水中氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的PIV實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、水氣兩相流廣泛地存在于各個(gè)領(lǐng)域，由于其流動(dòng)復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)量測(cè)手段的限制，使氣泡在水流中運(yùn)動(dòng)特性的了解和認(rèn)識(shí)不夠深入。單個(gè)氣泡在靜水中上升運(yùn)動(dòng)的研究排除了各種復(fù)雜因素，是摻氣水流理想狀態(tài)下的研究方式，能夠?yàn)榉治鰮綒馑髁鲌?chǎng)信息提供參考和幫助。本文運(yùn)用PIV測(cè)量技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)，分別對(duì)靜水中和泄洪洞反弧段水流中單個(gè)氣泡的上升過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了氣泡在靜水中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并初步探索了氣泡在反弧段水流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：

2、
　　 (l)總結(jié)分析了PIV技術(shù)在氣泡運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用，可以測(cè)量的摻氣水流運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括氣泡尺寸、形狀、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度、水流自由液面等。
　　 (2)設(shè)計(jì)了分析靜水氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案，運(yùn)用PIV測(cè)量技術(shù)獲取了單個(gè)氣泡的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，包括氣泡特征尺寸、瞬時(shí)速度、上升軌跡等，分析了氣泡上升運(yùn)動(dòng)規(guī)律。得到了若干明確、詳盡的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究或數(shù)值分析計(jì)算提供參考和模型選擇依據(jù)。
　　

3、 (3)實(shí)現(xiàn)了靜水中亞毫米級(jí)氣泡變形情況的觀察和描述，認(rèn)為考慮氣泡變形影響的臨界直徑在dep=0.5mm～1mm范圍內(nèi)。驗(yàn)證了在蒸餾水中We數(shù)比Eo數(shù)更好地反映E值變化趨勢(shì)，且Taylor等提出的預(yù)測(cè)式最合適。
　　 (4)分析了氣泡瞬時(shí)速度變化規(guī)律，并提出在一定尺寸范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)化瞬時(shí)速度與標(biāo)準(zhǔn)化E值呈現(xiàn)良好的y=-x線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。
　　 (5)提出了dep=1.7mm～2mm為靜水中氣泡終速度拐點(diǎn)，并驗(yàn)證了文獻(xiàn)中的終速

4、度預(yù)測(cè)式，認(rèn)為Jamialahmadi式適合本文尺寸范圍氣泡的終速度預(yù)測(cè)，誤差小于10％。
　　 (6)實(shí)現(xiàn)了兩部高速攝像機(jī)同步記錄，得到靜水中氣泡上升三維軌跡。隨著氣泡直徑增加，軌跡由直線形向Z字形、螺旋形轉(zhuǎn)變。提出了Eo=0.5、Re=750為直線形和Z字形軌跡轉(zhuǎn)變臨界值。當(dāng)Eo＞0.8、Re＞800時(shí)氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡為Z字形或螺旋形，軌跡形態(tài)比較隨機(jī)，沒(méi)有明顯的臨界值。
　　 (7)驗(yàn)證了國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)提出的阻力系數(shù)預(yù)測(cè)式

5、，得出Tomjyama等給出的預(yù)測(cè)式最適用于本文尺寸范圍氣泡，為數(shù)值模擬計(jì)算選擇阻力系數(shù)模型提供參考。
　　 (8)分析了氣泡在靜水中上升受力情況，認(rèn)為阻力和浮力為主要作用力，慣性力和視質(zhì)量力的作用需要考慮，可以忽略Basset力、Magnus升力、重力的作用。
　　 (9)對(duì)反弧段水流中氣泡受力情況初步探索分析，認(rèn)為對(duì)于微氣泡來(lái)說(shuō)升力占主要地位，其次為阻力，慣性力、視質(zhì)量力需要考慮，Bassot力可以忽略；而對(duì)于中等尺