ft h ea i rw a sa ni m p o r t a n te f f e c t f a c t o r k e y w o r d s ：b u b b l yf l o w , m i c r o b u b b l e s ，s i z eo fb u b b l e s ，h i g h s p e e dp h o t o g r a p h 主要符号表 力一出口直径，m i l l ；p g r 气体压力，p a ； 略进气管直径，f i l m ；凡液体压力，p a ； 卜进液管直径，m m l 昂、巧、鼬标定介质( 即氢气) 在标 办一迸液喷嘴直径，m m ； 准状态下的绝对压力、绝对温度和密度； d 厂气泡直径，m m ； b 、五、风被测气体在测量时的绝 卜气泡的纵向象素值f i 和横向象素 对压力、绝对温度以及被测气体在标准状 值毋的比值： 态下的密度； 局纵向象素，p i x ； 广流量比； 尼横向象素值，p i x ；9 _ 体体积流量，l l l ； r 重力加速度，n 埏；驮广一气体进口处的体积流量，l l l ； 卜压力比；q 广工作水体积流量，l h ： 卜扩散段长度，m m ： q 流量计的读数，l h ； 卜喉管长度，l m 。 g 试际流量值，l 佑； 厶。液体进口离喉管的距离喉嘴 ，微珠大小，i m ； 距，n l i l l ； 乙实际距离，m m ； r 前后两帧图像的颗粒位移矢量， 三c 喉嘴距，i m ； m m 。 三厂喉管及混合室长度，i l u n ； 气泡半径，r n l i l ； 附一面积比； r 摩尔常数； m 摩尔质量，k g m o l l足l 气体分布器气孔半径，r n l n ； 卜图像上的像素个数；r 2 喉管半径，m n l ； 瑚一出口压力，p a ； 卜图像上的距离，n u n ； 玩- 一吸气压力，p a ； 卜两帧图像之间的时间间隔，s ； p 广液体进口压力，p a 。 品液体的表面张力，n m ； p 蒸气压力，p a ： 1 ，_ 一速度矢量，i i 以； 昂正常蒸气压力，p a ；瞻一第一阶段里产生的容积，m 3 ： v 珞一最终的气泡容积，m 3 ； 蚝旷气体折算流速，m s ； 珞i 瘦体折算流速，m s ； 磁厂气体流量，m 3 h ； 既液体流量，m 3 h ： r 喉管入口收缩角，。； 卜扩散管出口扩散角，。； 7 液体表面张力，n m ： 鲐一收缩段收缩角，。； 如一扩张段收缩角，。： p 液体密度，k g m 3 ； n 从半径的孔1 3 冒出来的气体的 密度，k g m 3 ； 见液体密度，k g m 3 ； r 脱离过程所持续的时间，s ； 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 酶虹皂。 日期：堋年6 月q - e t 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名：纽盘照。 指导教师签名：每纽舡 日期：砂n 8 年6 月牛t t 日期：砷年莎月彳 e l 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论帚一早三百y 匕 微气泡的形成是气液两相流的一种物理现象，利用微气泡的形成及微气泡的物理化 学性质，已经被人们广泛的应用于动力、化工、采矿、核能、环境、石油、冶金、医学 等领域。 在钻井领域，微气泡钻井液可有效保护地层。在井下循环时，微气泡受到压缩，其 内外压力比例增大。压力和温度的升高可给微气泡提供能量。当钻遇到低压地层时，它 就会聚集在打开的低压地层内，微气泡储存的能量使其膨胀直到内外压力达到平衡。当 微气泡进入地层孔隙入口时，它携带的能量就等于环空压力。当它们挤满孔隙入口时， 外力急剧增大，使其聚集在一起。由这一现象形成的微环境，可使游离固相桥堵，防止 钻井液和滤液及其固相进入低压地层。这类微气泡不能合并，只能保持游离状态，而形 成坚固的独特气泡网。此外，每个气泡还可以在井底压力的作用下，发挥柔性减震器的 作用，防止流体进入地层【l 】。 在石油工业中，由于重、渣油的粘度大，燃烧不完全，造成能源的浪费。可以将气 体注入到重、渣油中，形成巨大数目的微气泡，薄气泡膜在空气动力作用下破裂，形成 了许多小的液滴，可以增加液体燃料与空气之间的接触面积，提高液体燃料的蒸发速度。 雾化后的液滴直径越小，其总的表面积就越大，也就越容易燃烧。通过微气泡的产生提 高了雾化效果，使燃烧更完全，可有效地节约能源。 美国与澳大利亚科研机构合作研发的一种高科技成果，即o r d 浓缩水溶氧技术【2 j ， 该技术将双元溶解氧、脱离子活性水和大西洋海盐组成高浓度含氧水溶液，是当今世界 上第一种，也是唯一一种p h 值与自然相同的稳定的液体含氧水，其含氧量是普通水的 一万多倍，使人体通过喝水来补充氧。这项技术会有效改善和解决科研人员、运动员、 长期工作和生活压力过大造成缺氧导致亚健康或疾病发生的普通人群的缺氧问题。目 前，国内在此领域还没有得到理想的研究成果，仍处于探索阶段。 国外生成微气泡的技术是通过特殊的气泡发生器，将氧气在水中生成微气泡并使之 停留在水中，这样成本价格会比较高，不太适合普通人群的消费水平。从此问题出发， 我国的研究者将从经济性和便利性两方面考虑，来研究这项技术。 国内产生微气泡的技术，例如在鱼塘养殖业中是通过曝气器，用曝气器制造微气泡； 第一章绪论 在采矿领域也是利用微气泡进行浮选；在污水处理领域，是利用与采矿领域相同的制造 微气泡的原理得到微气泡；在船舶行业利用微气泡来减阻，通过引入微气泡可以减小船 舶在水中的摩擦阻力；但以上所述微气泡的应用，对气泡直径的要求没有那么严格，而 我们所研究的微气泡尺寸要小，从而对气泡直径提出了比较严格的要求，这就加大了我 国科研工作者的研究难度。 除了通过气泡发生器制造气泡外，现在国内在微气泡的生成方面的研究成果，比较 成熟的是，利用金属微孔管制造气泡，并且可得气泡直径大概在2 0 1 t m , - - - - 7 0 p m 。不同应 用领域对微气泡的定义也是不同的1 3 1 ，本文所研究的微气泡，是指气泡表面直径在l m m 左右的气泡。 1 2 研究内容 本课题是在理论分析的基础上进行试验研究，试验中气体介质采用压缩空气，掖体 介质采用水，以气泡发生器作为研究对象，对管内气液混合现象、气液流量和压力对管 内泡状流的影响、以及气泡发生器孔径对所产生气泡直径的影响进行研究；将利用实验 室已有的水平管内气泡流研究的试验装置，在此基础上进行深入的研究和改进，利用流 体力学、热力学和气液两相流的知识，分析微气泡的能量传递，从而设计出一套性能优 越的气泡生成装置。 采用数字高速摄像仪对不同工况下的气泡流场进行观测，并利用与之相配合使用的 软件进行分析、处理。具体内容如下： 1 气泡发生器及混合腔的结构设计 对于水平管内的气液两相流，由于流动的复杂性，在设计时气体的进气方式对产生 气泡的影响非常大，同时混合腔的结构对气泡尺寸也有较大的影响，混合流体的出口位 置对气泡的尺寸也有一定的影响。 2 试验装置建设 本试验是在气液流量比较小的工况下进行的，因此，只需在实验室搭建小型的试验 架。试验过程中需要测的物理量有：气体压力、液体压力、气体流量、液体流量等数据。 在论文过程中将对原有试验装置进行改进。 3 气泡发生器性能特性试验 试验的内容主要包括：气体分布器的进气方式、混合腔的结构、流体的出口位置及 操作参数对所生成气泡的影响。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 4 对试验数据进行处理分析，并得出结论 试验数据主要是利用与高速摄像仪配合的x c a p 软件进行处理，主要是利用此软 件来测量气泡直径、气泡在管内的水平位移、垂直位移，从而计算出气泡的水平速度和 垂直速度。 5 对气泡发生器的结构进行优化 通过对试验数据的分析处理，得到影响生成气泡尺寸的因素，从而对气泡发生器的 结构提出改进意见。 1 3 研究现状 1 3 1 气液两相流 气液两相流的研究，是随着工业技术需要发展起来的，特别是上世纪4 0 年代，由 于动力工程、化学工程、石油石化工程、原子能工程、航天工程及环境工程的兴起，气 液两相流研究日益受到重视，促使其形成一门完整的应用基础学科。在气液两相流中， 由于存在两相间相互作用，使相交界面易于变形，构成不同组合相界面，不同界面又构 成不同流型，不同流型又有不同流动和传热特性，在实际两相流系统的热工水力计算中， 依据流型建立流动与传热计算公式。因此，两相流流型的研究是两相流动和计算的基本 依据【4 】。 气液两相流是气( 汽) 液两相组合在一起共同流动，包括气相、液相、气液界面三 部分。气相易于压缩，使界面变化与组合复杂多变。在气液、气固、液固和液液四种两 相组合中，气液两相流动最为复杂，对气液两相流的研究可以促进两相流学科其它问题 的分析研究。由于流型变化会使两相流界面重新分配，使气液两相流动机理和传热机理 发生变化，引起流动阻力和传热量变化。 1 水平管内气液两相流流型 水平管内两相流流动的流型与垂直管内的流型基本上相同【5 1 ，主要区别在于：一、 在水平管内由于受重力的影响，气相沿管子横截面的分布是不对称的，在管子上部的含 气率较大；二、在水平管内可能出现气水分层流动。但当液相流速很大时，重力对流型 的影响显著减小，则气相分布变得比较对称，也就是更接近垂直管中的流型。 根据o s h i n o w o 6 】的划分原则，水平管道中的流型可划分为以下六种，如图1 1 所示。 由于在气液两相流动过程中，两相均为可变形流体，因此两相界面是不断变化的， 所以气液两相流的流型极为复杂，不同的研究者在不同的角度就会得到不同的流型定义 3 第一章绪论 和分类。 气泡流 塞状流 分层流 波状流 弹状流 环状流 图1 - 1 水平管内气液两相流流型划分0 7 】 f i g l 1 h o r i z o n t a lt u b et y p eo fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w 目前对流型的分类主要存在以下问题： 目前对流型的定义只是建立在主观观察的基础上，因此不可避免的将引入观察者 的主观因素的影响； 目前对流型的定义还未建立起统一的且被公认的理论； 目前对流型的判别还只是定性的判别，还不能对其进行定量判别。 根据目前对水平管内泡状流的研究情况，我们可以得出以下结论： 对水平管内两相流的研究起步较晚，与垂直管内两相流相比，由于它的复杂性， 目前在此方面的研究结果还比较少； 目前的一些研究结论，由于其工况的不稳定，造成实验结果数据不一致，使得在 水平管内泡状流的研究结果极少。 2 气、液两相逆向流动 在各种两相流动工况中，一般认为两相流的流动是液相和气相流动方向是相同的， 在平衡态均匀模型中，两相的温度和速度也是相同的；在非平衡态模型中，气液两相的 温度不同，两者的速度值也不同，但两者的流动方向是相同的。在某些特殊的工况下， 需要两者流向不同即相向流，也称气一液逆向流。其中，垂直方向和水平方向的流动是 最常见的逆向流动。 1 3 2 微气泡生成理论 气泡的形成现象，在自然界中的许多过程中都能遇到，当气体在液体中受到剪切力 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的作用时就会形成大小、形状各不相同的气泡。此外，降压升温，在液体中放电，超声 波，电解等方式也都能够形成气泡。一切能够产生剪切力的方式都能够产生气泡，当剪 切力作用达到一定程度的时候，气泡就会经过多次的分裂而达到一个很小的尺寸，称之 为微气泡【8 1 。 气泡的大小与稳定性取决于气泡内外压力、温度和液体的表面张力。若液体表面张 力较小时，形成的气泡就较小，有利于气泡的分散。 表面张力一个值得关注的结论是，当液体以小液珠形式存在时，其蒸气压要高于水 平表面液体的蒸气压。这一结论首先由k e l v i n 9 1 在1 8 7 1 年导出。k e l v i n 公式如下： l n 上：2 m y( 1 1 ) e or p t r 式中：尸为蒸气压力，昂为正常蒸气压力，m 为摩尔质量，p 为液体密度。r 为摩尔 常数，为微珠大小，7 为液体表面张力。 在一定压力下，空气溶于水中，当达到饱和后，将溶气水突然释放，气体即以微小 气泡的形式释放。 最常见的一种气泡生成形式是：将一定流量的气体经沉浸在液体中的孔口喷入液体 中而形成气泡。一般情况下，影响气泡脱离尺寸的主要因素是气体流量，流量越大，脱 离尺寸就大。m i y a h a r a t l l l 等在高气体流量条件下，使用空气和水对沉浸孔板上的气泡形 成进行了研究，气泡形成及脱离过程采用高速摄像机记录。研究结果表明，当开孔直径 大于2 0 5 m m 时，孔的直径的影响可以忽略。但气泡在运动过程中存在气泡的分裂与聚 并，气泡的吸附与滞留，气泡的传质等。在气一液接触设备的设计中，由于气一液接触 表面积是控制传质和传热过程的决定性因素。因此，深刻理解各种因素对气泡形成特性 ( 大小和形状等) 的影响是至关重要的。 1 3 3 微气泡生成技术 微气泡在很多领域中都有应用，例如在钻井、船舶减阻、矿物的浮选、废水的气浮 法处理、医学超生造影、水产养殖业等等。 目前，微气泡的制造技术概括起来大致有三种方法【1 0 】：溶气析出气泡、引气制造气 泡、电解析出气泡。1 8 8 3 年b a s h f o r t h 1 2 1 等人开始了气泡生成的研究；而压力溶气析出 气泡是t a k a b a s l l i 等人在1 9 7 9 年开始研究的；电解析出气泡是1 9 9 1 年k e t k a r 1 4 1 等人 进行的研究。溶气析出气泡技术，制造的微气泡直径在2 0 - 1 2 0 1 a m 之间，大小均匀， 5 第一章绪论 在水中停留时间长，但流程复杂，操作麻烦；电解析出气泡直径在2 0 6 0 岬之间，气 泡较小，但运行费用高【1 4 1 。 美国与澳大利亚科研机构合作研发的高科技成果，即o r d 浓缩水溶氧技术，它是 通过特殊的气泡发生器将氧溶于水中，得到的气泡直径足以使其在水中停留而不会溢出 水面。根据有关对水中气泡上升或悬浮其直径大小阀值的力学分析计算，当气泡直径大 于2 5 微米时则气泡上升而逸出水面，当小于等于2 5 微米时，气泡就停留、悬浮于水中。 常用的发泡方式有以下几种【1 5 】： 1 剪切接触发泡。高速流动的矿浆和气体以适当方式接触，如通过金属网或充填介 质产生气泡。 2 微孔发泡。气体通过微孔塑料、橡胶、尼龙、微孔陶瓷管甚至卵石层发泡。 3 降压或升温发泡。空气在水中的溶解度大约为2 ，当降低压力或升高温度时， 溶解的气体析出产生气泡。 4 射流发泡。受压气流喷入矿浆或矿浆喷入气流均可产生适合浮选的气泡。 5 电解产生气泡。 6 超声波产生气泡。 微孔发泡由于其微孔材料容易堵塞，使材料不能发挥作用，同时随着充气压力的增 大会直接造成气泡尺寸的增大，所以目前已很少采用微孔发泡制造气泡。 剪切接触发泡是利用气、液混合过程把气体粉碎成气泡，气泡尺寸主要取决于液体 紊流度、持续混合时间，并最终达到与体系能量状态相匹配的气泡临界尺寸。射流发泡 则是把液体先变成分散相，然后随压力逐渐增大而变成连续相，气体则由开始的连续相 逐渐分散成为微气泡。射流发泡已成为气泡发生技术的一大变革【1 0 1 。 1 3 4 气泡尺寸及测量方法 在低气量时，如果液体粘度小，对流可以忽略，则可认为浮力和表面张力间接近于 平衡，于是有 芸刃( 见- p g ) g = 2 n r o s 7 ( 1 - 2 ) j 式中：r o 为气泡半径，p l 为液体密度，& 为从半径的孔口冒出来的气体的密度，g 为重力加速度，s ，则为液体的表面张力。 影响气泡大小的因素有许多，主要因素是气泡生成方式、流体静压力、气体流速、 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表面张力、充气压力、液体流态等。 由于气泡的形成及脱离非常迅速，肉眼很难分辨出来，采用什么测试仪器及技术直 接影响到研究结果。多相流动十分复杂，气液两相流参数测量的趋势已经从早期较多关 注宏观平均测量发展到采用小型或微型探头进行局部测量。 由于气液两相流具有可变的边界及影响因素多等特点，这就要求用于测量局部统计 参数的探针具有体积小、分辨率高、响应快等特点。目前常用的测量方法有双头电导探 针、热膜测速仪、激光多普勒测速仪等测量手段。 气泡大小的测量技术可以分为插入式和非插入式两种。电导探针测量和毛细管法是 典型的插入式测量方法，被国内外的研究人员广泛采用，但是它毕竟是一种间接测量手 段，往往要通过其他手段验证测量的准确性，而且对于s m v 型静态混合来说不适合用 插入法测量。非插入法既有传统的照相法、快速摄像技术，又有粒子成像技术( p i v ) 和可以测量到微米级的全息技术以及多普勒( p d p a ) 测量。p i v 或p d p a 方法目前还 没有达到非常成熟的水平。照相法虽然费时、工作量特别大，但是得到的数据可靠，而 且实验方法简单，成本相对较低，作者采用照相法作为气泡直径的测量手段。对于层流 气泡流，采用传统的照相机可以实现气泡特性的研究，但是对于流速比较高的情况必须 采用特殊的高速照相技术，比如采用s o n y 3 c c d 的快门速度可以达到1 1 0 0 0 0 s ，s o n y x c 7 7 rc c d 曝光时间甚至可以达到1 8 0 0 0 0 s 。 综上所述，气泡尺寸的测量方法大致可以分为两类，一类是内置法，常用的有电导 法、电容法和光电法( 其中包括光导纤维法、光电毛细管法等) 。另一类是外置法，常 用的有各种光学、声学方法，可以实现在不干扰流场情况下测量某一时刻的气泡尺寸。 气泡尺寸的测量方法可总结为：1 电导法与电容法；2 光电毛细管法；3 照相法 【1 6 】【1 7 】；4 干涉法；5 光散射澍1 8 】【1 9 】；6 超声波衰减法【2 0 】【2 。 在本试验中将采用高速摄像仪测量，利用高速摄像仪的优点是：对混合腔内流体流 动无干扰，拍摄图像清晰，具有很强的直观性。但利用高速摄像仪也有其缺点，因为拍 摄的图像是二维的，所以对于气泡的叠加现象无法辨识，从而增加了图像处理的难度。 1 3 5 气泡发生器综述 在矿物浮选领域，应用最多的是自吸式气泡发生器【2 2 】，这种发生器主要是通过液体 的冲击和碰撞把能量传递给气体，气体被压缩成微气泡，从而形成泡沫流。 与自吸式微气泡发生器结构类似的一种气泡发生器，它应用在矿浆充气和气泡矿化 7 第一章绪论 中。此气泡发生器包括：喷嘴、接受室、吸气管、混合室进口段、混合室和扩散管。矿 浆以一定压力由喷嘴将静压能转变为动压能，在喷嘴处产生负压，通过吸气管把气体吸 入接受室，混合室进口段是为使气体方便吸入混合室，扩散管切向接入浮选机的主体部 分，将混合液的动能转换为压能冽。结构如图1 3 所示。 1 喷嘴2 接受室3 吸气室4 混合室进口段5 混合室6 扩散管 图l - 3 气泡发生器结构示意图 f i g l - 3 t h es t r u c t u r eo ft h e b u b b l eg e n e r a t o r 为了生成尺寸较小的气泡，四川大学的徐振华幽等人研究了一种新型的气泡发生 器，压缩空气通入密闭的金属微孔管内，随着通入气体量的增多，管内气体压力逐渐增 大，微孔管上的最大孔先被打开，随着压力升高，其余的孔也逐渐被打开。由于表面张 力、浮力和惯性力的综合作用，流出管外的气体就会形成微气泡，并从管壁上分离，管 外高速流过的剪切流把气泡带走，形成气液混合流。应用金属微孔管切割气体产生的微 气泡的直径集中在2 0 - - 一7 0 1 x m 。 国外对气泡发生器的研究比国内要先进，但它们的工作原理大致是相同的。 m s a d a t o m i 、a k a w a h a r a 、k k a n o 、a o h t o m o 2 5 】等人发明了图1 - 4 所示的微气 泡发生器，在流动的水管中心部位有一个球体。此气泡发生器与其它相比具有制造加工 和钻孔简单的优点，并且能量损失比较小。结构如图1 4 所示。 眺 图1 - 4 微气泡发生器结构 f i 9 1 - 4 i l l u s t r a t i o no fs a d a t o m i sm i c r o - b u b b l eg e n e r a t o r 此种新型气泡发生器的工作原理：经过加压的水流经一个中心带有球体的管路，从 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 质量守恒和能量守恒分析，流过球体后的水的速度乃比入口处的速度所大，因此球体 后的压力刃低于入口处的压力p ，当巧远比所大时，印就低于大气压形成负压。在这 种情况下，空气通过带有许多微孔的管子自动地被吸入管路中，进入管中的低压区，吸 入的空气在管中高速流动的液体剪切力的作用下破碎成大量的微小气泡。 1 4 研究方法及技术路线 本文以基础理论为指导，以实验研究为主，研究思路如下： 技术路线：首先设计一个新型气泡发生器，在试验中通过改变气体和液体的压力和 流量，利用高速摄像仪拍摄，并利用与之配合的图象处理软件进行处理，同时配合 l s 2 0 0 0 分体式激光粒度分析仪得到气泡尺寸与流量、压力之间的关系。通过匹配气、 液压力和流量从而得到大量的微气泡。具体研究路线见图1 5 。 试嚣卜 气实 对 泡验 气 建设 l 泡 发数 发 生 据 生气泡发生器 + 器处 的设计加工器 性理 结 能及 构 试分 l 篙使用与调试i 改 验析 进 图1 - $ 研究路线 f i 9 1 5 s k e t c h o fr e s e a r c hc o u r s e 9 第二章微气泡生成原理与发生装置 第二章微气泡生成原理与发生装置 2 1 气泡在液体中的形成及运动规律 2 1 1 气泡在液体中的形成 气一液两相泡状流在工程中应用非常广泛，在许多物理和化学过程中都能遇到气泡 的形成和脱离现象。由于气泡在液体中的形成及其运动非常复杂，因此人们采用经验或 半经验的关系式来预测气一液接触表面积的大小，而这些经验或半经验关系式的获得常 常基于单一孔口上的气泡形成及运动机理。许多科学工作者对单一孔口上气泡的形成及 其运动进行了研究2 6 乞羽。 2 1 2 气泡的一般运动规律 物体在流体中运动，受到流体的两种作用力，一种是摩擦力，另一种是压力。物体 运动所受的阻力也可以归结为由摩擦引起的阻力和由压力差产生的阻力。比较小的物体 在粘性较大的流体中缓慢地运动，换句话说在雷诺数比较小的情况下，作用于物体表面 的摩擦阻力，是产生阻力的主要因素，这部分阻力叫做粘滞阻力。对于形状比较简单的 物体，可以通过计算把阻力求出来，其中比较著名的是球形物体在流体中所受的粘滞阻 力公式，即 f = 6 n r l v r ( 2 1 ) 式中，为球面半径，v 为球体运动速度，刀为粘滞系数。该式称为斯托克斯公式，且 只有在雷诺数比1 小很多时才是正确的。 作用于运动物体各部分的压力的合力形成压差阻力，当物体运动速度加大，以至物 体后面出现漩涡时，压差阻力便成为主要的阻力。压差阻力来源于流体的粘性，压差阻 力和物体的形状有关，改变物体的形状可以减小压差阻力。 忽略气泡内部运动，静水中小气泡( ， 1 5 0 p , m ) 的动力学方程为： i d v = ( p w p ) g p a 一3 p w c d v 2 s p a r ( 2 2 ) “f 式中，1 ，、，、风、见、g 、g 分别表示上升气泡的速度、时间、空气和水的密度、 重力加速度、阻力系数，阻力系数由雷诺数( r e ) 确定，r w 表示水的粘滞系数。 巴= 2 4 ( 1 + 0 1 5 r e 0 6 8 7 ) r er e = l o w v r r l 。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 气泡动力学理论 当气体和液体的体积具有相同数量级时，气体与液体的混合物是可看作两种连续介 质的混合物来处理，而气体和液体的离散特性则可以不予考虑。而当液体或气体在全部 混合物中占极小的体积份额时，我们就不能把这种气体与液体的混合物当作两种连续介 质混合物来看待，其组元( 混合物中占有少量体积的液体或气体) 的离散特性就变得重 要起来。这种流体流动有两种极端的情形：一种是液体在气体或者另一种液体中的雾化， 还有一种是液体中的气泡。在第一种情形里，液滴的形成和夹带在整个流动中有十分重 要的影响。而第二种情形通常归类为气泡动力学，包括气泡的生长、气泡的形成及其运 动【2 9 】。 气泡在浮力作用下的上升运动，是流体力学中的常见问题之一。一般，气泡在流体 中要受到各种力的作用。因此，气泡的上浮运动是一个非线性的、复杂的、不稳定的动 力过程。在发生显著变形的同时还伴随着破裂、聚并等现象，体现了流体流动、粘性和 表面张力等之间的相互关系。而实际中的气泡多数是以气泡群的形式存在，随着气泡数 量的增多气泡之间的作用和影响也就变得更加复杂。特别是当气泡浓度很大时，对气泡 的空间分布也有不同程度的影响。 车得福等人在“气泡在液体中形成的实验研究 中，由于实验采用了高气流量， 气泡形状及行为很复杂。实验发现，当气泡刚在孔口上形成时，较接近球形。当气泡上 升一段距离后，气泡开始长大，形状明显偏离球形，并且有一“尾巴 与之相连，从整 体来看这两部分呈蘑菇状。由于向上移动的气泡会带动周围的液体运动，根据流体力学 的观点，气泡尾流液体的压力将会降低。气泡形状如图2 1 所示。 2 2 1 单气泡的形成 对于气体在液体中的分散，这类两相分散过程的实际应用而言，由于存在着对混合 起支配作用的动力效应，通常没有必要去考虑分子扩散对混合过程的影响。这里只对几 个可能的分散机理进行讨论。对于浸没在液体中的单一锐孔中的气泡形成已有许多研究 报道( a z b e l ( 1 9 8 7 年) ) ，但这些研究的结果中，对于设计两相系统涉及气泡大小的一 般化理论尚无确定的结论【3 0 1 。 1 仅受浮力和表面张力的情况 首先从研究锐孔上所形成的每一个气泡的作用力着手，每个气泡受浮力、液体的对 流和气泡与锐孔相接触的截面上的表面张力的作用，如图2 2 所示。 第二章微气泡生成原理与发生装置 ( a ) o 在锐孔表面时进一步脱离 ( b ) o 乃舫 在锐孔表面时进一步脱离 图2 - 1 气泡形状示意图 f i 9 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eb u b b l es h a p e 液体 气流 图2 - 2 锐孔处作用于气泡上的力 f i 9 2 - 2 h o l ei nt h eb u b b l er o l ei nt h es h a p eo ft h eb u b b l e d i a g r a m 在低气量下，如果液体粘度小，粘度和对流可忽略，则可认为浮力和表面张力接近 于平衡，于是有 1 6 7 r d b 3 9 ( p y - p g ) = r c d o a ( 2 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中：磊是在气泡释放时的直径，m ；缈和以分别是液体和气体的密度，k g m 3 ：d o 为 锐孔的直径，m ；t y 为表面张力，n m ；g 是重力加速度，n k g 。 实际上，气泡上所受的力不仅限于浮力和表面张力两种，因此，还要考虑有阻力和 惯性力的情况。 2 有阻力、浮力、表面张力和惯性力并存的情况 在雷诺数范围为2 0 0 r e o 1 0 0 0 时，气泡大小将显著的依赖于粘性力和惯性力。针 对这一范围，有人提出了气泡的形成要经由膨胀和脱离两个阶段，气泡向离开锐孔的方 向移去，只有一个“颈 保持着和锐孔的接触。图2 3 是这两个阶段的示意图。气泡的 最终容积是两个阶段产生的容积之和 睁珞+ 幼 ( 2 4 ) 式中，琢是最终的气泡容积，是第一阶段里产生的容积，q 是气体体积流量，r f 是脱 离过程所持续的时间。对于第一阶段，由力平衡( 可考虑到浮力，粘性阻力，表面张力 和惯性力) 可导得： 曙仃：一卫而i 翼兰t 坐死d 竺 墨2 1 3 。(2-5)-i-y f 一一- 一 。 1 9 2 n ( 3 4 n ) 27 3 9 2 ( 3 4 # ) 1 7 3g o g o 式( 2 5 ) 考虑了“附加质量”的影响，它使气泡的有效质量为实际气泡质量和相 当于气泡体积1 1 1 6 的液体的质量之和。膨胀后的气泡体积珞可由式( 2 5 ) 用迭代方 法求得。 霆霪 ( a ) 膨胀阶段( b ) 脱离阶段( c ) 脱离的条件 图2 - 3 气孔处气泡形成的步骤 f i 9 2 - 3 a i r - h o l ef o r m a t i o no f t h eb u b b l es t e p s 当向上力超过向下力( 第二阶段) 时，气泡从锐孔外移，只以颈和锐孔相连。颈的 长度取与脱离时气泡的半径您( 即在第一阶段以后) 相等，这一假定条件是基于在这一 条件下可以避免下一气泡和上一气泡发生聚并。当气泡的底部经行了您的距离后，气 泡颈便被拉断，气泡上浮。 1 3 第二章微气泡生成原理与发生装置 表面张力的第二运动定律来获得。最后得到的有关v f 方程式是： 铲赤( 瑶瑚一( ( 吲 一 ( 瑶仃一瑶，) 一丢( 曙门一畦，) 2 q ( a 一)q ( a 一詈) 一譬署c c 南吒c 肌a ， 一c 寺3 一c 去3 协6 ) 式中：么：2 + 9 6 ：r ( 1 2 5 ) r e t ：。 1 l p q b ：丝 11 d n1 6 曲a c r c o s o i = 一 1l p q 肚西尚矿 2 4 1 ， g 。面前 对于不同条件下气泡形成的计算结果表明，式( 2 6 ) 中最后一项的影响是可忽略 的，于是可将其写成： 铲赤( 曙一( ( 吲 一 ( 曙归一瑶，) ( 2 - 7 ) 2 q ( 么一) 最终气泡半径r f = ( 3 v f 4 兀) 1 乃用下面的方法求得： 由式( 2 5 ) 求出和r e = ( 3 v j 4 靠) 1 3 , 最终气泡体积，亦即最终气泡半径，则 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 用方程( 2 7 ) 以试差法求得。 由式( 2 5 ) 和( 2 7 ) 可以得出如下结论。当流量d , n 近乎零( q = o ) 时，式( 2 - 5 ) 右端的前两项变得可以不计，脱离气泡的体积便取决于浮力和表面张力。又因为q 是小到趋近于零，故由式( 2 4 ) ，最终气泡体积际便近似的等于脱离体积。因此可 得，当气量非常小的时候，气泡尺寸仅有浮力和表面张力来确定。同样从式( 2 5 ) 可 知，随气体流量的增加，方程式右端前二项与最后一项相比愈显重要，这意味着当q 增加时，表面张力的影响就变小了。这个趋势对于高粘度液体更为明显。随着流量的增 加，表面张力对气泡尺寸的影响逐渐不起作用。与非粘性液体的情况相比，对于粘性液 体而言，这种情况的最小流量将较早的达到。 由式( 2 5 ) 和( 2 7 ) 还可清楚地看出，液体的粘度增加，气泡的尺寸也增加。在 高流量、低表面张力和小的锐孔直径时，粘度的影响更为显著。 最后，从式( 2 5 ) 还可以确定液体密度的影响。在低气量和低粘度情况下，只有 右端的最后一项是起明显作用的，液体密度增加，气泡尺寸则随之减小。当流量增加时， 液体密度的影响便减小。在高粘度液体和小直径锐孔的情况下，由式( 2 5 ) 右端的第 一项和第三项可以忽略，气泡尺寸也是随液体密度的增加而减小的。 对于各种液体粘度、表面张力、气体流量、锐孔直径和其它影响因素条件下的气泡 尺寸的确定而言，式( 2 5 ) 和( 2 7 ) 很有用处。 从目前的研究来看，较多的研究报道是针对牛顿流体2 8 。3 0 1 ，由于牛顿流体与非牛顿 流体性质上的根本区别，以及试验条件的限制，有关非牛顿流体中的研究报道并不多， 现有的文献报道与实际过程联系不够密切。因此，肖作兵【3 1 1 等人将非牛顿流体c m c 水 溶液作为试验介质，并对单气泡行为及影响因素进行了研究。 1 液体性质对气泡行为的影响 试验结果表明，随着体系粘度的增大和非牛顿流体的加强，相同条件下气泡的体积 和运动速度相应的增大。此外，试验过程中还发现：液体性质的变化对气泡的形状也有 明显影响。因此，非牛顿流体流变特性对气泡行为有明显的影响。 2 通气型式的影响 相同条件下，采用单管通气和多孔圆环管通气时，单气