噴嘴口徑參數(shù)對氣泡上升攜帶水體能力的影響

王涌，金良安，徐上

(海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧大連116018)

水中氣泡上升的理論廣泛應(yīng)用于海洋、化工、環(huán)境等諸多領(lǐng)域，其與周圍流體的相互作用對氣液兩相流的流動與輸運等特性有著重要影響，是兩相流領(lǐng)域工程應(yīng)用研究的熱點［1-2］。一些學(xué)者對氣泡間的相互作用、氣泡周圍流體的速度場等相關(guān)問題進行了研究，結(jié)果表明，上升氣泡對周圍流場的影響較為復(fù)雜，其附近一定范圍的水體隨之向上運動，而遠離氣泡的水體則向下回流［3-7］。在利用大氣泡消除艦船尾流等海洋工程應(yīng)用中，重點關(guān)注的就是氣泡上升對附近水體的攜帶作用［8-10］。為此，迫切需要對這一作用的大小 (本文中稱其為氣泡上升攜帶水體的能力)進行較為準(zhǔn)確的測量及表征。但由于氣泡攜帶的上升水體往往與周圍水體混在一起，難以對其進行有效的分離和測量，因而鮮見與氣泡上升攜帶水體能力的直接相關(guān)的文獻報道。徐上等［11］的初步試驗表明，氣泡水體攜帶能力的大小受注入氣量、注氣速度、噴嘴特征、氣體施放深度等諸多因素的影響。在此基礎(chǔ)上，本研究中，作者選取多種不同口徑的噴嘴，分別與3種不同口徑的轉(zhuǎn)接頭組合進行生成氣泡試驗，并利用專門設(shè)計的雙液分離裝置對氣泡上升攜帶水量進行測量，進而研究噴嘴口徑這一重要參數(shù)對氣泡上升攜帶水體能力的影響，旨在為海洋等領(lǐng)域的相關(guān)工程應(yīng)用研究與設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗原理

氣泡在水中上升的過程中，由于氣液兩相間復(fù)雜的相互作用，會攜帶其附近一定范圍的水體向上運動，該范圍越大，氣泡對水體的攜帶能力就越強，但其確切邊界顯然不易確定。本研究中，采用上升氣泡能夠攜帶至某一特定高度的水體體積來表征其對氣泡上升攜帶水體能力的大小 (為行文方便，將其稱為氣泡上升攜帶水量)。由于氣泡上升攜帶的水體往往與周圍向下回流及未被擾動的水體混在一起，對其進行有效分離和準(zhǔn)確測量的難度較大。針對這一難題，作者專門設(shè)計了雙液分離測量方法，其基本原理是:選取水和密度相對較小且與之不相溶的柴油構(gòu)成雙液，并分別盛裝于上液池和下液池中 (圖1)。由于密度差異，柴油 (上液)和水 (下液)會自行分層，其間必然形成油水界面，通過調(diào)整下液的水位，可使該界面剛好位于下液池的頂端面。當(dāng)來自下液 (水)底部的上升氣泡越過油水界面時，其攜帶的水體將隨之進入到上液 (柴油)中，從而實現(xiàn)其與周圍未被擾動水體的初步分離。在此基礎(chǔ)上，設(shè)法使柴油以適當(dāng)?shù)乃俣茸鏊椒较虻钠椒€(wěn)旋轉(zhuǎn)運動(如圖2虛線所示)，即可將被上升氣泡攜帶至柴油中的水體迅速帶離下液池上方區(qū)域，并因其密度較大而逐漸沉降至上液池的底部，從而實現(xiàn)攜帶水體的有效分離。由于上液池底面具有一定的坡度，分離出來的水體將滑落至上液池中相對較低的區(qū)域，并可經(jīng)由閥門移出，從而進行較為準(zhǔn)確的測量，測得的分離水量越多，表明氣泡攜帶水體的能力越強。

圖1 雙液分離的測量裝置Fig.1 Dual-fluid separation experimental apparatus

需要說明的是:上述測得的分離水量并不完全是氣泡上升攜帶的水量，其中還包含下液池內(nèi)因氣泡存在而排擠出來的相應(yīng)水量，試驗時需加以修正(本研究中已做了修改)。此外，試驗過程中難免有少量水體來不及被帶離下液池上方區(qū)域，而又回落至下液池中，但通過改進試驗工藝，可使這部分水量盡可能減少，因而可忽略其對分離水量的影響。

考慮到噴嘴口徑的不同可能會直接影響生成氣泡的尺度及動力學(xué)特征，從而引起氣泡上升攜帶水體能力的相應(yīng)變化，本研究中選取多種口徑的噴嘴，分別經(jīng)由不同口徑的轉(zhuǎn)接頭與導(dǎo)氣管相連，以構(gòu)成噴嘴口徑參數(shù)不同的輸氣管路來生成氣泡進行試驗。采用上述方法即可較為準(zhǔn)確地測得氣泡上升攜帶水量，進而研究噴嘴口徑參數(shù)對氣泡水體攜帶能力的影響。

1.2 試驗裝置

基于上述雙液分離測量的思想，本課題組專門研制了相應(yīng)的原理性試驗裝置，主要包括攜帶水體分離裝置、氣泡生成裝置、油水界面穩(wěn)控裝置3個部分。

攜帶水體分離裝置用于實現(xiàn)氣泡上升攜帶水體的有效分離。該裝置的主體部分由兩個半徑不同的圓柱形容器 (上大下小)連接而成，居上位置的稱為上液池 (圖1)，直徑為50 cm，高為34 cm，其坡面向閥門處稍傾斜，以便收集被有效分離的氣泡上升攜帶水體;居下位置的稱為下液池，直徑為21 cm，高為55 cm，置于上液池底面偏高一側(cè)，其頂端面水平且稍高于上液池的底部。

為防止氣泡上升攜帶水體回落至下液池，還需要特定的上液流場形成裝置 (圖2)。其專用油泵置于上液池外，進液口和出液口分別開設(shè)于上液池內(nèi)壁的相應(yīng)位置，且高于下液池頂端面6～10 mm。

圖2 上液流場形成原理示意圖Fig.2 Sets to form up-liquid flow field

油水界面穩(wěn)控裝置與下液池相連通，用于調(diào)整下液的水位，使得油水界面剛好處于下液池的頂端面，以確保各組試驗的初始條件一致。

氣泡生成裝置用于產(chǎn)生試驗所需的氣泡，主要包括噴嘴、轉(zhuǎn)接頭、導(dǎo)氣管、注射器等 (圖1)。噴嘴的形狀、口徑、垂向深度和水平位置等均可任意調(diào)整，以研究不同特征氣泡的水體攜帶能力。本研究中，導(dǎo)氣管選用內(nèi)徑為3 mm的輸液管，注射器的刻度容量為20 mL。為保持注氣壓力恒定，特選用速度可控的直流電機推動注射器。

1.3 方法

試驗時下液池注滿水，上液池注入柴油，油層厚度 (油面至下液池頂端面)約9.5 cm。利用油水界面穩(wěn)控裝置調(diào)整下液水位，使其恰好位于下液池的頂端面。將直流電機調(diào)至慢速檔，確保以恒定的壓力推動注射器，持續(xù)注入20 mL空氣形成上升氣泡群。分別選取口徑為0.45、0.6、0.8、1.2、1.6、2.3、3.0、3.5、4.3 mm的噴嘴進行氣泡上升攜帶水量的測量試驗，以研究噴嘴口徑對氣泡水體攜帶能力的影響。

基于前期試驗，將噴嘴置于垂向深度 (距下液面)約32.5 cm，水平方向距下液池中軸線約7.8 cm處，以獲得較大的分離水量，從而減小測量誤差。為方便更換不同口徑的噴嘴進行試驗，導(dǎo)氣管與噴嘴之間需加裝轉(zhuǎn)接頭，本試驗中選取口徑為2.3、1.6、1.2 mm的轉(zhuǎn)接頭構(gòu)成3種不同特征的輸氣管路，分別與上述不同口徑的噴嘴連接再進行試驗，每組試驗重復(fù)進行20次，取其平均值作為試驗數(shù)據(jù)。

如前所述，此時測得的分離水量 (Qs)并不完全是氣泡上升攜帶水量 (Q)，還需修正下液池內(nèi)因氣泡存在而被排擠出來的水量 (氣泡排出水量Qg)，即

假設(shè)氣體不可壓縮，則氣泡排出水量 (Qg)與下液池內(nèi)所含氣泡的體積 (V)近似相等。以恒定壓力注入空氣的情況下，噴嘴口徑不同時，氣體流量也有所不同，使得下液池內(nèi)所含氣泡的體積也隨之發(fā)生變化。試驗時采用攝像法對氣泡上升過程進行直接拍攝，以便較為準(zhǔn)確地得到不同口徑噴嘴生成氣泡的平均上升速度 (vb)，再結(jié)合氣泡上升高程(h)和氣體流量 (vg)，即可近似求得下液池內(nèi)所含氣泡的體積 (V)，進而推知氣泡排出水量(Qg)，其表達式為

將式 (2)計算得到的Qg代入式 (1)，即可得到實際的氣泡上升攜帶水量 (Q)。

2 結(jié)果與討論

本試驗中，以恒定壓力持續(xù)注入20 mL空氣生成氣泡，氣泡上升高程 (h)均為32.5 cm。由直接拍攝的氣泡上升運動過程，可得到3種口徑(2.3、1.6、1.2 mm)的轉(zhuǎn)接頭與不同口徑噴嘴組合時生成氣泡的平均上升速度 (vb)，分別為25.3、23.3、22.7 cm/s，將它們分別代入式 (2)，可得

試驗時，分別測得3種口徑 (dt)的轉(zhuǎn)接頭與不同口徑噴嘴 (dm)組合情況下的氣體流量 (vg)和分離水量 (Qs);再依據(jù)式 (1)～(3)，即可進一步計算出不同口徑噴嘴生成氣泡的排出水量(Qg)和氣泡上升攜帶水量 (Q)，結(jié)果見表1。

2.1 不同口徑的噴嘴對氣泡上升攜帶水量的影響

從表1可見:3種噴嘴口徑參數(shù)不同的輸氣管路中，噴嘴口徑大小對氣泡上升攜帶水體的能力均有直接影響，隨著噴嘴口徑的增加，氣泡上升攜帶水量逐漸增加至最大值后出現(xiàn)回落，且當(dāng)噴嘴口徑大于轉(zhuǎn)接頭口徑時，攜帶水量基本趨于穩(wěn)定。

表1 不同口徑的噴嘴生成氣泡的上升攜帶水量Tab.1 Water volume carried by bubbles formed through different orifices

本試驗結(jié)果表明:在注氣壓力和注氣量等一定的條件下，噴嘴口徑的變化使得生成氣泡的尺度及空間分布特征有所不同，從而直接影響其水體攜帶能力。為深入分析這一原因，特以不同口徑噴嘴與口徑2.3 mm轉(zhuǎn)接頭組合的試驗錄像為基礎(chǔ)，進行相同時機的截圖分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可見，在注氣壓力和注氣量一定的條件下，噴嘴口徑分別為0.45、0.6、0.8、1.2 mm時，生成氣泡的平均尺度隨噴嘴口徑的增加明顯增大，其與周圍水體相互作用的氣液接觸表面積顯著增加，因而氣泡上升攜帶水量也會隨之逐漸增加。

此后，隨著噴嘴口徑的進一步增加 (大于1.2 mm時)，生成氣泡尺度的變化不再顯著，而單位體積內(nèi)氣泡間距的減小則相對較為明顯，相鄰氣泡間更易發(fā)生聚并，使得各氣泡攜帶水體的有效區(qū)域相互重疊，因而攜帶水量會有所減少。與此同時，隨著噴嘴口徑的增加，氣體更容易脫離噴嘴生成氣泡，使得給定體積氣體注入的時間明顯縮短，相應(yīng)地上升氣泡與周圍水體相互作用的時間也明顯減少。在上述兩種因素的綜合作用下，氣泡上升攜帶水體的能力被削弱，并直接表現(xiàn)為氣泡上升攜帶水量的回落。

噴嘴口徑較大 (大于2.3 mm)時，氣泡上升攜帶水量不再隨噴嘴口徑的增大繼續(xù)回落，而是基本趨于穩(wěn)定。其主要原因在于:當(dāng)噴嘴口徑大于2.3 mm時，與噴嘴相連的轉(zhuǎn)接頭口徑 (dt)成為整個輸氣管路中內(nèi)徑最小的部分，直接制約著生成氣泡的尺度及其空間分布特征。因此，噴嘴口徑繼續(xù)增大時，氣泡上升攜帶水量不再隨之顯著增加或減小，而是基本趨于穩(wěn)定。

圖3 不同口徑噴嘴生成氣泡的上升截圖 (截圖時機相同，轉(zhuǎn)接頭口徑2.3 mm)Fig.3 Rising bubbles formed through orifices with different diameters(dt=2.3 mm)

2.2 氣泡上升攜帶水量與口徑比的關(guān)系

本試驗結(jié)果表明:噴嘴口徑小于轉(zhuǎn)接頭口徑時，氣泡上升攜帶水量存在一個最大值;而噴嘴口徑大于轉(zhuǎn)接頭口徑時，攜帶水量基本趨于穩(wěn)定。由此可見，上升氣泡的水體攜帶能力，與噴嘴口徑和轉(zhuǎn)接頭口徑的組合情況是有關(guān)系的。

為衡量噴嘴口徑 (dm)與轉(zhuǎn)接頭口徑 (dt)的組合情況對氣泡水體攜帶能力的影響，本研究中將噴嘴口徑與轉(zhuǎn)接頭口徑的比值定義為口徑比(n)，即n=dm/dt。顯然，當(dāng)n＜1時，噴嘴的口徑要小于轉(zhuǎn)接頭口徑，此時它是整個輸氣管路中內(nèi)徑最小的部分;而n＞1時，噴嘴口徑大于轉(zhuǎn)接頭口徑，整個輸氣管路的最小內(nèi)徑則是轉(zhuǎn)接頭的口徑。由口徑比的概念及上述試驗數(shù)據(jù)，可處理得到9種口徑的噴嘴分別與3種口徑的轉(zhuǎn)接頭組合時的口徑比 (n)，以及氣泡上升攜帶水量 (Q)與口徑比 (n)的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可見:3種口徑的轉(zhuǎn)接頭分別與不同口徑的噴嘴組合時，氣泡上升攜帶水量開始均隨口徑比的增大而增加，達到最大值后將回落至一定程度并逐步趨于穩(wěn)定。當(dāng)口徑比為0.5左右時，圖4-(a)、(b)、(c)中的Q-n關(guān)系曲線均達到最大值 (A點)，稱A點為最大值點，顯然此時的氣泡具有最強的攜帶水體的能力。因此，在相關(guān)工程應(yīng)用設(shè)計中，噴嘴口徑的最佳大小應(yīng)為轉(zhuǎn)接頭口徑的0.5倍左右，這樣既可以保證氣泡上升時獲得較高的攜帶水體的水量，又可以提高其生產(chǎn)效率。

圖4 氣泡上升攜帶水量與口徑比的關(guān)系Fig.4 Relationship between water volume carried by rising bubbles and diameter ratio

從圖4還可見，在 (a)、(b)和 (c)的Q-n關(guān)系曲線中，除了最大值A(chǔ)點以外，均還有B點。在B點之后，氣泡上升攜帶水量不再隨口徑比的增大發(fā)生顯著變化，而是基本趨于穩(wěn)定，因此稱B點為平穩(wěn)點，其對應(yīng)的口徑比為1。之所以出現(xiàn)平穩(wěn)點，其原因主要是，當(dāng)n＞1時，噴嘴口徑大于轉(zhuǎn)接頭口徑，整個輸氣管路中內(nèi)徑最小的部分即為轉(zhuǎn)接頭口徑，它直接限制著生成氣泡的尺度及其空間分布特征。換言之，在這種情況下，即使繼續(xù)增大噴嘴口徑，輸氣管路中內(nèi)徑最小的部分仍然是轉(zhuǎn)接頭口徑，故生成氣泡的上升攜帶水量也不再隨口徑比的增大發(fā)生顯著改變。因此，在實際應(yīng)用中，單純依靠增大噴嘴口徑，并不能獲得更高的水體攜帶能力，而更應(yīng)考慮口徑比這一因素。

3 結(jié)論

在注氣量和注氣壓力等一定的情況下，初步研究了噴嘴口徑參數(shù)對氣泡水體攜帶能力的影響，結(jié)果表明:1)噴嘴口徑對氣泡上升攜帶水體的能力有直接影響，即隨著噴嘴口徑的增加，氣泡上升攜帶水量逐漸增加至最大值后出現(xiàn)回落，并逐步趨于穩(wěn)定;2)噴嘴口徑與轉(zhuǎn)接頭口徑的組合關(guān)系 (用口徑比表征)會直接影響氣泡上升攜帶水體的能力。當(dāng)口徑比約為0.5時，氣泡上升攜帶水量出現(xiàn)最大值點;當(dāng)口徑比為1時，攜帶水量出現(xiàn)平穩(wěn)點;當(dāng)口徑比大于1時，攜帶水量基本趨于穩(wěn)定。

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