气泡浮子法测量流速的研究.docx

1、文章编号1009-2846（2012）05-0006-05气泡浮子法测量流速的研究李奥典（河海大学水利水电学院，江苏南京210098）摘要）文章研充了温度对不同直径的气泡在水中运动的影响，计算了不同液态、不同形状的气泡在不同温度中上.升的最终速度，并进行了气泡上升速度对温度的敏感性分析。通过实跄验证了气泡在料水中运动规律，给出了测量流速的气泡发生容装JL图以及气泡发生器产生的适宜的气流和出气针头。测定了不同直径下气泡上升的最终速度并与理论值进行了比较，结果表明：在4mm以下和理论分析姑果比较吻合，建议实际测量时气泡直径最好控制在4mm以下。关键词气泡；最终速度；浮子法；温度敏感性；流速测量中图

2、分类号TV131在现行的河流流速测量规范中，通常采用流速仪测最河流流速，该方法费时费工，极不方便。在流速仪测速困难或超出流速仪测速范围的高流速、低流速、小水深等环境中，通常采用浮标法测羚流量，此方法受外界的影响较大，精度较低，同样不是十分的理想。为此有学者提出了采用浮子式积深法测量河流流量的设想，在河底布置气泡发生装置，利用气泡发生装置产生气泡作为浮子，通过测得浮子从河底升至水面的时间和顺流而下的水平距离，计算出河流垂线上的平均流速，从而达到测量流量的目的。杨玉阁根据实测资料拟合出气泡冒出时间和水深之间的关系曲线，论证了气泡作为浮子在小水深、低流速河流中测量流髭的可行性，但缺乏理论依据。在气泡

3、上升速度的研究中，程文给出了圆形气泡上升过程中的运动学方程,，并计算最终速度；缴健研究了气泡上升过程中加速阶段的情况，指出了气泡上升过程中加速阶段可以忽略；徐炯讨论了气泡的动力理论特性，得到稳定状态下不同尺寸单个气泡的速度变化规律，运动轨迹规律等各种运动特性，指出了当d>4mm时，气泡在运动过程中开始变形，变成扁椭球形气泡。对于气泡在液体中上升运动规律问题，在石油化工、船舶制造等领域应用比较广泛，并由此建立了气泡动力学。笔者在前人研究基础上分析了文献标识码B水温对不同形态气泡运动速度的影响，并自行设计了一个实验装置，验证了理论上的球体形态气泡在不同温度中运动的可靠性，同时给出了流速测量所

4、用的气泡发生器的气流量大小和针头大小。1水温对气泡运动最终速度的影响1.1气泡冒出最终速度气泡在水中的形状因直径的大小而不同，主要有三种形状:球状、长轴水平的椭圆球形和球帽状，本文只讨论直径在0-6mm气泡的运动情况，直径在0-4mm气泡按球状气泡处理，直径4-6mm气泡按椭圆球形气泡处理。不同形状气泡的最终速度计算公式不尽相同。1.1.1直径在4mm内气泡的最终速度根据Stoke理论分析受力情况，可以将气泡近似的看作刚性球体，直径在4mm内的气泡形态近似为球体。本文以过渡区的直径为】mm和2mm气泡以及紊流区的直径3mm和4mm气泡为例，设定气泡运动的温度范围在0无至40T之间，以20T为基

5、准温度，每5T作为一个推算点。缴健给出了这种情况下水中气泡上升的最终速度的公式，如公式所示，式中灼为液体密度（即水的密度）0为空气密度0为气泡直径、g为重力加速度（取收稿日期2012-02-08作者简介）李奥关（1991-）,男，河海大学水利恭电学院在读.在法本科，折完方向为水剁水电。9.81m/s2)、C为阻力系数。其中0在各个推算点温度的值，如表1所示。温度的对应值寸,采用气态方程求解得出不同表1不同温度下水和空气密度对照表(单位:kg/m')水温or5免ior15X2025X30P35T40水999.8001000.000999.700999.100998.200997.0009

6、95.700994.100992.200空气1.2931.2701.2471.2251.2051.1841.1651.1461.128不同温度下不同直径气泡冒出最终速度J噎号公式中G)可以通过公式求解，但不同流态的计算公式不同，缴健采用试算的方法给出了不同直径的气泡所处的最终流态，在基准温度下，经试算得出：直径为0.5-2.0mm的气泡流态处于过渡区，此时,G,的计算公式如公式所示，式中Re为颗粒雷诺数、。为水的动力粘度。流体力学颗粒雷诺数可以用公式计算。直径为2.0-4.0mm的气泡的流态处于紊流区，此时的G«0.44。对于非球形颗粒其颗粒雷诺数取等体积球形颗表2利用公式、(2)、

7、(3)和表1参数可以计算出直径为1mm和2mm气泡在各个推算点的最终速度，利用(1)、(2)和表1参数及G>=0.44可以计算出直径为3mm和4mm气泡在各个推算点的最终速度，计算结果如表2所示。0-100%5-75%10-50%15-25%200%2525%3050%3575%40100%敏感指数S过渡区紊流区球体球体椭球状dp=2mmdp=3mmdp=4mmdp=5mmdp=6mm0.0843990.1863680.2984400.3446090.3524320.3524320.0905960.200051'0.29844403446130.3514880.3514880.0

8、965940.2132970.2984470.344617O.35O8I503508150.1024570.2262440.2984500.3446210.3500460.3500460.1081450.2388050.29845303446240.3489390.3489390.H37100.2510920.29845603446270.3484470.3484470.1191920.2631980.2984580.3446300.3475980.3475980.1245440.2750160.2984610.3446330.3467670.3467670.1298460.2867230.2

9、984630.3446360.3458300.3458302.5846%5.7072%0.0013%0.0015%-0.3675%-0.3675%最终速度v/(m/»)注:dp为气泡直径;8为实际温度与基准温度的偏差率1.1.2直径大于4mm气泡的最终速度当气泡直径大于4mm时,气泡形状发生变形，徐炯认为此时气泡的形态可按照扁柱体来处理。本文以直径为5mm和6mm气泡为例，设定气泡运动的温度范围也在0T至40P之间，也以20昭为基准温度，每52作为一个推算点。徐炯给出了这种情况下气泡上升的最终速度求解公式,如公式(4)所示，式中。为水的表面张力系数，不同温度下水的表面张力系数对应值8

10、如表3所示，其它参数含义同公式(1)。七绿x籍C。Pi利用公式(4)、表1和表3参数值以及0.44可以计算出在各个推算点的气泡最终速度，结果如上表2所示。1.2敏感指数与敏感性分析表3不同温度下水的表面张力系数对应表温度0X5幻ior15乞20X,25*30Y35T403C水的表面张力系数0.07620.07540.07480.07410.07310.07260.07180.0710.0701水温对不同直径气泡影响程度可以用敏感指数表示，Ng.E和R.S.Loomis给出了敏感指数S(sensitivityindex)公式如公式(5)所示，式中n为自变量个数、X为各自变最变化后求得的因变量值、

11、X。为标准自变量下求得的因变最值、6为自变量的变化率。取常温20Y下气泡上升速度为基准值，利用此公式可以计算出不同直径气泡对温度的敏感指数，计算结果见上表2所示。.1xioo%(5)几：=1O从表2结果可以看出：水温的变化对不同直径气泡的最终速度有一定的影响；而对处于紊流区的气泡影响较小；直径小于4mm的气泡在过渡区和紊流区对水温的敏感指数随直径的增加而增加，当直径大于4mm时，气泡对水温的敏感指数为一个定值。2静水实验材料与测验方法2.1试验材料与装置本试验水箱材料选用6mm厚的有机玻璃，规格为30cm(L)x30cm(W)xl20cm(H)；在底部安置气泡发生器；在顶端开有直径2cm的孔(

12、目的是既便于水箱内的水接触空气，也便于向水箱注水)；顶端孔中悬挂一支的温度计(测定水温)；水箱的背板固定有标尺和黑纸(便于观察和拍摄水箱内的气泡大小)。整个装置如图1所示。图1实验装置示意图气泡发生器由针头、护套、底座、进气连接头等四个部分组成，针头竖直向上，固定在有多玻璃支架上，如图2所示。针头材料为不锈钢，寿四种规格，内径/夕卜径分别为0.3mm/0.5mm、0.5mm/0.7mm、0.7mm/0.9mm、1.0mm/l.2mm,长度均为4cmo为了便于更换不同规格的针头，水箱设计成上、下可分离的两个部分(高度分别为90cm、30cm),用法兰连接。气泡发生器的气流由气泵产生,通过橡胶连接

13、管接入，如图1所示。图2气泡发生器实物图2.2气泡发生观测方法为了观测气泡发生的条件，在针头进气管上安装了气体流量计和气压表测试适宜的流髭与压力。因气体流量较小而采用灵敏度较高的LZB-3WB型转子流信计进行测量。考虑室内试验中的气体压力差不大，故采用U形压差式气压计测定压差。如图1所示。运用高速拍摄的方法记录气泡形状及大小，由于在拍摄中需要捕捉到运动中的气泡，相机的快门速度不宜过低，本实验的快门速度设定在1/3200s1/2500s范围内，光圈和ISO根据光源强度调整，镜头中心距离水箱底板的高度为70cm。2.3气泡上升速度的测量试驶在水深120cm、100cm、80cm等三种环境下进行。分

14、别试臆四种规格的针头及其不同出气流；、气水压差所产生的气泡形态。通过实测数据推算出气泡的最终速度，结果如表4所示。2.4气泡上升形态大小的测量与分析四种不同规格针头产生的气泡所拍摄的照片如图3至图6所示，从照片中可以看出外径为0.7mm和0.5mm的针头所产生的气泡大小在34mm,形态呈圆形或略扁的椭圆；外径为0.9mm和1.2mm的针头所产生的气泡直径在56mm,形态呈较扁的椭圆，有少部分呈现上突下凹的球帽状。对比上述理论计算出的气泡上升最终速度，当气泡形态呈球体(针头的外径为0.5mm和0.7mm)时理论值与实际值吻合程度非常高，误差只在6%左右，当气泡的形态呈非球体(针头的外表4,泡流速

15、计鼻表/N/m针头规格mm水深cm计fit高度cm平均时间S平均速度cm/s忌平均速度cm/s温度内役/外轻12093.53.8424.351.0/1.21007353.1423.4423.90805352.2423.921209353.9723560.7/0.910073S3.1523.3323S28053.52.2623.662812093S3S326.46052.710073.52.8325.9726.33805352.0126.561209353.5326.45O.3/O.51007352.80262926.44注：由于气泡没生装置距水底有一定距离，因此实际上升距离小于水深图3外径0.

16、5mm针头图4外径0.7mm针头图5外径0.9mm针头图6外径】.2mm针头径为0.9mm和1.2mm）时，采用扁柱体求得最终速度的理论值与实测数据相差较大，可见气泡在大直径下的实际运动状况较为复杂。2.5气压、流景对气泡上升形态的影响针对外径分别为0.7mm、0.9mm、1.2mm等三种规格的针头，试验不同的出气流量、气水压差所产生的气泡形态。在实验中发现：1）外径0.7mm针对的适宜气水压差可取725cmH2O；外径0.9mm针对的适宜气水压差可取514cmH2O；外径1.2mm针对的适宜气水压差可取2-3cmH20o可见,对于同一种规格针头不同水深的情况，适宜气水压差之间的差别不大；但是

17、对于同一水深不同规格的针头，适宜的气水压差之间的差别却很大。2）外径0.7mm针头的适宜出气流量可取0.0350.100/Lmin-'；外径0.9mm针头的适宜出气流最可取0.0350.180/Lmin-i；外径1.2mm针头的适宜出气流量可取0.0450.170/LminT。可见，对于不同规格的针头、不同的水深，适宜出气流量之间的差别不大。3结论1）在气泡上升过程中，温度对于气泡的影响是存在的。当气泡直径较小时温度的影响偏大，处于同一流态气泡的敏感指数与直径成正相关，当直径大于4mm时，气泡的敏感指数趋近于一个很小的常量。在实际测量过程中，温度对气泡上升的最终速度的影响基本可以忽略。

18、2）采用气泡浮子法测河流流量的过程中，气泡发生器上所选用的针头内径需小于0.5mm,内径大于0.5mm时，由于气泡实际运动性质发生了变化，运动状态较为复杂，与现有模型计算结果出入较大，不宜采用。3）供气装置提供的气压对产生的气泡浮子形态的影响较为敏感，但水深对气水压差的影响不大，实际的出气量大小以现场测定为准。口参考文献：1 GB50179-1993,河沆沆量测脍规危S.1993.2 敏健等.入于水动力学计算的气泡上升规律研究J.水利信息化,201!:4I5.3 杨玉阁，陈祖萍.气泡上升*1律的研完与应用J.东北水利水电.2010（10）:47-48.4J租文，周孝德，郭瑾地，等.水中气泡上升

19、速度的实验研完J.西安理工大学学报,2000（01）:57-60.5J徐炯，王彤，杨波，等.铮止水下气泡送劫特姓的剥试与分析J.水动力学研完与进展A牌.2008（06）:709-714.6 A3hima.StudicsonbubbledynamicsJShockWavesJ997（l）:33-42.7 王献芋.茜等沆体力牛（第一版）M.我汉淬中科技大学出版社,2003:209-215.8 谢振华.工电诚体力孚（第三权）M.北京:冶金工业出版社,2007：5.9 谢振华.工程流体力学（第三版）M.北京:冶金工业出版社,2007:170-173.】0钟秦等.化工原理M.北京:国防工业出版社,200

20、9:106.11JLiangB.C,GregorichE.G,MackenzieA.F.ModelingtheeffectsofinorganicandorganicamendmentsonorganicmatterinaQuebecsoilJ.SoilScience,1996,161:109-114.TheresearchonflowvelocitiesmeasurebyBubblesfloatmethodLiAo-dianAbstract：Ulispaperstudiestheimpactoftemperatureondifferentdiameterbubblesmovementinwater,calculatesthefinalvelocityofthebubblesofthe