倾斜毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验.doc

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1、精品论文推荐倾斜毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验廖强*朱恂包立炯石泳 重庆大学工程热物理研究所，重庆 400030， 中国摘要：本文采用高速摄影仪对滞止流体中不同管径和倾斜角度的毛细管管口的气泡生长和脱离 过程进行了可视化实验研究。实验结果表明：倾斜毛细管管口气泡生长过程中，气泡首先呈半球状 生长，然后在浮升力的作用下非对称生长；气泡脱离时，气泡下侧首先脱离毛细管管壁，随后在上 侧管端口断裂；气泡脱离将导致液体向毛细管内部回流。随着毛细管倾角的增大，气泡的脱离直径 和生长脱离周期减小；倾斜毛细管管径越小，气泡的脱离直径和生长脱离周期越小。关键词：倾斜毛细管，滞止流，气泡生长与脱离，可视化实

2、验 中图分类号:O359VISUAL EXPERIMENTS ON BUBBLE GROWTH AND DEPARTURE AT THE TIP OF INCLINED CAPILLARY TUBES IN STAGNANT LIQUIDLiao Qiang*Zhu XunBao LijiongShi YongInstitute of Engineering Thermophysics, Chongqing University, Chongqing 400030, ChinaAbstract: The bubble growth and departure at the tip of inc

3、lined capillary tubes in stagnant fluid was experimentally investigated by using a high-speed visual system. The visual experiments showed that the bubble growth experienced the sphere-like growth and the unsymmetric growth stages at the tip of an inclined capillary tube. In the period of bubble dep

4、arture, the bubble firstly detaches from the lower side of capillary tube end and then, departs from the tube tip at the upper edge of the capillary tube end. The flow backwards of fluid into the tube is observed after bubble departing from the tip of capillary tube. It is found that the bubble depa

5、rture diameter, the cycle period of bubble growth and departure, and the fluid volume of flow backwards into tube are decreased with an increase in the inclined angle of capillary tube. A smaller internal diameter of inclined capillary tube leads to a smaller bubble departure diameter and a shorter

6、cycle period of bubble growth and departure.Key words: inclined capillary tube, stagnant fluid，bubble growth and departure, visualization experiment引言在化学、核能、热力发电以及石油等工业领域的换热设备以及化工和生化反应器中广泛存在气 泡的生长及脱离现象，例如气泡动力学的研究对于探讨液体核态沸腾换热的机理具有重要的作用 1-3。直接甲醇燃料电池阳极流道内气泡的生长和脱离特性对电池阳极的传输传质特性和电池的性能 具有很大的影响4-5。现有的核池沸腾换

7、热模型大部分是从研究单个气泡的形成、生长和脱离以及伴2007-11- 收到初稿.*国家自然科学基金项目（No. 90410005, 90510020）, 教育部新世纪优秀人才支持计划, 高等学校博士学科点 专项科研基金 （项目批准号：20050611004）.*通讯作者： 廖强, 男, 40 岁, 博士, 教授. E-mail: lqzx7随这一动力过程的瞬态换热现象着手的，而这些模型中均包含着表征气泡动力过程的主要参数：气泡的脱离直径和脱离频率。气泡动力学经过几十年的发展，已经积累了不少实验数据，取得了很多 研究成果，但气泡脱离直径及脱离频率的预测至今还没有取得令人满意的结果，从而限制了研究

8、领 域的发展6-7。2实验装置及实验方法实验系统如图 1 所示。实验系统由可视化实验段、气体注入装置、高速摄像分析系统组成。可 视化实验段为透明的有机玻璃材料制成的矩形槽道，玻璃毛细管安装于实验段底板，管口插入实验段约 5 mm。具体的实验方法见文献8。2564311 计算机；2 高速摄影仪；3 注射泵；4 毛细管；5 透明液体流道；6 EH-1000闪光灯图1 可视化装置示意图3实验结果及分析毛细管管内径Dc为 1.7 mm，外径为 2.5 mm，气体流量Qg为 0.5 ml/min，注气室容积Vg为 30 ml 时，倾斜 30的毛细管管口气泡生长过程的图像见图 2。在气泡生长初期，气体逐渐

9、将毛细管内液 体取替出管外，气泡呈半球状生长。当气泡长大到一定程度后（3821 ms时），气泡在浮升力的作用 下开始非对称生长，气泡左侧气液接触角缓慢增大，气泡右侧气液接触角迅速减小，气泡沿竖直方 向生长。当时间等于 3907 ms时，气泡左侧开始脱离毛细管管壁，气泡进入脱离阶段。当时间等于3916 ms时，气泡与毛细管端口断裂，由于气泡脱离导致毛细管管内气相压力减小，一定量的液体倒 流进入毛细管。气泡与毛细管管口脱离后进入液体层，在表面张力的作用下，在气泡的上升过程中， 气泡沿竖直方向收缩，呈椭球体形状。毛细管管口气泡脱离过程的细节如图 3 所示，可清楚的看到 气泡脱离瞬间气泡与毛细管管口的

10、脱离过程以及在气泡脱离后液体进入毛细管的回流过程。在竖直 方向的液体浮升力作用下，气泡的脱离点在毛细管右侧管壁处。图 4 为毛细管倾斜 60时气泡在毛细管管口的生长过程图像。在气泡生长初期，气泡同样呈半 球状生长。当气泡长大到一定程度后（3620 ms 时），在浮升力的作用下气泡开始非对称生长，当时 间等于 3670 ms 左右时，气泡左侧开始脱离毛细管管壁，气泡进入脱离阶段。当时间等于 3690 ms 时，气泡与毛细管端口脱离。与毛细管倾斜角度等于 30时气泡生长不同之处在于倾斜角等于 60时气泡的生长脱离周期变短，在气泡脱离瞬间，回流进入毛细管的液体量变少。0 ms3441 ms3626

11、ms3701 ms3821 ms3841 ms3856 ms3866 ms3886 ms3896 ms3907 ms3916 ms图 2 毛细管倾斜 30时气泡生长过程图像3866 ms3881 ms3892 ms3901 ms3905 ms3907 ms3909 ms3912 ms图 3 毛细管倾斜 30时气泡脱离过程图像0 ms2990 ms3190 ms3390 ms3590 ms3620 ms3640 ms3660 ms3670 ms3680 ms3690 ms3710 ms图 4 毛细管倾斜 60时气泡生长过程图像毛细管管口气泡在倾斜角等于 60时的脱离过程细节如图 5 所示，可清楚

12、看到气泡在脱离瞬间气泡与毛细管管口的脱离过程以及在气泡脱离后液体进入毛细管的回流过程，以及气泡的脱离点在 毛细管右侧管壁处。与倾斜角等于 30时相比较，气泡的脱离体积要小于倾斜角等于 30时的气泡 脱离体积。其原因主要是在气泡的生长过程中液体浮升力成为影响气泡生长行为的主要作用力，随着毛细管倾斜程度的增大，浮升力的作用使得气泡与毛细管左侧管壁脱离的时间提前，从而使气泡的生长脱离周期变小，气泡的脱离体积变小。3630 ms3660 ms3675 ms3684 ms3690 ms3694 ms3700 ms3710 ms图 5 毛细管倾斜 60时气泡脱离过程图像0 ms950 ms1450 ms1

13、950 ms2150 ms2400 ms2440 ms2460 ms2490 ms2498 ms2504 ms2520 ms图 6 毛细管倾斜 90时气泡生长过程图像图 6 为毛细管倾斜 90时气泡在毛细管管口的生长过程图像。气泡于 2400 ms 开始非对称生长，2490 ms 时，气泡左侧开始脱离毛细管管壁，气泡进入脱离阶段。2504 ms 时，气泡与毛细管端口断 裂。与毛细管倾斜角度等于 60时气泡生长不同之处在于倾斜角等于 90时气泡的生长脱离周期进 一步变短，在气泡脱离瞬间，回流进入毛细管的液体量相对前两种倾斜角度实验都要少。气泡脱离精品论文推荐毛细管管口后，液体没有发生进一步回流进

14、入毛细管的现象。毛细管管口气泡在倾斜角等于 90时的脱离过程细节如图 7 所示。气泡的脱离点在毛细管右侧管壁处，与倾斜角等于 60时相比较，气 泡的脱离体积以及回流进入毛细管的液体量均减少。2450 ms2473 ms2486 ms2498 ms2503 ms2504 ms2505 ms2513 ms图 7 毛细管倾斜 90时气泡脱离过程图像图 8 为毛细管倾斜角度大小对管口气泡的脱离周期的影响情况。随著毛细管倾斜角度的增大，管口气泡的脱离周期随之减小，并且随着倾斜角度的增大，气泡脱离周期的降幅也增大。气泡脱离 周期的降低主要原因是随着毛细管倾斜角度的增大，液体浮升力的作用增大，浮升力促进气泡

15、脱离毛细管管壁从而缩短了气泡的生长脱离周期。4.04.2T/s3.54.0D /mmb3.83.03.62.50306090/3.4030/6090图 8 毛细管倾斜角度对气泡脱离周期的影响图 9 毛细管倾斜角度对气泡脱离直径的影响图 9 为毛细管倾斜角度对气泡脱离直径的影响情况。随着倾斜角度的增大，气泡的脱离直径随 之降低，随着毛细管倾斜角度的增大，浮升力的作用使气泡左侧接触角缓慢增大，而右侧接触角则 迅速减小，从而使得气泡受到的表面张力在竖直方向上减小，因此气泡随着毛细管的倾斜角度增大， 脱离毛细管所需的浮升力变小，从而使气泡的脱离体积和脱离直径随着倾斜角度的增大而减小。8450 ms84

16、90 ms8550 ms8570 ms8578 ms8584 ms8590 ms8600 ms图 10 毛细管倾斜 30时气泡脱离过程图像4200 ms4230 ms4260 ms4290 ms4306 ms4315 ms4326 ms4336 ms图 11 毛细管倾斜 60时气泡脱离过程图像毛细管管内径Dc为 0.7 mm，外径为 1.5 mm，气体流量Qg为 0.5 ml/min，注气室容积Vg为 30 ml，毛细管倾斜 30和 60时，气泡的生长和脱离过程如图 10 和 11 所示。毛细管管径为 0.7 mm（称 为小管），倾斜角度等于 30时气泡的脱离过程与管径为 1.7 mm的毛细管

17、（称为大管）管口气泡的 脱离过程相似。但是，小管管口气泡脱离后的液体回流量要明显小于大管管口气泡脱离后的回流液 体量。倾斜角为 60时，其气泡脱离时的体积变小，气泡脱离后没有发生液体回流现象。在毛细管 管径为 0.7mm时，毛细管倾斜角度大小对管口气泡的脱离周期的影响如图 12 所示。随着毛细管的倾 斜角度的增大，毛细管管口气泡的脱离周期总体上呈下降趋势。对比图 8 和图 12 可知，毛细管管径的减小使得管口气泡的脱离周期也随之减小。毛细管倾斜角度大小对管口气泡脱离直径的影响如图13 所示。随着毛细管的倾斜角度的增大，毛细管管口气泡的脱离直径减小。对比图 9 和图 13 可知， 毛细管管径的减

18、小导致气泡的脱离直径减小。2.254.02.00T/s1.75b3.51.501.25D /mm3.01.000306090/2.50306090/图 12 毛细管倾斜角度对气泡脱离周期的影响图 13 毛细管倾斜角度对气泡脱离体积的影响4结论(1) 倾斜毛细管管口气泡生长过程中，气泡首先呈半球状生长，然后在浮升力的作用下非对称生长；(2) 气泡脱离时，气泡下侧首先脱离毛细管管壁，随后在上侧管端口断裂；(3) 气泡脱离将导致液体向毛细管内部回流; 随着倾斜角度的增大，(4) 随着毛细管倾角的增大，气泡的脱离直径和生长脱离周期以及液体的回流量减小； 倾斜毛细管管径越小，气泡的脱离直径和生长脱离周期

19、越小。参考文献1 辛明道.沸腾传热及其强化M.重庆:重庆大学出版社,1987.2 杨春信,马重芳等.核态池沸腾中气泡生长和脱离的动力学特征气泡动力学研究回顾J.热能动 力工程,1999(7):246-249.3 李启恩.喷嘴气泡脱离直径的计算J.化工学报,1990(6):754-761.4 H.Yang. In situ visualization study of CO2 gas bubble behavior in DMFC anode flow fields J. J.Power Sources, 2005, 139:7990.5 T. Bewer. Novel method for i

20、nvestigation of two-phase flow in liquid feed direct methanol fuel cells using an aqueous H2O2 solution J. J. Power Sources, 2004(1), 125:19.6 Robert Cole, Shulman H L. Bubble departure diameters at subatmospheric pressures J.ChemicalEngineers Progress Symposium Series,1966,62(64):616.7 Andrea Luke.High speed video recording of bubble formation with pool boiling J. InternationalJournal of Thermal Sciences, 2006(45):310320.8 包立炯，石泳，朱恂，廖强. 液体流动条件下毛细管管口气泡生长脱离特性可视化实验, 2007 年 中国工程热物理学会传热传质学学术会议, 广州。