静水中气泡上浮过程的高速摄影研究

赵瑶

摘 要：通过高速摄影技术来研究静水中上浮的气泡，以此获得比较详细的关于气泡的参数，对气泡上浮过程中的形态变化、速度变化、运动轨迹等现象进行观察和分析。上浮气泡在船泊与海洋工程以及现代医学、生物、核能利用等领域都有相关的应用，通过对气泡进行基础性研究最终为工程应用提供相关的参考依据。

关键词：高速摄影技术；上浮气泡；气泡参数

中图分类号：TB126 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0081-02

Abstract： Through high-speed photography technology， this paper intends to study the bubble floating in still water， in order to obtain a more detailed bubble parameters， and the bubble floating on the process of morphological changes， changes in velocity， trajectory and other phenomena were observed and analyzed. Floating bubbles have related applications in marine engineering， modern medicine， biology， nuclear energy utilization and so on. Through the basic research of bubbles， the related reference data are provided for engineering applications at the end of the paper.

Keywords： high-speed photography； floating bubble； bubble parameter

气液两相流广泛的存在人们的生活、生产中。其中，上浮的气泡对于船舶运动、海洋工程、医疗、能源的开发与利用等领域发挥着重要的作用。所以，对气泡上浮过程中运动参数以及运动特性的研究具有重大的工程意义。目前，国内外学者对于气泡的各项特性指标已经做了大量的研究，包含数值模拟分析、理论计算、实验测量、建模分析等方法。

随着高速摄影技术的发展，为气泡上浮过程的特性研究提供新的思路，使得对气泡的研究不局限于数值模拟等方法。利用高速摄影技术来研究气泡，直观且能获得较为详细的关于气泡的参数，具有重要的学术和工程意义。

1 气泡运动的基本方程

首先对研究的气泡进行假设：（1）气泡在上浮过程中

始终保持球形；（2）在上浮过程中气泡的半径保持不变。当不考虑上浮过程中气泡的加速度， 即在上浮的过程中气泡只受到粘性阻力和浮力的作用时，可计算得到半径为R的球形气泡上浮的速度方程[1]为：

2 实验

2.1 实验装置

高速摄像机、有机玻璃槽体（长*宽*高=20*20*50cm）、气泡发生器、LED冷光源、针管。

2.2 实验结果

在进行多次实验后，利用高速摄像机成功拍摄出符合要求的图片7000余张，最终选择其中有代表性的三组不同初始速度上浮的气泡进行数据分析。每组气泡生成时对应的气泡发生器的参数为：第一组流量3.0ml/min，第二组流量5.0ml/min，第三组流量1.0ml/min。通过拍摄的图片进行数据处理，绘制出三个气泡在上升过程中速度的变化规律曲线，如图2所示。其中，横坐标表示时间，纵坐标表示x轴方向的速度或y轴方向的速度。

以上为气泡上浮过程中速度的变化规律曲线。之后，我们也对这三组气泡上浮运动轨迹进行了数据处理并绘制出相应的曲线。如图3所示。

3 分析与讨论

从图2可以看出，气泡一开始速度不太稳定，x轴方向的速度在经过0.15秒左右开始随着时间不断减小，随着气泡上浮，由于气泡内外压强差的增加，它的线度在逐渐增大[2]。y轴方向的速度在最初由气泡模拟器产生是具有较大的速度，加上浮力的作用，y轴方向的速度在一开始随着时间增加，而在0.15秒左右开始下降，之后趋于稳定，此时，我们可以推断出气泡在y轴方向所受的阻力与浮力大致抵消，从而对气泡的速度影响不大。结合图2的三张图进行比较，我们可以看出，不同生成速度的气泡在上浮过程中速度变化规律基本一致。在上浮过程中气泡所受阻力的增加以及浮力的增加也大致相同。

从图3我们可以看出各组气泡在上浮过程中的运动轨迹。气泡在刚开始的上升运动轨迹为直线，之后改变方向，呈曲线上升，从整体看气泡运动轨迹为Z字形，由于技术原因，我们只进行了一个平面的拍摄，属于二维的运动轨迹。所以，具体气泡上升过程中是否出现偏离所在平面不能反映出来。平面内呈现Z字型，实际的气泡上升过程轨迹可能是螺旋状运动。这无疑需要更细致、深入的实验研究。

4 结束语

通过运用高速摄影技术进行实验，对静水中气泡上浮过程进行拍摄、分析和研究，与气泡动力学理论相对照，最终得出以下结论：（1）静水中气泡上浮过程水平速度先随时间减小，之后随时间增大，垂直速度先增大，后趋于稳定。（2）不同生成速度的气泡在上浮过程中速度变化大致相同，由此得出结论，生成速度对气泡上浮过程的速度变化规律没有影响。（3）气泡上浮过程的速度符合速度理论方程，所以利用高速摄影技术来研究气泡的运动学规律是一种可行的方法。（4）静水中气泡上浮的平面运动轨迹刚开始是一条直线，之后呈曲线上升，总体上为Z字形，且气泡的生成速度对气泡的运动轨迹没有影响。

参考文献：

[1]石晟玮，王江安，蒋兴舟.水中微气泡上浮过程的力学影响因子研究[J].海軍工程大学学报，2008，20（3）：83-87.

[2]张建生，吕青，孙传东，等.高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究[J].光子学报，2000，29（10）：952-955.