滞止流体中毛细管管口气泡生长及脱离的可视化实验.pdf

中国工程热物理学会 学术会议论文 滞止流体 传热传质学 编号：0 7 3 4 0 2 中毛细管管口气泡生长及脱离的 可视化实验 朱恂包立炯廖强+ 石泳 重庆大学工程热物理研究所，重庆4 0 0 0 3 0 ， 中国 T e l ：0 2 3 ．6 510 2 4 7 4E —m a i l ：l q z ) ( @ c q u ．e d u ．c n 摘要：本文采用高速摄影仪对滞止流体中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：气泡生长脱离过程包括生长初期、快速生长期、缓慢生长末期等三个区域，气一液相 界面的接触角随之产生相应的变化随着毛细管管径的增大，气泡的脱离直径随之增大，生长脱离周 期减小；气流量越大，气泡脱离直径越大，生长脱离周期越小；注气室容积变化对气泡的脱离直径影 响很小，但随着注气室容积增大，气泡的生长脱离周期增大 引言 直接甲醇燃料电池( D i r e c tm e t h a n o lf u e lc e l l s ，D M F C ) 是直接利用甲醇的水溶液作 为燃料，氧或空气作为氧化剂的一种燃料电池甲醇在电池阳极通过对流和扩散传质作 用到达阳极反应区进行电化学反应，生成二氧化碳气体。

研究表明I l J ，甲醇和反应生 成的二氧化碳在电池阳极的传输传质特性对电池的性能具有很大的影响，因此研究电池 阳极流道内气泡的生长和脱离特性及其对传质性能的影响具有非常重要的意义此外， 在化学、核能、热力发电以及石油等工业领域的换热设备中也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【4 刮 本文采用毛细管作为气体通道，利用高速摄影仪对毛细管管口单个气泡在静I l 二液体 中的生长= 和脱离的行为及特性进行了可视化实验研究，获得了毛细管管径、气体注入流 量、气室容积等参数对气泡生长和脱离特性的影响规律 1 ．实验装置及实验方法 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 为矩形，采用透明的有机玻璃材料制成，玻璃毛细管安装于实验段底板，管口插入实验 段约5m m 由D S P 一2 微量自动注射泵配以5 0 m l 标准全玻璃注射器作为气源，利用硅胶 管将注射器和毛细管末端相连，通过调节注射泵的推注速度控制气体流量此外，通过 改变与注射泵相连的注射器活塞的初始位置来改变注气室的容积( 即注射器活塞前的封 闭容积) 大小，来研究注气室容积大小对气泡行为的影响。

采用R E D L A K EM 0 t i o n X 仃a H G 一10 0 K 高速摄影仪拍摄管口处气泡的生长和脱离过程通过M o t i o n C e n t r a l 图像软件 实时拍摄图像，最终利用图形分析软件对图像进行分析以获得气泡的生长和脱离特性 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ ●_ - _ ●- _ _ ●_ ●●_ - _ ●_ ●_ _ _ ●_ _ _ ●_ _ ●_ _ _ ●_ _ _ - ●_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ●_ - ●_ ●●_ _ ●_ _ ●●- _ _ - _ - ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - ●_ - _ _ ●●- _ ●_ _ _ _ _ _ _ 一 ， 国家自然科学基金项目( N o ．9 0 4 l O 0 0 5 ，9 0 5 l 0 0 2 0 ) ，教育部新世纪优秀人才支持计划f N o ． N C E T - 0 4 ．0 8 4 5 ) ：教育部优秀青年教师资助计划项目( 教人司【2 0 0 3 】3 5 5 峙文) ，高等学校博二} ：学科点 专项科研暴金( 项目批准号：2 0 0 5 0 6 1 1 0 0 4 ) ★通讯作者：廖强，男，教授，博．} ：生导师，主要研究方向为环境与能源生物技术中的热物理问题。

． 5 6 l 2 ．实验结果及分析， 2 ．1 滞止流中毛细管管口气泡生长脱离过程 毛细管管内径D c 为1 ．7 ’m m ，外径为 2 ．5 m m ，在气体流量Q 为0 ．5 m 1 ／m i n 和注 气室容积V 为2 0 m l 条件下，毛细管管口 气泡的生长过程曲线如图1 所示；其中V b 为管口气泡的体积，根据实验中拍摄的图 像获得由图1 可知，在气泡生长初期， 随着生长时间的增力臻，气泡逐渐长大，当 到达A 点( T = 2 5 2 2 m s ) 后，气泡生长速 度逐渐加快，进入快速生长区，当到达B 点( t = 2 8 4 2 m s ) 后，气泡生长速度又逐 渐降低，进入气泡缓慢生长末期，最后到 达D 点( t = 3 6 2 0 m s ) 脱离导致气泡具 有这种生长规律的原因可以从可视化实验 观察结果中得到解释图2 为气泡生长过 程中，管口处气液界面接触角0 的变化情 况，其中气液界面接触角0 定义为管口处 气一围一液三相接触线上，气液相界面的 切线与管口平面的夹角( 如图4 所示) 从 图2 中可以看出，气液界面的接触角从初 始状态接近1 8 0 开始，缓慢变小。

这是由 于气体不断注入，气一液相界面以球形生 t | s 图2 气泡生长过程中接触角的变化 长方式向管口外迁移，在气一固一液三相 接触线处表面张力作用下，气一固一液三相接触线维持在管口，而接触角随之减小，气 一液界面的曲率半径也减小，根据Y a n 分L a p l a c e 方程，此时的气泡生长阻力增加，气泡 生长速度缓慢当接触角减小到1 2 5 时( 即图3 中的A 点) ，气泡的接触角下降速度加 快，此点可定义为气泡突破点；而当接触角小于9 0 0 后，气泡继续以球形生长方式长大， 接触角快速变小，此时，随着气泡的增大，气泡的、曲率半径增大，界面张力减小，气泡 生长的阻力降低，因此进入气泡的快速生长区 A 点附近气泡生长变形以及接触角的变化如图3 所示当气泡继续长大，而接触角 减小到5 0 0 后( B 点) ，气泡脱离球形生长方式，而向顶部呈球形，中部逐渐呈扁平气泡 形状的变形气泡生长方式生长( 见图4 ) ，此点可定义为气泡变形点此时，随着气泡 的长大，顶部曲率半径逐渐减小，中部气一液相界面在正视方向的曲率半径增大，而俯 视方向上的半径减小，气泡向上延展，接触角由减小变为逐渐增大( 见图2 ) 。

由于气 泡内部气相压力相等，气泡气一液相界面的表面张力近似相等，因此气泡球形项部曲率 半径减小说明此过程中气一液相界面的表面张力逐渐增大，生长阻力随之增大，所以气 泡生长速度逐渐降低( 见图1 和图2 ) 当气泡接触角增大到9 0 0 时，气泡的颈部开始离 开二相接触线( c 点) ，此点可定义为颈部脱离点，此时管口气一液相界面呈倒锥型， 三相接触线处的接触角迅速增加，颈部逐渐减小并向上迁移，最终气一液相界面在颈部 5 6 2 处断裂( D 点) ，气泡脱离后向上浮升( 如图5 所示) 因此，D 点应为气泡的脱离点， 所对应的气泡直径即为气泡的脱离直径目前，已有的气泡脱离直径理论模型多基于气 泡脱离点在三相接触线上，由管口三相接触线处表面张力与气泡所受浮升力作用之间的 力平衡关系获得【l l 1 2 】而根据本文的实验结果，气泡脱离处在三相接触线以上的气泡颈 部，‘因此合理的气泡脱离机理及脱离直径模型有待进一步探讨 2 ．2 毛细管管径大小对气泡生长脱离的影 响 毛细管管径大小对滞止流中毛细管管口气 泡脱离特性的影响如表1 所示实验中各个管径 2 7 2 2m s2 7 3 2m s2 7 4 2m s 对应的气体流速均为0 ．0 3 7m ／S ，其他实验条件 图3A 点处气泡生长 也保持相同。

表中，气泡脱离直径为如图6 中所 示的气泡脱离瞬间的直径d ，脱离点高度为h ， 即气泡颈部与管口三相接触线之间的垂直距离 从表中可以看出，随着毛细管管径的增大，气泡 2 8 3 2m s2 8 4 2m s2 8 5 2m s 的脱离真径增大，脱离周期( T ) 呈下降趋势 图4B 点处气泡 而随着毛细管管径的增大，脱离点高度也相应增 大 ’ 2 ．3 注气室容积大小对气泡生长脱离的影 响．， 3 6 1 1 ．5m s3 6 1 5m s3 6 1 7 5m 8 本实验中，毛细管管内径D 为1 ．7m m ，外 图5D 点处气泡 径为2 ．5m m ，气体流量Q 为O ．5m 】／m j n ，注气． 室容积V 为3 0 m l 由于气泡生长脱离时间较短因此 忽略由于注射器活塞前进引起的注气室容积变化图 7 和图8 为该条件下气泡的体积和接触角随时间的变 化情况从图中可看出，在注气室容积为3 0m 1 时， 气泡生长过程中接触角的变化与注气室容积为2 0m l 时相比具有相似的变化规律，且各转折点处接触角大 小都近似相等，只是注气室越大，缓慢生长区越大，图6 气泡脱离瞬间形态图 从快速生长区( A 点) 到脱离点( B 点) 的时间间隔 越短。

其主要原因在于：注气室容积越大，随着气泡长大，气室内的气体压力升高到气 泡突破点( A 点) 时的时间越长，而此时注气室内气体所具有的做功能力越强，因此一 旦气泡接触角小于9 0 0 ，气一液相界面的表面张力及气泡内的气相压力迅速降低，气体 快速膨胀，气泡将很快由快速生长区到达脱离点 注气室容积的变化对气泡的脱离直径和生长脱离周期的影响如图9 所示( 毛细管管 内径D 为1 ．7m m ，外径为2 ．5 m m ，气体流量Q g 为0 ．5m l ／m i n ) 由图可知，在注气室 容积由5 m l 变到3 0 m l 的过程中，气泡的脱离直径变化很小，因此可以认为注《室容积‘ 对气泡的脱离赢径基本没有影响而气泡的生长脱离周期随着注气室的容积增大而增 大，其原因在于注气室容积越火，压力变化越缓慢，从而导致气泡的生长脱离周期变长 5 6 3 表T 毛细管管径大小对气泡迁移的影响 管径( D )脱离直径( d )生长脱离周期( T ) 脱离点高度( h )脱离体积( V b ) m mm m m sm m 1 0 - 3 m l t ，s 图7 注气室为3 0 m l 时气泡生长曲线 下，s 图8 注气室为3 0 m l 时接触角的变化 g 图9 注气室容积对气泡生长和脱离的影响 g 图1 0 不同管径毛细管内气流量对 气泡脱离直径的影响 2 ．4 气流量大小对气泡生长脱离的影响 图10 为气体流量变化对气泡脱离直径的影响( 实验中注气室容积V 。

为3 0 m 1 ) 从 图中可看出，随着气体流量的变化，气泡的脱离直径基本保持不变，因此可以认为在本 实验范围内，气体流量对气泡脱离直径没有明显影响；而对于管内径为1 ．7 m m 毛细管 对应的曲线可知，随着气流量的增大，气泡的脱离直径也随之增大其主要原因是：气 体速度越大，气一液相界面受到的惯性力作用越大，而该惯性力比较均匀地作用于气一 液相界面各个方向，使得气泡有继续长大的趋势，而不致使气泡提前脱离图1 l 为气 体流速对气泡生长脱离周期的影响以及不同管径在对应气体流速条件下生长脱离周期 的变化情况在相同的气体流速下，随着管径的增大，气体的生长脱离周期呈下降趋势， 5 6 4 并且气体流速越大，不同管径毛细管端口气泡的生长脱离周期差别越小 3 ．结论 本文利用高速摄影仪对滞止流体中 毛细管端口的气泡生长和脱离过程进行了 可视化实验发现气泡在生长过程中存在 生长初期、快速生长期、缓慢生长末期等 三个区域，而对应的气一液相界面的接触 角在不同的生长阶段具有不同的变化规 律实验结果表明：随着毛细管管径的增 大，气泡的脱离直径随之增大，生长脱离 周期减小；气流量越大，气泡脱离直径越 大，生长脱离周期越小；注气室容积变化 对气泡的脱离直径影响很小，但随着注气 室容积增大，气泡的生长脱离周。