（动力工程及工程热物理专业论文）射流发泡制造微气泡技术试验研究.pdf

i l 一 - c a n d i d a t e ：h u ih e n g l e i s u p e r v i s o r ：p r o f q i ux i n g q i c o l l e g eo fm e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) e一l_ 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：r 期：沙年o r 月- 70 同 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： 指导教师签名： 同期：沙，年。厂月亨。只 同期：力tt 年口f 月亏。同 捅雯 微气泡已经被广泛应用于石油、化工、采矿等领域。在石油化工领域，由于重、渣 油的粘度大，燃烧不完全，造成能源极大浪费。所以，研究者们想到了将微气泡注入到 重、渣油中，通过形成大量的气泡，来增加液体燃料的燃烧面积，提高燃烧效率，节约 能源。本文首先从理论上对气泡的生成、气泡在液体中的一般运动规律、微气泡生成技 术以及气泡发生器结构进行了分析，得到了气泡发生器几何尺寸和内部流量、压力之间 的关系，以及反映气泡发生器内部能量变化的基本性能方程。其次根据射流泵结构设计 的理论知识设计了四种结构的射流气泡发生器，通过试验对其进行性能测试，确定此气 泡发生器的最优喉嘴距重要结构参数。在试验中，气体介质采用压缩空气，液体介质采 用水，通过改变气泡发生器的结构和操作参数( 如液体压力、气体流量、液体流量) 等， 对生成气泡尺寸的影响进行了大量的试验。测试仪器采用c m o s 面阵高速摄像系统对 不同工况下的气泡流场进行观测，并利用与之配合的软件对试验数据进行分析、处理。 试验中液体压力在o 0 5 m p a - - o 2 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：气泡发生器喉嘴距、喉管长度以及操作参数对气泡的尺寸和速度都有影响。通过 对试验数据分析处理也得出了最优喉嘴距尺寸以及较优气泡发生器结构。 关键词：微气泡；射流气泡发生器；气泡尺寸；气泡速度；喉嘴距；高速摄像仪 e x p e r i m m i c r o b u b b l e s f i e l d s i np e t r o c h e m i c a 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 e dt 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 ya n ds a v e de n e r g y i nt h i s p 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 , m i c r o b u b b l eg e n e r a t i o n ，b u b b l eg e n e r a t o r a n a l y s i s o 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 sb u b b l eg e n e r a t o ri n t e r n a lp r e s s u r e ，f l o wr a t ea n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es e v e r a ld 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 f t h eb a s i cp e r f o r m a n c eo ft h eb 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 df o u rb u b b l eg e n e r a t o r s u n d e rt h es t r u c t u r a ld e s i g no fj e tp u m pt h e o r y ，t e s t e di t sp e r f o r m a n c eb ye x p e r i m e n t st o d e t e r m i n et h ei m p o r t a n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e ro ft h eo p t i m a ld i s t a n c eb e t w e e np i p ea n dn o z z l e i n t 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 dw a t e r , m a i n l y b y c 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 ( 1 i q u i dp r e s s u r e ，g a s f 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 sd i d ，i no r d e rt oo b s e r v e 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 dc m o sa r r a yc a m e r as y s t e mf o rt h e d i f f e r e n tc o n d i t i o n so 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 谢t ht h e s o f t w a r eu s e df o ra n a l y s i s ，p r o c e s s i n g t e s tl 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 f 0 0 5 m p at o0 2 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 t r e s u l t s ，w ef o u n dt h a tt h ed i s t a n c eb e t w e e np i p ea n dn o z z l eo fb u b b l eg e n e r a t o r ，p i p el e n g t h a n dt h eo p e r a t i o no ft h ep 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 ea n dt h eb u b b l e v e l o c i t y b ya n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n go f t e s td a t aa l s oo b t a i n e dt h eo p t i m a ld i s t a n c eb e t w e e n p i p ea n dn o z z l ea n do p t i m u ms t r u c t u r eo fb u b b l eg e n e r a t o r k e y w o r d s ：m i c r o b u b b l e s ；m i c r o - b u b b l ej e tf o a m ；s i z eo fb u b b l e s ；v e l o c i t yo fb u b b l e s ； d i s t a n c eb e t w e e np i p ea n dn o z z l e ；h i g h - s p e e dp h o t o g r a p h 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 研究现状1 1 2 1 微气泡生成理论l 1 2 2 微气泡生成技术2 1 2 3 气泡尺寸及测量方法3 1 2 4 气泡发生器综述4 1 3 研究内容。5 1 4 研究方法及技术路线6 第二章微气泡生成理论及技术。7 2 1 气泡的形成及运动规律7 2 2 气泡动力学理论。7 2 2 1 单气泡的形成8 2 2 2 密集气泡11 2 3 微气泡生成技术分类1 2 2 4 本文采用的微气泡生成技术1 3 第三章气泡发生器理论及结构设计1 4 3 1 气泡发生器分类1 4 3 2 气泡发生器理论研究1 7 3 2 1 气泡发生器设计原理及基本性能方程1 7 3 2 2 射流气泡发生器最优参数理论研究2 1 3 3 射流气泡发生器的结构设计2 2 3 3 1 射流气泡发生器的工作原理2 2 3 3 2 射流气泡发生器结构参数的确定2 3 3 3 3 试验用气泡发生器结构图2 5 3 4 小结2 7 第四章试验装置建设及试验方法 4 1 试验装置建设 4 1 1 气、液管路系统 4 1 2 压力、流量测量系统。 4 1 3 图像采集系统 4 2 试验过程 4 3 图像处理技术 4 3 1 数字图像处理技术 4 3 2 运动气泡图像处理技术 4 4 图像处理方法3 2 j 4 4 1 图像预处理3 2 4 4 2 图像的二值化3 3 4 4 3 图像分析3 4 4 5 j 、结。3 4 第五章试验数据处理及分析3 5 5 1 气泡流场的数学描述3 5 5 2 气泡尺寸分析3 7 5 2 1 液体压力对气泡尺寸的影响3 9 5 2 2 气体流量对气泡尺寸的影响4 1 5 2 3 喉嘴距对气泡尺寸的影响4 3 5 3 气泡几何尺寸的分布规律4 5 5 4 气泡运动速度分析4 6 5 4 1 液体压力对气泡速度的影响4 7 5 4 2 气体流量对气泡速度的影响4 8 5 4 3 喉嘴距对气泡尺寸的影响4 9 5 5 最优喉嘴距分析研究5l 5 6d 、结5 2 第六章结论与展望5 4 6 1 结论 6 2 展望 参考文献5 6 附录5 9 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 8 致谢6 9 d d 一出口直径，i l u n ： d g 一进气管直径，m m | 讲一进液管直径，m m ； 以一进液喷嘴直径，m m ； 面一喉管直径，i m ； 或气泡直径，m m g 曩一纵向象素，p i x ； 疋一横向象素值，p i x ： e e 和e 的比值； g 一重力加速度，n k g ； 办一压力比； 乙一扩散段长度，l i l i i l ； 一喉管长度，m m ； 厶。喉嘴距，m m ； 三一实际距离，i t i i l l ； 三。一喉嘴距，m m ； 厶喉管及混合室长度，i l u i l ： m 一面积比； m 摩尔质量，k g m o l ； ，z 一图像上的像素个数； p d 出口压力，p a ； p g 一吸气压力，p a ； 主要符号表 p ，一液体进口压力，p a ； p 一蒸气压力，p a ； r 一正常蒸气压力，p a ； 圪气体压力，p a ； 忍一液体压力，p a ；。 r 、瓦、n 一标定介质( 即氢气) 在标准 状态下的绝对压力、绝对温度和密度： b 、五、风一被测气体在测量时的绝对 压力、绝对温度以及标准状态下的密度； g 一流量比； 9 气体体积流量，l m ； 气体进口处的体积流量，l h ； q 一工作水体积流量，m ； 鳊一流量计的读数，l h ； g 试际流量值，l h ： ，一微珠大小，i l l l n ； ，一前后两帧图像的颗粒位移，m i l l ； 气泡半径，m i l l ； r 一摩尔常数； r 气体分布器气孔半径，n u n ； r 2 一喉管半径，m m ； s 一图像上的距离，m m ； 址一两帧图像之间的时间间隔，s ： 品一液体的表面张力，n m ； 1 ，一速度矢量，m s ； 一第一阶段里产生的容积，m 3 ； 斥一最终的气泡容积，m 3 ； 气体折算流速，r n s ； 一液体折算流速，i s ； 一气体流量，r r l 3 l l ； 睨一液体流量，i t l 3 h ： 口一喉管入口收缩角，o ； 一扩散管出口扩散角，。； ，一液体表面张力，n m ： 岛一收缩段收缩角，。； 易一扩张段收缩角，。； p 一液体密度，k g m 3 ； 展一经过孔口气体的密度，k g m 3 见一液体密度，k g m 3 ； f ，一脱离过程所持续的时间，s ； 中国石油大学( 华东 1 1 课题背景 第一章 微气泡已被广泛应用于石油化工、采矿等领域的两相之间热交换和质量传递过程， 以及环境工程中污水的净化处理，尤其是近年来在水处理方面广泛应用的气浮技术，对 气泡的性能要求更高，还被应用于动力、冶金、核能、医学等众多领域。 石油石化行业中，燃料经常因为燃油颗粒太大，导致燃烧接触面积不大，燃烧不充 分，效率比较低，浪费严重。通过往燃料油中通入空气，薄气泡膜在空气动力作用下破 裂，形成巨大数目的微气泡液滴，从而增加燃料与空气的接触面积，燃烧效率大大加强， 达到增强燃烧、节约能源的效果。另外还可以往汽车用燃料汽油、柴油里溶入气体，通 过生成微气泡的方式将燃油粉碎成大量细小油滴，使汽油、柴油燃烧利用率大大增强。 国外一般通过特殊的发泡器结构来制造微气泡，应用于工业及生活中。譬如通过设 计空气水喷射式充气器、空气喷射式充气器这些气泡发生器来制造大量的微气泡。另 外还通过加压将氧气以微气泡形式溶于水中形成营养水，可用于运动员、科研人员以及 生活中缺氧人群补充氧气。 国内通过制造微气泡来进行应用的行业还有以下几个：采矿领域利用溶气气浮技术 产生的微气泡与矿物粘附上浮进行浮选；在污水处理领域，利用与采矿领域相同的原理 得到微气泡；在鱼塘养殖业中通过曝气器制造微气泡；船舶行业通过产生的大量微气泡 来减小船体与水的接触面积，从而达到减小船身受到水的摩擦阻力的效果。 通过以上描述易知微气泡的应用越来越广泛，有些应用对于微气泡的尺寸要求不是 很严格。本文主要是针对石油化工行业中重、渣油燃烧不完全这一现象，来研究一种能 够产生尺寸较小、大小均匀、数量众多的微气泡制造技术提高燃油的燃烧效率，达到节 能效果。本文主要研究的是气泡表面直径在0 5 m m l m m 的微气泡制造技术。 1 2 研究现状 1 2 1 微气泡生成理论 气泡的形成及其因浮力的上升运动是气液两相流中重要的现象。气体受到液体剪切 力以及对液体加压充入气体、对液体电解、通入超声波等方式都能够产生各种形状和大 小不一的气泡。气体在液体中运动时，当受到液体的剪切力达到一定程度时，气泡将会 第一章绪论 多次分裂成尺寸很小的细小气泡，称之为微气泡【1 1 。 气泡的形状与大小一般由气泡温度、内外压力以及液体表面张力决定。如果液体表 面张力很小时，就会形成易于分散、尺寸较小的气泡。液体水平表面蒸气压要低于以小 液滴形式存在的液体蒸气压，这是表面张力的一个重要结论，k e l v i n 2 在1 8 7 1 年首先导 出这一结论，公式如下： l n ! ：2 m y ( 1 1 ) e or p t r 式中，p 是蒸气压，只是常态下蒸气压，m 是摩尔质量，p 是液体密度，r 是摩尔常 数，是小液滴大小，y 是表面张力。 气体通过液体中的锐孔形成气泡的方法是比较常见的一种气泡生成形式。气泡在上 升过程中会发生合并、变形、分裂等现象，形成一定条件下数量较多、大小平均的气泡。 2 0 世纪6 0 年代，k u m a r 掣3 - 5 1 提出气泡形成二阶段模型，即膨胀阶段和脱离阶段；其后， w r a i t h 6 】研究了稍高气速条件下的气泡模型，考虑气泡形成初期的变形对整个形成过程 的影响。2 0 世纪8 0 年代以后，孔口气泡形成状态的转变受到重视，m e r s m a n n 7 1 认为由 鼓泡向射流状态转变的临界气泡w e b e r 数( w e ) 等于2 ，但未考虑孔径的作用。r a b i g e r 等8 】贝0 认为孔口气泡形成状态转变的临界w e b e r 数随着液体黏度的增高而变大。影响气 泡形成的因素很多，包括气体、液体的物理化学性质( 表面张力、气体密度、液体粘度) 、 系统温度、压力、操作方式等。 1 2 2 微气泡生成技术 微气泡已被广泛应用于众多领域，包括船舶的减阻、矿物的浮选、废水的处理、石 油燃料的节能燃烧、医学超生造影、水产养殖业曝气器造泡等。随着微气泡的应用越来 越广，国内外学者对微气泡制造技术也进行了广泛的研究。 目前，微气泡的制造技术方法很多，根据制造原理的相似性，主要有以下三类方法 【9 】：一是溶气析出微气泡技术，二是引气制造微气泡技术，三是电解析出微气泡技术。 最初生成气泡技术系b a s h f o r t h 1 0 】等人研究的，t a k a h a s h i 1 1 1 等人于1 9 7 9 年对溶气析出微 气泡技术进行了系统的研究，而k e t k a r 1 2 1 等人于1 9 9 1 年才开始研究电解析出微气泡技 术。溶气析出微气泡技术制造的气泡尺寸小、大小均匀，尺寸在1 0 一- 1 0 0 1 x m 左右，优 点是微气泡能够长时间的停留在水中，缺点是制造流程及操作都比较麻烦；引气制造气 泡直径在o 5 - - - 1 0 m m 之间，溶气量大，能耗低，分离设备简单，但是气泡发生器要求 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 高，气泡大小不均匀；电解析出气泡技术利用电解槽正负极板产生氢气泡和氧气泡方式 来产生直径在2 0 - - 一6 0 l x m 之间的微气泡，该方法产生的气泡尺寸小，但是极板损耗大、 成本费用也很高【1 2 1 。 国内研究较多的微气泡制造技术有l 四) ll 大学徐振华掣1 3 1 研究的金属微孔管制造微 气泡，这是一种比较新颖的气泡制造方法。由金属微孔管内外压差提供推动力，推动管 内气体从管上的微孔流出，在管外壁形成微气泡，管外高速流过的剪切流把气泡带走， 形成气液混合水的气泡制造方法。形成的微气泡直径在2 0 一 7 0 1 m a 之间变化，数密度在 0 5 3 x 1 0 3 1 0 1 1 0 3 个m m 3 之间。 1 2 3 气泡尺寸及测量方法 影响气泡大小和形状的因素很多，主要有系统温度、气泡生成方式、气液两相物理 特性( 密度、黏度等) 、表面张力、流体静压力、充气流量、液体流态等。 在不考虑对流及小粘度液体流体情况下，当气体流量比较低时，可以近似认为液体 表面张力和气泡受到的浮力相等，得到气泡尺寸的计算公式如下， 4 砑( 凡一p g ) g = 2 t t r o s r ( 1 - 2 ) j 式中：r b 为气泡半径，见为液体密度，依为从半径，d 的孔口冒出来的气体的密度，g 为重力加速度，研则为液体的表面张力。 气泡生成、聚并及脱离过程是一个非常迅速的过程，想用肉眼分辨出来非常困难， 因此采用的测量仪器及技术非常关键，对研究结果将会产生直接影响。多相流动十分复 杂，流型种类以及影响的因素很多，测试的方法也在逐渐发展，就拿气液两相流来说， 对参数的测量从平均的宏观测量方法到现在的利用探头对局部测量的方法。 测量气泡尺寸的方式一般分为插入式和非插入式两种。插入式典型的测量方法有毛 细管测量和电导探针测量，这两种测量方法被国内外的研究人员广泛采用，但它们测量 的准确性不好验证，需要借助其他的验证手段，因此这种测量方法不适合测量s m v 型 静态混合器；非插入法大概有以下几种测试方法，即传统的照相法、快速摄像技术、多 普勒( p d p a ) 测量技术、粒子成像测速技术( p ) 和可以测量到微米级的全息技术。 照相法虽然工作量大、耗时多，但是成本低、实验方法简单，得到的数据也比较准确可 靠，适合投资小、工况简单的情况。p d p a 或p i v 测量方法属于全新的无扰、瞬态测量 方法，已被广泛用于气体或液体单相流场的测试，但对于两相流测试目前还没有达到非 3 第一章绪论 常成熟的水平，仍处于起步和发展阶段。传统的照相技术可以研究层流气泡流的特性， 对于高速流动的泡状流这种技术就不能够满足要求，需要利用高速照相技术进行测试， 譬如采用高速摄像仪、p i v 测试技术等等。 本试验中采用c m o s 面阵高速摄像系统测量气泡的尺寸大小和气液两相流动状态， 采用这种仪器的优点是：( 1 ) 无扰测量，对混合腔以及直管段气液混合现象不产生干扰， 而用电导探针或者毛细管测量都会对管内流场有一定的干扰；( 2 ) 拍摄图像清晰，便于 观察分析；( 3 ) 观测气液两相流体状态以及气泡尺寸方便。这种仪器也有缺点：拍摄的 图像是二维的，气泡的叠加现象将会无法区分与辨别，图像处理的准确性不能够得到很 好的保证。 1 2 4 气泡发生器综述 气泡发生器是气泡制造技术中的主要设备，它的性能好坏直接影响生成的气泡尺 寸、数量和均匀度，因此对气泡发生器的详细研究也是寻求一种微气泡制造技术的主要 任务。 气泡发生器种类繁多，分类方式也多种多样，采矿领域应用比较多的是自吸式气泡 发生裂1 4 】，该发泡器由喷嘴、接受室、吸气室、喉管、扩散管五部分组成，结构见图 1 1 。工作原理是加压液体由喷嘴喷入形成高速射流，通过射流的脉动湍流作用，接受 室内产生负压，空气被吸入后与液体射流混合作用，液体质点的紊动扩散使液体被切割 成液滴，液滴通过与气体分子的冲击与碰撞将气体粉碎成微小气泡，气泡分散在液体中 形成稳定的泡状流动。 1 喷嘴2 接受室3 吸气室4 喉管5 扩散管 图1 - 1 射流气泡发生器结构示意图 f i g l - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ej e tb u b b l eg e n e r a t o r 国外研究的发泡器要比国内起步早，虽然原理基本相似，但是要比国内的先进很多， 产生微气泡效果要更好。譬如k k a n o 、m s a d a t o m i 、a o h t o m o 、a k a w a h a r a 1 5 1 等人 发明了一种发泡器，其结构示意如图1 2 所示。 4 该微气泡发 和能量守恒定律 球体的水流压力 d , n 低于大气压力而形成负压区，空气就会经球体后面管子上的多个微孔被吸入进来， 受到高速流动的水流剪切力作用而破碎成数目众多的微气泡。 1 3 研究内容 本课题是在理论分析和设计加工基础上进行的试验研究，首先对气泡形成规律、微 气泡生成理论以及技术进行理论研究，而后根据液气射流泵设计经验设计了四种结构的 射流气泡发生器，加工完成后通过试验的方法对几种结构进行了分析研究。试验时气体 和液体介质分别采用空气和水，利用高速摄像系统测量生成的泡状流动情况，通过对试 验数据处理分析研究管内气液流量、压力、气泡发生器喉嘴距、喉管长度对所产生气泡 直径的影响以及管内气泡速度规律。采用c m o s 面阵高速摄像系统对不同工况下的气 泡流场进行观测，并利用与之相配合使用的软件对数字图像进行分析、处理。具体内容 如下： 1 理论研究 通过查阅国内外各种文献，总结生成微气泡的各种技术，并进行全面的比较，分析 得出适合自己试验设备及研究方向的微气泡生成技术，即采用引气制造气泡技术中的引 射气流分散气体的方法。选出适合这种气泡制造技术的气泡发生器，即射流气泡发生器。 2 射流气泡发生器的结构设计 根据液气射流泵结构设计的理论知识，考虑喉嘴距、喉管长度等几个关键结构参数 的影响，设计了喉嘴距可调式的四种结构发生器。 5 第一章绪论 3 射流气泡发生器性能特性试验 试验的内容主要包括：测量气体流量、液体压力及液体流量；研究操作参数( 气液 体压力、流量) 、喉嘴距变化、气泡发生器不同结构对所生成泡状流以及气泡尺寸的影 响。 4 分析处理试验数据，并得出结论 利用与c m o s 面阵高速摄像系统相配合的x c a p 软件对采集的图像进行处理，此 软件可以直接测算出气泡尺寸大小，也能间接测算出气泡运动速度。根据软件处理的数 据分析出气泡尺寸随结构及操作工况的关系、气泡速度的变化规律、最优喉嘴距及喉管 长度。 5 得出较优气泡发生器结构，并对其结构进行改进 通过对试验数据的处理，分析四种发泡器产生的气泡尺寸随操作工况的变化关系， 得出较优的气泡发生器结构，从而对射流气泡发生器的理论设计提出改进意见。 1 4 研究方法及技术路线 本论文通过理论研究、结构设计及试验研究的方法对射流发泡制造微气泡技术进行 了详细的研究，主要研究思路如下： 首先对微气泡生成技术及气泡发生器各种结构进行理论研究，其次设计四种不同结 构的射流气泡发生器，再对原有试验装置进行改进，通过改变不同的发泡器结构、喉嘴 距、喉管长度、气液的压力、流量进行试验，试验中利用c m o s 面阵高速摄像系统对 管内气泡流进行拍摄，而后利用与之配合的x c a p 软件对图像进行处理，得到气泡尺 寸与流量、压力及发生器结构之间的关系。具体研究路线见图1 3 。 豢蓑卜 气试 泡 验 得 改进建设广一 出 发数结 每洵枯毕器1 生 据 论 及 器处最 的设计加工 优 性理 结 能 及构 试 分 参 调试与使用 l 数 验析 图l _ 3 研究路线 f i g l - 3 s k e t c ho fr e s e a r c hc o u r s e 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 微气泡生成理论及技术第二章 2 1 气泡的形成及运动规律 气泡的形成、聚并及脱离现象在许多物理和化学过程中都能遇到。气泡在液体中运 动时是一个极其复杂的过程，一般需要借助一些经验公式来描述它的运动规律。 物体在有粘性的流体中运动时，会受到流体压力及摩擦阻力的作用。物体运动时受 到的阻力可以归结为由摩擦和压力差产生的阻力。在比较小雷诺数的情况下，体积较小 物体在粘性较大的流体中作缓慢地运动，物体受到的阻力主要因素是受到的摩擦阻力， 这里的摩擦阻力定义成粘滞阻力。通过计算可以求出形状规整简单的物体受到的阻力， 公式如下： f = 6 a r v r ( 2 - 1 ) 其中，r 为粘滞系数，v 为球形物体的运动速度，球体半径。该式适用于雷诺数比1 小很多的情况，称为斯托克斯公式。 气泡在液体中运动时不光受到外在的各种因素作用，其内部也有一定的运动，如果 不考虑它的内部运动，小尺寸气泡( ， 1 5 0 9 m ) 在静止水中的运动方程为： 面d v = ( p w p ) g p o 一3 “0 v 2 8 , 0 r ( 2 2 ) 式中，成、见、g 、c 、1 ，、f 分别表示水和空气的密度、重力加速度、阻力系数、 气泡上升的速度、时间；阻力系数e 可通过雷诺数i b 来确定， c = 2 4 ( 1 + 0 1 5 r e 0 6 8 7 ) r e ；而雷诺数r e 由水的粘滞系数刁。确定，r e = p w w r l w 。 2 2 气泡动力学理论 具有相同数量级的气体和液体混合物可以当成两种连续介质的混合物来处理，而且 不用考虑二者的离散特性。这两种流体混合流动时有两种特别情况：一是气体在液体中 运动时受到剪切等外力作用时形成气泡；二是少量液体在气体或者其他液体中发生雾 化。第一种情形气泡在液体中的形成及运动规律通常定义成气泡动力学，包括气泡形成、 生长及其运动【1 6 1 。而第二种情形中液滴的形成和夹带运动对流体流动有着十分重要的作 用。 7 第二章微气泡生成理论及技术 气泡在流体中运动时将会受到各种力的作用，其受到的浮力就是其中最基本的一种 作用力。气泡的上浮运动是一种复杂的、不稳定的非线性运动过程。气泡形成后，在上 升过程中会发生显著变形，同时还伴随有聚并、破裂等现象，反应了气泡在运动过程中 通过流动和粘性、表面张力、浮力等之间的相互作用关系。实际中的气泡很少以单个形 式存在，而是以大量气泡群的形式存在，这样气泡除了受到外界各种力的作用同时气泡 之间也会产生复杂的相互作用和影响。 2 2 1 单气泡的形成 气体通入液体以后，在液体内部运动扩散过程受动力效应的支配，因此二者混合时 可以不用考虑分子扩撤的影响。a z b e l ( 1 9 8 7 年) 对液体中单个锐孔形成气泡过程有过 许多研究，但研究结果中对于涉及气泡大小的理论尚无定论【1 7 】。下面对几个可能的分散 机理进行分析讨论。 1 仅受表面张力和浮力的情况 首先从单个锐孔上形成的气泡受到的作用力着手，气泡受与锐孔接触截面上的表面 张力、浮力和液体相互对流三个力的作用，如图2 1 所示。 液体 气流 图2 - 1 锐孔处气泡受到的作用力 f i 9 2 - 1 b u b b l eb yt h ef o r c e si nt h es h a r ph o l e 在气体流量和液体粘度都很小的情况下，可以忽略对流和粘度的影响，由图2 2 知 此时气泡只受表面张力和浮力作用，则可认为二者接近平衡，于是有如下关系式： 1 吉巩3 9 ( p f p g ) = 刑d o t r ( 2 - 3 ) 式中，d b 是气泡在释放时的直径，m ；g 是重力加速度，n k g ；p f 是气体密度，k g m 3 ： 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 风是液体密度，k g m 3 ；仃是表面张力，n m ；d o 是锐孔直径，m 。 2 表面张力、浮力、阻力和惯性力共同作用情况 气泡在液体中运动时比较复杂，受到外界作用力也比较多，一般都是表面张力、浮 力、阻力和惯性力共同作用。如果雷诺数：2 0 0 1 大气压条件下所作的实验， 提出了以下计算最优喷射系数的公式： 铲叫参一 协 式中卸p = p p - p 圩为工作水压力；卸。= p 。一p 日为射流泵增压；p p 、p 。、p 日分别为 工作、出口和吸入压力；k 为试验系数，k = o 8 5 。 最优面积比： 印删誓 ( 3 1 8 ) 式中六、。分别为喷嘴出口面积、喉管面积。 2 m h 巴舍诺夫( m h b 撇h o b ) 【2 6 1 通过试验，提出最佳喷射系数“的计算公式： 删9 ( 1 - p p , , ) o 2 s ( 旦+ 2 ) p p 郇- p 再。 ( 3 - 1 9 ) p h i p t - 2 1 第三章气泡发生器理论及结构设计 热舻毒2 绝对温度，k 。 气体重量流量 砟为液体密度，k g m 3r 为气体常数；乙为液体的 喉管的最优直径公式： 或y = d p l + ( 2 t + k ) 留詈 3 - 2 0 ) 式中，d p ，为喷嘴出口直径；厶为喉嘴距；k 为喉管长度；口为水射流流入大气的张开 圆心角。 3 金锥口7 】通过试验，提出水气射流泵压缩空气情况下的最佳流量比计算公式： 归去偿。 2 d 式中，甜= 岳为最佳流量比；j | 为试验系数，与面积比朋有关，k = 0 3 1 4 1 4 9 , m = 1 6 8 - 6 2 5 。 4 r g 寇宁汉( r g c u n n i g h a n ) 1 2 8 1 公式： 三乙= 1 5 d 3 c 式中，三为最优喉管长度；b 为喉管直径；c = 了1 - b ，6 = a 4 r n = ( 3 2 2 ) 喷嘴出口面积 画蓟而丽。 以上国内外学者提出的最优参数计算公式，大部分都是对试验数据回归分析得出的 经验公式，理论依据不足，具有一定的局限性，因此在设计射流气泡发生器时只能作为 参考。 3 3 射流气泡发生器的结构设计 3 3 1 射流气泡发生器的工作原理 射流气泡发生器由喷嘴、接受室、吸气室、喉管、扩散管五部分组成，结构见图 3 - 9 。工作原理是加压液体由喷嘴喷入形成高速射流，通过射流的脉动湍流作用，接受 室内产生负压，空气被吸入后与液体射流混合作用，液体质点的紊动扩散使液体被切割 成液滴，液滴通过与气体分子的冲击与碰撞将气体粉碎成微小气泡，气泡分散在液体中 形成稳定的泡状流动。大致可将其分为三个过程【2 9 】： 1 相对运动段( i 段) 。i 段即为液体射流与气体射流的相对运动段。液体射流由喷 嘴喷出后，由于能量交换将在接受室差生负压及射流边界层与气体之间的粘滞作用，气 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 体被自动吸入进接受室，并与液体射流作相对运动，而后跟随液体射流进入喉管。这段 过程气液射流均为连续介质。 2 液滴运动段( 段) 。气体跟随液体射流进入喉管以后，二者通过强力的相互冲 击作用，液体会被剪切成大量的液滴与气体一起运动。液滴在喉管内作高速运动，与周 围的气体分子进一步湍动碰撞，把能量传递给气体，对其进行加速和压缩，使二者混合 更加充分。这段流动过程气体射流仍为连续介质，而液体射流变成了不连续介质。 3 泡沫流运动段( i i i 段) 。液滴和气体射流混合进入扩散管进口段，由于从喉管进 入扩散管体积的变化，混合液动能转变成压能，液滴对气体分子不断作用将其粉碎成大 量的微小气泡，而液滴重新聚合为液体，气泡溶于液体射流中形成泡状流从扩散管出口 流出。 1 喷嘴2 接受室3 吸气室4 喉管5 扩散管 图3 - 9 射流气泡发生器结构示意图 f i 9 3 9 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ej e tb u b b l eg e n e r a t o r 3 3 2 射流气泡发生器结构参数的确定 由图3 - 9 可知，射流气泡发生器结构包括喷嘴、接受室、吸气室、喉管和扩散管五 部分，与这五部分结构相对应的几个重要结构参数是喷嘴出口半径冠、喷嘴出口与喉管 入口的距离( 喉嘴距) 厶、喉管半径r 、喉管长度厶、接受室出口收缩角口和扩散管 入1 3 扩散角，如图3 1 0 所示。 。 矗 i_l 。， 多 公毒 | 一一r 图3 1 0 射流气泡发生器结构参数示意图 f i 9 3 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h ej e tb u b b l eg e n e r a t o r l 、喷嘴形式及尺寸的确定 第三章气泡发生器理论及结构设计 喷嘴是将液体射流喷入接受室的部件，喷嘴出口面积要比入口小很多，因此高压射 流经过喷嘴喷出后压能转变成动能。应用较多的喷嘴有流线型、圆薄壁孔口型、锥形收 缩型和多孔型几种形式，本文选用的是锥形收缩型喷嘴，由图3 1 0 其入口半径为凰、 出口半径为r 。，在喷嘴入口和出口液体射流流量不变，得出r 1 的计算公式如3 2 3 p o l 。 ri = ( 3 2 3 ) 式中，绕为液体射流喷入流量，l l l ；m 为流量系数，一般取朋= o 9 5 - 0 9 8 ；异为入口 的工作压力，m p a ；7 为容重，n m 3 。根据实验室液体供给及管路设计情况，设计的喷 嘴流量q 为3 2 0 l h 左右，压缩机供给压力最大能够达到o 8 m p a ，根据试验需要，工作 压力采用0 2 m p a ，而出口压力为常压，流量系数取0 9 6 ，将以上各数据代入式( 3 2 3 ) 计算得到尺。- 2 4 4 m m ，为了试验和加工方便，取喷嘴出1 2 1 直径d l = 5 m m ，喷嘴出口收缩 角取为1 3 0 。 2 、接受室尺寸的确定 由图3 - 9 知，接受室是液体射流与吸入气体初期混合作用的场所，它与喷嘴、吸气 管、喉管三部分相连。接受室一般做成圆柱形，其截面面积取成喷嘴出口面积的6 , - - , , 1 0 倍3 0 1 。本文取接受室截面积为喷嘴出口面积的9 倍，则接受室直径d 接= 1 5 m m 。 3 、喉嘴距的确定 喉嘴距是喷嘴出1 5 1 至喉管入口的距离，用变量三，表示。喉嘴距是射流气泡发生器 非常重要的结构参数之一，对发泡器的性能有很大影响。l 太大时，由于与壁面相交 前的流束太长，被引射进入接受室的流量就会太多，导致不能将其增压到足够的排出压 力，接受室外周就会出现倒流现象，增加了能量损失；而厶太小，又会使接受室的有 效长度缩短，不能充分进行动量交换，导致流束的流动速度不均匀，也同样会使能量损 失增加。因此本文试验中喷嘴采用外螺纹与接受室采用的内螺纹进行连接，可以调节二 者之间的距离，即喉嘴距的大小。最优喉嘴距的大小也是本文试验研究的一个重要方面。 根据试验资料总结喉嘴距一