（工程热物理专业论文）t型微通道气泡生成实验研究.pdf

摘要微气泡在生物医学、动力、化工、采矿、核能、环境、石油、冶金等领域的意义是巨大的，并且具有极其广泛的应用。微气泡生成的大小、稳定性、以及均匀度都影响其应用效果。但对如何能稳定高效的生成均匀度好且尺寸较小的微气泡，人们的认识还很不足，有待进一步研究。本文采用t 型微通道产生微气泡，以水溶液作为液相，氩气作为气相，使用超高速成像系统对t 型微通道内的气泡生成过程进行可视化实验研究，目的是获得直径较小、生成频率稳定快速、均匀度好的球形微气泡。通过改变t 型微通道连续相通道与分散相通道的宽度比，考察微通道结构对气泡直径、生成频率、均匀度、稳定性以及微通道内流型的影响。通过改变水溶液中c r r 气溶胶和丙三醇的质量分数，考察水溶液表面张力和粘度对气泡直径、生成频率、均匀度、稳定性以及微通道内流型的影响。记录微通道内流动状态、气泡形状以及生成周期。分析流型随气相液相入口压力变化的规律，并以流型图的形式给出了结果；拟合气泡直径和生成周期随气相液相入口压力变化的曲线，以曲线图的形式给出了结果；描述不同流动状态的典型特征，并附有图片说明。寻找到了有利于微气泡生成的最佳气相液相入口压力范围，以及最佳微通道连续相与分散相通道宽度比，水溶液中0 r r 气溶胶及丙三醇质量分数。关键词：微气泡；t 型微通道；微通道结构；0 t 气溶胶质量分数：丙三醇质量分数。i xa b s t r a c tm i c r 0 - b u b b l 鹳a r e 璐e 朋j na 奶d e 脚g eo fa p p d i c a t i o n s ，p a n i c u 】划yw r h 1 1 1 eb u b b j es i z ci sf m ea n du n i f o 皿h o w e v m l d i e so ne 航c t i v em e t l l o d so f f a b r i c a t i i l g 吼j c hf i 雎a n du n i f b mb u b b l e sa r el i n l i t e d t h cp r c s e n tw o r kp r o p o s e st 0l l s et - j 吼c t i o no fr n i c r o c l l a 尬e lt 0g e n e r a t et l l e s eb u b b l e s b y 璐i n gw 砒盯l 砸船l i q l l i dp h 硒e ，缸g o n 鹪g 勰p h a 蹁趾d 缸l l l t r a 坷g l l s p e e dc c dc 锄e ms y s t c i i l ，w ec a r r yo nt h er e s e a r c ho ni i l i c r o - b l i b b l c 掣m 锄l i o ni n0 r d 盯t op r o d u c e 蛳a l lb u b b l e sw i t hal o wc o e m c i e n to fv a r i a t i o na taf i x e dg e n e m t i o nf e q u e n c y w es n l d y1 1 1 ee f f e c t so f 蹦c r o c l l a i l n e ls m l c t i i r e ，n u i di 1 1 t e r f h c i a lt e n s i o n 锄dv i s c o s 崎o nb u b b l es i z e s ，m e i rc o e m c i e n to fv a r i a t i o i l s 扭b i l 时o fb u b b l cg e n e r a 吐o na n dn o wp a _ t t e r n ，b yc h a n g i n gt l l ew i d t l lm l i oh 婀v nc t i n 璐p h a s ea 1 1 dd i s p c r s i i l g p h a 辩c 1 1 a 蚰e l s ，也ec o n c c 曲眦i o no fo t 解r o s o l 柚dg l y c e r i ni nw a t e rs o l u t i w er e c o r dn o wpa _ 慨，b u b b l es 嶂锄dg e 鹏翔廿o n 丘蜘u e n c y s t u d yf l o wp a t t e mv 越a t i o n 舔i n l e tp r c s s u r e so fg 觞柚dl i q u i dc h a n g e ，觚dp r e mt 1 1 e 托s u ni i lt h ef o 姗o f n o wp a t t e r n s w 毫a i o 阮i i i l 锄p i r i c a lr c i a t i o 璐如r b u b b i es i 嚣sa n dt i l e i rg e n e r a t i o nf e q u e n c y 孤de x 锄i l l ef 幻t i l 北sd i f r c ”mn o w 耻吡e m s t h eo 尹t i n l a li i l l e tp r e s s u r c 啪g ei sa l s oo b t a i 蛐e d t h e 。d 埘m a lw i d t hm t i ob e t w nc o m i n u o 啪p h a 锄dd i s p e r s i n 哥p h a s ec h 孤鹏l s ，锄do 埘m a lc o n c e 蛐叫o fo t r o s o l 雏dg i y c e r i nh a se x p e r i m e m a l l yb e e nd e t e m i i l e d 雒w e l l k e y w o r d ：m i c r o b u b b l e ，i i l i c r o - c h 枷e lt - j 蚰c t i o n ，m i c 肛c h 姐ls 呲t u r e ，o ta 盯o s o lc o n c e n t r a t i o n ，g l y c e r i nc o n c c n t m t i o nx原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：_ 二牝日期：- 2 遮丑j 坦关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者躲鱼曲师躲醢陬期：啦第l 牵绪论1 1 引言第l 章绪论气泡广泛存在于我们生存的环境中，许多物理化学过程也都伴随着气泡的产生。当气体在液体中受到剪切力的作用时，就会有大小不同、形状不同的气泡产生。气泡生成现象存在于石油化工、医学、核能、环境工程等诸多领域。自微电子机城系统( m e m s ) 的概念于2 0 世纪8 0 年代末提出，微纳电子机械系统( m e m s n e m s ) 快速发展并在国际上成为一个新兴的技术和科学前沿【啦l 。研究对象在微细尺度下表现出来的“超常”现象引起了广泛的关注和极大的研究热情p 】。相对于常规尺度，微细尺度下的气体和液体流动特性有着很大的不同，如边界速度滑移和跳跃、粗糙度效应和表面力效应等【4 l ，所以微气泡的物理化学性质与常规尺度下的气泡有很大的不同。不同应用领域对于微气泡的定义是不同的，本文所指的微气泡是气泡表面直径为微米级的气泡。在溶液中生成气泡，就是克服液体分子间引力和液体分子对气泡表面分子的引力做功的过程，此种能增大液体表面积的功称为表面能。所生成的气泡越小，所施加的功就越大，气泡总的比表面积就越大，所具有的表面能就越大。所以与常规尺度的气泡相比，微气泡具有巨大的表面积和界面能。1 2 国内外研究现状1 2 1 微气泡的生成方法如何利用微流体机械高效的产生和控制微气泡引起人们极大的兴趣【孓1 0 1 。根据气泡产生机理的不同，气泡的生成方式一般有三种：电解析出气泡、溶气产生气泡和引气制造气泄1 1 1 对气泡生成的研究始于1 8 8 3 年b a s h f o r t h f l 2 】等人的研究；b o w o n d e r 等在1 9 7 0 年研究了通过多孔盘制造气泡【1 3 1 ；随后t a k a h a s h i 等人于1 9 7 9 年开始进行压力溶气析出气泡的研究【1 4 】；电解析出气泡的研究开始于k e t k a r等人在1 9 9 1 年进行的研究【”】溶气产生的微气泡直径一般在2 0 1 2 0 岫之间，大小均匀，但流程复杂，操作麻烦：电解析出的微气泡直径一般在2 0 6 0 岬之间，气泡较小，但极板损耗大，运行费用较高【阐。近年来，利用微通道、微喷嘴或者多孔介质等微机械引气制造气泡的发展迅山东大学硕士学位论文速。对微气泡的实验研究扩展到研究微机械结构、溶液物理参数、气体液体流率、气体液体压力等对微气泡直径、均匀度的影响。f u j i w a r a 等人成功利用文丘里管生成了微气泡，并且考察了管内流动结构和生成气泡直径的关系，对微气泡的破碎机理也进行了研究，指出导致气泡破碎的主要原因是文丘里管内强烈的冲击压力振荡f i7 1 。c u b a i l d1 1 1 0 m 嚣等人通过改变表面张力、气体流率和液体流率的方法研究了横截面是正方形的十字型微通道交叉口处气泡的生成过程，指出当液体压力梯度超过气体压力梯度时气泡长度受通道尺寸和流体空隙率的影响【”】。g a r s t “p ，g a n 她c a l v oa m 和w l l i t e s i d e sg m 指出微流器械中液体的流速决定了气泡的生成机理，认为使用l o o 微米尺度的微流体系统能生成均匀度很高的气泡【1 9 1 。本文采用的实验方法是t 型微通道产生气泡，t 型微通道是在乳化液制备中使用最广泛的微机械几何形状【2 删。p i o 仃g 觚；t e l c k i 等人提出一个t 型微通道中关于生成气泡直径的关联式：l = 1 乜q i i q 。，其中l 是指气泡长度，w 是指微通道宽度，a 是一个与t 型微通道几何形状有关的一次常数，q i n ，q o 。是被分散相与连续相的流速比，并且通过实验验证了这个关联式对于液滴和气泡都适用【2 卯。j h x u 等人【硐通过大量实验拟合出关于t 型通道所生成气泡直径与连续相溶液的粘度和流速的关系：d 。o cm c u c ) 吨3 3 。1 2 2 微气泡的应用范围微气泡的生成是一种的气液两相流物理现象，微气泡的形成过程以及它的物理化学性质，已经被广泛应用于生物医学、动力、化工、采矿、核能、环境、石油、冶金等领域【2 7 l 。微气泡的生物医学领域的应用极为突出，而且渗透到医学的最前沿。1 9 6 8年g r 锄i a k 和s h a l i 首先报道注射液中经振荡混入的微气泡可增强心腔内的超声回波【2 8 捌，如今超声微气泡作为超声造影剂已经日趋成熟【3 们。超声波造影剂所包含的微气泡平均直径仅为几微米，经外周静脉注射后可以完整通过肺循环，随血液循环进入全身各组织器官，当超声波入射人体时，微气泡可以发生震动、破裂，同时伴随一系列生物物理效应。超声成像利用这时增强产生的线性或非线性超声散射，来增强血流信号，观察心血管、组织器官和肿瘤组织的灌流情况1 3 ”。学者们还发现在超声和微气泡的共同作用下，毛细血管基底膜以及细胞膜的通透性会明显提高，甚至使细胞膜发生暂时性的、可逆的、相对无害的穿孔【3 2 l ，从而促使2第l 乖绪论一些大分子物质可以通过基底膜屏障，进入组织细胞内。超声微气泡亦可作为一种高效的载体，通过超声辐照能使其定向爆破，将所载基因或药物释放在靶组织内，尤其是在运载基因方面的发展迅速，取得了长足的进步【3 3 。5 l ，同时在携载化疗药物方面也有研究。冉海涛等冈成功制备了包裹阿霉素的高分子微气泡造影剂。杨春江等p7 】通过实验证实了体内载药脂质微气泡亦能达到普通造影荆的显像效果，为定点破坏载药微气泡，靶向释放药物提供了基础，也为在实时显像监控下定点释放载药微气泡提供了可能。同时超声微气泡也能介导其他生物大分子如蛋白质、抗体等的定向转导，在溶栓治疗、肿瘤定向治疗以及炎症显像诊断方面的研究也不断深入【3 5 】。此外。微气泡还被用来治疗心脑血管疾病，静脉注射微气泡能加速患者超声诱导的溶栓过程，使血管再通速度加快，完全再通率增高，短期神经功能转归更好【3 们。此外利用微气泡可以达到减阻的效果，国内外研究微气泡减阻已有3 0 余年的历史。8 0 年代，m a d a v 孤等【4 0 】用多孔板喷射气体形成微气泡的实验方法，研究微气泡对降低平板表面摩阻的作用，取得了极富价值的成果，发现通过这种方法可以降低局部摩阻达8 0 。但由于微气泡流动状态的复杂性，目前仍不能全面系统阐明其减阻机理，较为认可的摩擦阻力减小的主要原因是：微气泡使物体附近流体密度和粘性系数发生改变、同时微气泡的存在也改变了湍流边界层的结构，这说法得到了许多实验研究和数值模拟的直接或间接证实。吴乘胜，何术龙【4 l 】通过计算，发现微气泡减阻的关键是能够生成足够小的气泡并使之尽量附着在物体表面附近以获得较高的空隙率。利用微气泡爆破液相物料纳米粉添加方法可以制备纳米材料。这种方法是以压缩气体驱动，携带无机纳米粉进入液相物料内部，在液相物料压力脉动流场中形成大量微气泡；利用微气泡在压力脉动流场中受高频挤压爆破形成的局部冲击以及大量微气泡密集爆破在液相物料内部形成的冲击来实现无机纳米粉在液相物料中纳米尺度的均匀分散【4 2 l 。微气泡还有很多其他的用途，在采矿领域，可以利用气泡和固体颗粒发生碰撞形成结合体而浮升的原理，进行矿物精选，称为矿物的浮选；在过热液体中。利用高能活性粒子能够诱发空穴气泡的原理可以制造出放射性物质监测仪器，用来监测放射物质的泄漏情况或者用于国家核安全的应用；微气泡还可以应用在水处理领域中：( 1 ) 曝气充氧处理微污染地表水，( 2 ) 微气泡气浮作用处理生活污水：利用微气泡爆破技术还可以对内燃机车冷却水系统的进行整体清洗【2 7 1 山东大学硕士学位论文1 2 3 微通道内气液两相流流型随着近年来m e m s 的快速发展，人们发现制约m e m s 发展的不再是加工技术的进步，而是在微系统中出现的不同于宏观系统的流动和换热现象，人们对这些问题尚未认识清楚。在m e m s 领域，很多微型设备包含流体流动的问题【4 引，所以国内外的研究学者均对微流体机械内部的流动特性产生了浓厚兴趣，特别是微通道内气液两相流的流型变化。研究微通道内气泡生成的过程即研究微通道内气液两相流流型。通过查阅文献发现，目前国内外对微通道内气液相流的现象及理论研究还不足，大多数的研究没有突破微通道当量直径小于l 姗的限制。对于当量直径小于1 0 0 哪的微通道内气液两相流动的已知数据并不完全一致，微通道当量直径的减小对两相流的影响还不清楚。f e n g 和s e r i z a w a 等人对微通通道内气液两相流研究较多，于1 9 9 9 年、2 0 0 1年和2 0 0 2 年分别对直径为2 0 弘m 和1 0 0 岫的圆形微通道内空气一水的两相流动进行了实验【非4 6 l 。发现了五种流型：分散气泡流、弹状气泡流、液体环形流、液体块状流和液滴流，如图1 1 。图1 1s 鲥z a w a 等拍摄到的空气- 水两相流流型图，圆形石英微通道直径为2 5 岫：a ，气泡流；b 、弹状流；c ，液体环状流；d 液体块状流：c 、液清流4第1 章绪论2 0 0 4 年，c h 哪g 和i 【a w 匈i 对直径分别为5 3 0 岬、2 5 0 岬、1 0 0 “m 和5 0 岬l的圆形微通道内氮气一水的两相流动进行了实验研究【4 刀利用流型分布图、空隙率和摩擦压降等描述了两相流流动特性，并拍摄大量图片记录流型，如图1 2 - 3 。图1 2c h m g 和i ( a 、喇i 拍摄到的流型图。微通道直径为2 5 0 ，册：a 、气泡流；b 、弹状流；c 、混乱流；d 、气流蜿蜒波动：e 、弹状流- 环状流；f 、液体环状流图1 3c h m g 和k a w 萄i 拍摄到的流型图，微通道直径为5 0 ，研：a 、液体单相流动；b 、被平滑液膜包围的弹状流；c 、被液膜隔离的弹状流；d 、气流婉蜒波动。国内对于微通道内气液两相流的研究起步较晚，赵天授等人2 0 0 0 年研究了垂直放置的横截面为等边三角形的微通道内空气水两相流流型分布h 8 】。他们采山东大学硕士学位论文用的微通道当量直径分别为2 8 8 6 姗、1 4 4 3 m m 、o 8 6 6 舢。结果发现前两种微通道所出现的流型与常规尺度一样，包含有分散性气泡流、弹状气泡流、混乱流和液体环状流，但是对于当量直径为o 8 6 6 m m 的微通道却没有发现分散性气泡流。2 0 0 6 年宋静在直径为4 0 0 呻1 光滑通道内进行了氮气一乙醇、氮气一c 的两相流实验，研究了液体性质( 密度、粘度等) 对微通道内两相流体流动的影响f 4 9 】。得出结论：不同流体的摩擦压降都会随着表观气速和表观液速的增加而上升，而且随着粘度的增长，总体压降也会呈现上升趋势，同时粘度越大越容易出现环形流。1 3 本文的主要研究内容1 本文利用t 型微通道生成微气泡，通过可视化实验观察微通道内气液两相流的流型转变，绘制关于气相液相入口压力的流型图，记录每个流态的典型流型，并重点分析气泡流动区气泡的直径和生成频率随气相液相入口压力变化的规律，记录不同气相液相入口压力下气泡的形状特征。2 通过改变微通道结构。水溶液中0 t 气溶胶以及丙三醇的质量分数，对气泡流动区生成的气泡直径、频率和气泡均匀度进行分析比较，寻找最佳的实验方案获得尺寸较小、生成频率稳定、均匀度最佳的微气泡。6第2 章t 型微通道气泡生成实验研究2 1 实验目的第2 章t 型微通道气泡生成实验研究1 利用t 型微通产生气泡，记录流态随气相入口压力的变化情况，绘制关于气相液相入口压力的流型图。改变水溶液中0 t 气溶胶和丙三醇的质量分数，微通道的结构，总结这些参数对流型变化的影响。2 利用超高速成像系统拍摄气泡生成的图片，利用软件分析图片，记录气泡生成的直径和频率，拟合气泡直径和生成频率随气液相入口压力变化的曲线，总结气泡直径和生成频率随气液相入口压力、水溶液物性参数及微通道结构变化的规律。3 利用超高速成像系统拍摄微通道内流型图片，分析不同流型的典型特征。2 2 实验原料与实验系统本实验采用蒸馏水作为液相，氩气( ) 作为气相。为了能减小液相的表面张力，从而获得稳定的气泡，在蒸馏水中加入气溶胶( a e r o l0 t ) 作为表面活性剂唧】，同时为研究水溶液粘度对气泡生成的影响，在水溶液中添加不同质量分数的丙三醇来改变水溶液粘度。另外使用环氧树脂胶粘结刻有t 型微通道的玻璃片于与塑料接头。在清洗玻璃微通道时要用到浓硫酸、乙醇、丙酮等。本实验系统包括流体驱动系统和显微成像系统两大部分，为防止设备震动对微通道气泡生成及拍摄环境的不良影响，除了高压气瓶外，其余所有实验设备均放置在防震平台上【3 9 】。t 型微通道水平放置在显微镜载物台上，横向和纵向微通道在同一水平面，因而可以忽略重力对流型的影响。本实验的流体驱动系统包括一个高压加气瓶，两个不锈钢压力容器，管路连接依靠透明尼龙管。两个压力容器一个作为储液罐，另一个为储气罐。a r 从高压气瓶流出，经球形截至阀和锥形微调阀分别进入储气( 液) 罐，罐顶装有精度为o 2 的压力传感器来监测罐内压力，罐侧面配有锥形放气阀，储气( 液)罐底部有出气( 液) 口，气体或液体由压力驱动流出，经球形截至阀和过滤器后进入t 型微通道，混合液由t 型微通道上的出口流出，进入收集瓶。例如需要提高气液相入口压力时，打开与高压气瓶相连的球形截至阀，通过微调阀调节进7山东大学硕士学位论文气量，依靠压力传感器监测罐内压力，若不慎使压力升高超过预定值，则打开容器另一侧的放气阀，放气减压，直至所需压力，关闭放气阀。由于受到玻璃片与接管处环氧树脂胶强度和尼龙管强度的限制，本实验压力范围限制在0 8 m p a 以内。实验系统原理图实验系统实物图图2 1 实验系统原理图与实物图显微成像系统包括一台超高速成像设备，显微镜，连接显微镜与超高速成像设备的光路系统，计算机以及显示器。图像由显微镜放大，经由光路系统被超高速成像系统采集，并且同步显示在显示器上，图片可以手动或自动存储在计算机中。2 3 实验设备2 3 1 t 型微通道t 型微通道是由两片玻璃键合而成，上层玻璃利用金刚钻钻三个孔，作为气液相入口以及混合液的出口，下层玻璃上的横向及竖直微通道采用光刻和刻蚀技术制作，如图2 2 所示第2 章t 型微通道气泡生成实验研究图2 2 t 型微通道示意图本实验共设计了6 片t 型微通道用来验证气泡生成效果和气液流动状态特性，如图2 3 a ，横向通道的宽度d 矿1 6 0 岫，竖直通道的宽度d 叠分别取为8 0 岬，1 2 0 岫，1 6 0 岬，2 4 0 岬，3 2 0 岬，4 0 0 岬，d g d w = o 5 ，o 7 5 ，l ，1 5 ，2 ，2 5 ，通道深度一律是3 0 岫，微通道截面形状如图。根据竖直通道尺寸对微通道进行编号分别为d 8 0 ，d 1 2 0 ，d 1 6 0 ，d 2 4 0 ，d 3 2 0 ，d 4 0 0 。l暑噍t 形微通道结构图微通道横截面示图图2 3 t 形微通道图9t 形微通道实物图山东大学硕i ：学位论文2 3 2 超高速成像系统本实验的核心设备是美国c o l m n 生产的超高速成像系统，型号为c o r d 矾2 2 0 a - 8 。本系统由8 个c c d 照相机组成，每个照相机有着各自的微通道增强器( m c p ) 和快门，系统的每一个参数都是通过软件来设定。所有照相机透过同一个镜头拍摄图像，镜头与一个薄膜分光镜片配合，这样可以为8 个照相机提供相同的场景。c o i i n 2 2 0 a 8 最多可以一次拍摄8 张照片，每两张照片之间的时间间隔为1 0 的倍数，且8 张照片的总时间间隔最大为5 m s 。另外，本系统既可以使用普通照明方式也可以使用背景光照明方式，每个照相机都可以单独调整曝光增益，这样即使在物体亮度不同或者照相机曝光时间设置不同时仍然能够得到清晰的照片。在每个照相模块的照片直接被存储、处理和数字化，然后存放在每个照相机的内存中，随时可以将图片转移到计算机中。图片另存入计算机后，可以通过系统配备的软件，处理拍摄到的照片。本实验使用该软件测量了气泡生成直径和生成频率。2 3 3 显微镜及其他辅助设备实验中所使用的显微镜以及显微镜与超高速照相机之间的光路连接装置均由济南强盛光学设备有限公司生产，显微镜型号为b x - 3 0 i b ，普通三日生物显微镜。实验选择放大倍数为4 和1 0 的物镜，工作距离分别为3 7 o i 衄和6 5 4 4 m m ，微通道气泡发生器盖片的厚度为1 5 蚴，小于所需工作距离，适合实验需要。使用l o 的物镜成像拍摄d 8 0 2 4 0 型微通道内的气泡生成过程，经过光路转换，照相机拍摄的图像再次被放大，可以清晰的观察到流型变化情况。对于d 3 2 0 、4 0 0 型微通道，使用1 0 物镜放大倍数过大。仅能观察到气泡刚脱离t 处时的短暂过程，所以使用4 更适合实验需求。由于实验是在普通的室内环境中进行，空气中有大量尘埃，在向压力容器中添加溶液时，难免有空气颗粒混入容器，而且溶液在配制过程中也不可避免的引入一些微粒，此外作为驱动力的a r 气里面也有可能包含一些杂质颗粒，为了避免这些微粒堵塞微通道，在进入t 型微通道入口前安装有过滤器。过滤器采用不锈钢粉末压铸滤芯，能过滤掉直径大于2 0 哪的颗粒。实验中使用的截至阀、微调阎和过滤器均由北京卫星制造厂生产，全部为卡套式，公称直径为3 m m ，工作压力为1 6 m p a 。压力传感器( z f b y3 8 0 1 ) 由西安中飞传感技术有限公司生产，1 0第2 章t 型微通道气泡生成实验研究精度为o 2 ，量程为o 1 m p a ，输出4 - 2 0 i r a 的电流信号。不锈钢压力容器采用西8 9 x 4 5 的不锈钢管、法兰和封头焊接而成，最高承受压力为1 6 m p a 。2 4 实验数据处理及误差分析2 i 1 实验数据处理气泡的生成直径和生成频率是通过成像系统所配备的软件获得的。因为图片拍摄为平面图，无法知道气泡所占的深度如何，只能通过成像系统拍摄的气泡表形状面图研究气泡大小。将实验拍摄到的图片在软件中放大，到能清晰地看到气泡边界，由于大部分气泡是椭圆形，所以在图片分别量取长轴( a ) 和短轴( b )的像素值，已知通道的宽度，比较得出长短轴的实际值。由于随着气泡在横向微通道内的运动会膨胀变大，实验中所指的气泡直径是t 处气泡刚生成时的表面直径。由于大部分气泡并非球形，为了研究的方便我们用相同面积的圆形直径来表示气泡的大小，称其为表面直径d = 幻。每组8 张照片之间的时问间隔以及曝光时间是通过软件设定的。拍摄时保证8 张照片至少包括一个气泡的生成过程，通过软件比对出一个完整气泡的生成所占的照片张数，得出气泡的生成频率。2 4 2 实验数据误差分析压力传感器的精度为o 2 ，量程为l m p a ，所以压力传感器的最大引用误差应该小于。2 ，即。一：坚毫山。，。2 ，所以l d l i 懈l o 2 4 = o 2 1 0 0 0 蜀p 口= 2 尼阮，即压力传感器的最大示数误差小于2 k p a ，即昂2 艘口。实验中测量的，最低压力值为2 6 2 5 k p a ，引用误差小于互丢嘉l o o = 7 6 ；最高压力值为6 5 0 k p a ，引用误差小于考= l o o = o 3 1 。从而我们知道压力测量的最大相对误差小于7 6 。h 、i jd气液压力比足= 鲁被用来作为划分流型变化的依据，只表示气相入口压力，山东大学硕 二学位论文最表示液相入口压力& = 筹。观+ 筹也= ( 专一每珥，随着气液压力的升高压力比的相对误差逐渐减小，因而我们计算当气液压力都较小时的& ，本实验中的最小液相入口压力5 0 k p a ，对应最小气相入口压力2 6 2 5 l ( p a 。以= ( 击一等) 2 = o 0 1 9 咒阳，压力的最大相对误差为垒：旦坐1 0 0 ：3 6 。ko 5 2 52 微通道当量直径的不确定度微通道横截面为近似梯形，上下底边宽度的最大绝对误差晚= o 5 岬，高度的最大绝对误差为如= l 岬1 ，在实验中所用到的最小微通道截面为8 0 3 0 岬，最大微通道为4 0 0 3 0 岬，所以微通道横截面宽度的最大相对误差小于等l o o = o 6 ，深度的最大相对误差小于嘉1 0 0 = 3 3 令心蚍+ z 厢删缸，+ 尚，等2 南微通道当量直径见：4 。丝骘丝垒丝，：型罂。当量直径的绝对( 三+ o 9 l + 2 ( o 0 5 ) 2 + d 2 )误：等 警伽，舭竺兰等螳。当量直径的相对误差随着当量直径的增大而减小，当微通道当量直径最小时，当量直径的相对误差最大。实验中使用的最小微通道为l = 8 0 ，d s 3 0 ，所以：2 1 2 5 岬，等：2 1 6 ，祟：1 9 8 ，仇。4 2 9 2 岬a a d“民_ 3 _ 8 型地坐坐吲警业坐幽= l _ 0 8 岫因而微通道当量直径最大相对误差为鲁= 乏釜1 0 0 = 2 5 。3 气泡表面直径的不确定度气泡表面直径的计算公式为d = 万，所以如= 等皖+ 等磊。表面直径1 2第2 章t 型微通道气泡生成实验研究直接从屏幕上用软件量取，绝对误差小于o 5 岬，实验中测得的最小气泡呈圆形直径为3 3 6 4 岬，所以气泡直径的最大相对误差为鲁= 羔l o o = 1 5 4 气泡生成频率的不确定度高速照相机的时间误差为3 ，我们判断气泡的生成时间误差小于l 璐，在实验中最快的气泡生成频率为4 5 4 5 个，秒，周期为2 2 0 微秒，个，所以气泡生成频率的最大相对误差小于! 尝孑1 0 0 = o 4 6 。第3 章微通道结构对气泡生成过程的影响为研究d g “对气泡生成范围、大小及生成频率的影响，使用d 8 0 ，d 1 2 0 ，d 1 6 0 ，d 2 4 0 ，d 3 2 0 ，d 4 0 0 型微通道进行实验。以水溶液作为连续相，由横向通道通入，氩气作为被分散相由竖直通道通入，水溶液是由质量分数为o 0 7 的o t 气溶胶与蒸馏水混合而成，其粘度为o 9 1 1 驴m 2 s 1 ，表面张力实测为2 6 6 9 m n m 。3 1d 8 0 型微通道实验结果实验时，将液相入口压力分别稳定在5 0 k p a 、1 0 0 k p a 、2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 、4 0 0 k p a 和5 0 0 k p a ，缓慢升高气相入口压力，观察在不同气相入口压力下微通道内水溶液的流态变化，发现微通道内普遍存在的气液流动状态主要有五种：液体流动( w a c e rn o w ) 、气泡流动( b u b b l yf l o w ) 、过渡流动( h i 衙鲫l d en o w ) 、分层流动( l a y e rn o w ) 和气体流动( g 鹤n o w ) 。表3 1 为各实验液相入口压力下流态转变对应的气相入口压力，图3 1 为流型分布图。表3 1d 8 0 型微通道内各实验液相入口压力下的流态转变时对应的气相入口压力表泌p w 国p 蹦p 1 lp l 如5 02 7 55 3 1 2 55 5 6 2 59 3 7 5l o o5 2 59 4 3 7 51 0 1 2 51 7 9 3 7 52 0 01 0 3 7 51 5 7 51 6 6 2 53 1 9 3 7 53 0 01 5 02 1 7 52 5 8 1 2 54 9 2 5枷2 0 2 52 7 2 53 3 5 6 2 56 1 8 1 2 55 0 02 4 7 53 3 0 6 2 54 0 8 7 5根据表3 1 中的数据将五个流动区域表示在以液相入口压力为横坐标，气相入口压力为纵坐标的坐标系中，可以得到有关气液两相入口压力的流型分布图，如图3 1 所示。山东大学硕士学位论文ol 斯o伽5 w 砒吖弭嚣s u r e 睁a图3 1d 型微通道的流型分布图w m ：流动状态由水溶液流动向气泡流动转变的曲线。k w - b = o 4 9 ，曲线方程为：y = 3 8 l + 0 4 9 x ；b i ：流动状态由气泡流动向过渡流动转变的曲线，k m = o 6 l ，曲线方程为：y = 3 0 7 + 0 6 l + x ；i l ：流动状态由过渡流动向分层流动转变的曲线，ki f 电7 9 。曲线方程为：y = 1 7 5 + 0 7 9 + x ；l g ：流动状态由气泡流动向分层流动转变的曲线，k “- 1 5 l ，曲线方程为：y = 2 3 4 6 + i 5 l + x 。3 1 1 液体流动区和气体流动区的典型流型以液相入口压力为2 0 0 k p a 时d 8 0 型微通道内所呈现的所有流型为例，详细说明随气相入口压力升高，微通道内的流态变化。液相入口压力稳定在2 0 0 k p a ，当气相入口压力小于1 0 3 7 5 k p a 时，气相入口压力不足以克服液相入口压力，横向微通道内只有水溶液流动经由横向通道的出口流出，且回灌进气相通道，称这种流态为液体流动状态，当气相入口压力稍大于1 0 3 7 5 k _ p a 之后，t 处有气泡产生，此气相入口压力为p w m ，对于水溶液的实验观察不到气体液体相互平衡的流体阀门状态。当气相入口压力稍大于3 1 9 3 7 5 k p a ，并维持在这个压力附近时，气体在t 处将横向微通道内的液体流动截断，t 处以后的横向微通道内只有气体流动，如图3 2 所示，称这种流态为气体阀门状态，此时的气相入口压力为p 啪，当气相入口压力大于p 时，微通道内所呈现的流态为气体流动。由于气相通道较窄，气体难以将液体封闭在t 处之前，对于液相入口压力为5 0 0 k p a ，受实验设备承压能力的限制观察不到气体阀门状态。1 6鲫啪鳓蛳珊枷鼬蛳鼬狮瑚伽o罡x曩e口-第3 章微通道结构对气泡生成过程的影响图3 2 气体阀门状态图。液相入口压力为2 0 0 k p a ，气相入口压力为3 1 9 3 7 5 k p a3 1 2 气泡流动区的典型流型及气泡生成特性当液相入口压力在p w m 和p 啪之间时，t 处以后的横向微通道内是气液两相共存的状态。通过实验发现在d 8 0 型微通道内气液两相共存时主要有三种流态，一种被称为气泡流动状态，一种被称为过渡流动状态，再有一种被称为分层流动状态。气泡流动状态即t 处以后的横向微通道内有连续稳定的气泡产生，气泡随水溶液由出口流出如图3 3 在气泡流动区，气相入口压力足以克服液相入口压力及液体的表面张力，气体由竖直通道进入水平通道，随着液体的流动，气体在t 处延壁面拉伸，被切断，气泡形成，然后脱离连续气体随水溶液向出口流动。对于d 8 0 型微通道，以液相入口压力为2 0 0 k p a 为例，由于分散相通道相对于连续相通道较细，所以气体进入横向通道时能充满垂直通道，当气相入口压力略大于p w b 时产生的气泡较小，呈圆形，如图3 3 ，随着液相入口压力的升高至1 4 0 6 2 5 k p a ，气泡变大，受横向通道宽度的局限形状也发生变化，变为椭圆形，如图3 4 ( a ) 所示。当液相入口压力为5 0 k p a ，1 0 0 k p a 时，在气相入口压力接近p b - i 时，有较长气泡产生，但气泡边界始终比较圆滑，呈椭圆形，如图3 4 ( b ) 所示。图3 3 气泡生成过程图。液相入口压力为2 0 0 k p a ，气相入口压力为1 0 5 k p a ，气泡直径为8 1 4 4 m 1 7山东大学硕士学位论文ab图3 4 气泡直径图，a 、液相入口压力为2 0 0 k p a ，气相入口压力为1 5 5 6 2 5 k p a ，气泡直径为1 6 7 6 5 p m b 、液相入口压力为5 0 l ( p a ，气相入口压力为5 1 2 5 k p a ，气泡直径为2 5 6 7 2 i i m 。图3 5d 8 0 型微通道气泡流动区域内气泡直径变化图气泡直径随气相入口压力变化的拟合曲线方程分别为：p w = 5 0 k p a 时y 毫1 3 1 7 7 7 1 0 9 0 2 x - 2 7 3 x 2 + o 0 2 一；p w = 1 0 0 k p a 时y ；1 7 3 1 6 8 + 7 2 3 5 x _ o 9 4 x 2 + o 0 0 4 妒；p w = 2 0 0 k p a 时y 毫2 6 1 4 3 8 + 6 0 2 4 x 0 4 5 x j d 0 1 一；p w = 3 0 0 k p a 时y = 5 0 7 6 3 0 + 8 2 0 8 x - 0 4 4 x 2 + 7 7 4 x 3 ；p w = 4 0 0 k p a 时y ；5 0 7 6 3 0 + 8 2 0 8 x - 0 4 4 x 2+ 7 7 4 妒：p w - 5 0 0 k p a 时y 1 2 3 3 3 + l ”5 7 x 由4 4 x 2 + 5 0 4 x 3 ；最小气泡直径随气相入口压力的变化曲线：y = 3 9 1 8 + 1 2 9 2 3 e ( x m 0 0 ) ：最大气泡直径随气相入口压力的变化曲线y = 1 3 3 9 4 + 2 6 7 0 7 c “( x ，9 2 1 8 ) 。从图3 5 中可以得出，稳定液相入口压力时，随着气相入口压力的升高，气泡生成直径迅速增大，与气相入口压力约成3 次方递增关系，并且随着液相入口压力的增加，最大和最小气泡直径都呈指数规律递减。在整个气泡流动区内所产生的气泡直径范围为3 6 0 4 岫2 8 5 0 4 岬，当液相入口压力为5 0 0 k p a ，气相入口压力为2 4 8 1 2 5 k p a 时气泡最小，当液相入口压力为5 0 k p a ，气相入口压力为第3 苹微通道结构对气泡生成过程的影响5 2 5 k p a 时气泡最大。在对气泡生成频率与气液相入口压力比的关系的研究中，由于受超高速设成像系统拍摄速度快的限制，只对p w - 2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 、4 0 0 k p a 、5 0 0 k p a 时的气泡生成频率进行分析，下图3 6 是d 8 0 型微通道生成气泡的对比。n o 5 5响o j e 5o 抽o 7 5o 舯r a 铀酣p ，p w图3 6d 8 0 型微通道在液相入口压力为3 0 0 k p a ，4 0 0 k p a ，5 0 0 k p a 时气泡生成周期变化图如图3 6 所示在固定液相入口压力变化气相入口压力下气泡生成周期随着气液压力比增大呈指数规律递减，气泡的生成频率也就呈指数规律递增。对于p w = 2 0 0 k p a 时根据所测的数据拟合不出指数递减曲线，只能观察出气泡生成周期是随气液相入口压力比减小。对比不同的液相入口压力，得出气泡的生成周期随着液相入口压力的升高而减小，也就是气泡的生成频率随着液相入口压力的升高而增大。图中，液相入口压力为2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 、4 0 0 k p a 和5 0 0 k p a 时所能达到的最高生成频率分别为6 3 1 个秒、1 0 8 9 个秒、2 0 0 0 个秒和2 4 5 7 个秒。3 1 3 过渡流动区和分层流动区典型流型分层流动状态即t 处以后的微通道内，气体液体分为两层，气体紧贴下壁面，由出口流出：过渡流动状态介于气泡流动状态与分层流动状态之间，时而为气泡流动，时而为分层流动，随着气相入口压力的升高分层流动状态占的比重越来越大。液相入口压力为2 0 0 k _ p a 时，气泡流动和过渡流动两种流态的转变压力为1 5 7 5 k p a ，如图3 7 ，此时气相入口压力为pb 1 ；过渡流动和分层流动两种流态1 9拍们拍站加伤够譬ug；芒堂事a童口盎j口芎暑=a墨ll山东丈掌硕士学位论文的转变压力1 6 6 2 5 k p a ，此时气相入口压力为p i l 。由图3 1 联立曲线b i 与曲线i - l 方程得出在p w = 7 3 3 3 3 k p a 时两曲线相交，即在p w 小于等于7 3 3 3 3 k p a 时没有过渡流动状态存在，液体流动区域直接转变为分层流动区。对于d 8 0 型微通道，过渡流动没有典型的气泡生成，只有间断性的气体段产生，如图3 7 。当液相入口压力大于2 0 0 k p a 后，分层流动时气液分界面在很大范围内波动剧烈，如图3 8 。图3 7 过渡流动状态图。液相入口压力为2 0 0 k p a ，气相入口压力为1 5 7 5 k p a 图3 8 分层流动状态图，液相入口压力为4 0 0 k p a 气相入口压力为4 3 1 8 7 5 k p a 。3 2d 1 2 0 型微通道实验结果d 1 2 0 型微通道与d 8 0 型微通道在实验中出现的流态相同，也普遍存在五种流态：液体流动、气泡流动、过渡流动、分层流动和气体流动。表3 2 为各实验液相入口压力下流态转变对应的气相入口压力，图3 9 为流型分布图。表3 2d 1 2 0 型微通道内各实验液相入口压力下的流态转变时对应的气相入口压力表汰p w bp 刚p i - lp l 母5 03 0 6 2 55 1 2 58 2 5l o o5 7 58 4 3 7 59 8 1 2 51 5 3 7 52 0 01 0 51 5 01 6 02 8 6 2 53 0 01 6 0 6 2 52 0 9 3 7 52 4 6 8 7 54 1 6 8 7 54 0 02 1 0 6 2 52 7 6 8 7 53 2 9 3 7 55 4 7 55 0 02 6 3 7 53 3 5 6 2 54 0 0 6 2 56 5 0 6 2 5第3 章微通道结构对气泡生成过程的影响o，狮铷5 w 栅u 阳。婚 i图3 9d 1 2 0 型微通道的流型分布图。w 书：流动状态由水溶液流动向气泡流动转变的曲线。k = o 5 2 ，曲线方程为；y = 4 4 + 0 5 2 x ：b i ：流动状态由气泡流动向过渡流动转变的曲线，k b l = 0 6 3 ，曲线方程为；y = 2 2 4 4 + o 6 3 x ；i l ：流动状态由过渡流动向分层流动转变的曲线。k 踟7 8 ，曲线方程为：y = 1 3 5 7 + o 7 8 + x ；l 母：流动状态由气泡流动向分层流动转变的血线，k u g - 1 2 8 ，曲线方程为：y = 2 6 8 ”1 2 b + x 。3 2 1 液体流动区和气体流动区的典型流型不同于d 8 0 型微通道，d 1 2 0 型微通道液相入口压力为5 0 0 k p a ，气体阀门压力较小，小于实验承压极限，能观察到。3 2 2 气泡流动区的典型流型及气泡生成特性气泡流动区，以液相入口压力为2 0 0 k p a 为例，气体由竖直通道进入横向通道时，气体不能完全充满竖直通道，如图3 1 0 。气液压力比较小时，气泡小且为圆形；当气相入口压力升高到1 2 1 8 7 5 k p a 时，气泡逐渐变为椭圆形；气相入口压力继续升高至1 4 3 1 2 5 k p a 时，气泡形状变为一端大一端小的子弹形，随着气泡在横向通道内的运动，气泡边界会逐渐变圆滑，如图3 1 1 当液相入口压力为5 0 p a ，l o o k p a 时，气相入口压力稍低于p b d 时，气泡更加长，其形状更接近子弹形，如图3 1 2 。2 l瑚鲫晰鳓渤珊珊如期劫拼懦椭o旱皇2晷p五-山东大学硕i ：学位论文图3 1 0 气泡生成过程图，液相入口压力为2 0 0 k p a 气相入口压力为1 0 7 5 k p a ，气泡直径为8 0 岫图3 1 l 气泡形状图，液相入口压力为2 0 0 k