氣泡浮子法測量流速的研究.docx

1、文章編號1009-2846（2012）05-0006-05氣泡浮子法測量流速的研究李奧典（河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京210098）摘要）文章研充了溫度對不同直徑的氣泡在水中運動的影響，計算了不同液態(tài)、不同形狀的氣泡在不同溫度中上.升的最終速度，并進行了氣泡上升速度對溫度的敏感性分析。通過實蹌驗證了氣泡在料水中運動規(guī)律，給出了測量流速的氣泡發(fā)生容裝JL圖以及氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的適宜的氣流和出氣針頭。測定了不同直徑下氣泡上升的最終速度并與理論值進行了比較，結(jié)果表明：在4mm以下和理論分析姑果比較吻合，建議實際測量時氣泡直徑最好控制在4mm以下。關(guān)鍵詞氣泡；最終速度；浮子法；溫度敏感性；流速測量中圖

2、分類號TV131在現(xiàn)行的河流流速測量規(guī)范中，通常采用流速儀測最河流流速，該方法費時費工，極不方便。在流速儀測速困難或超出流速儀測速范圍的高流速、低流速、小水深等環(huán)境中，通常采用浮標(biāo)法測羚流量，此方法受外界的影響較大，精度較低，同樣不是十分的理想。為此有學(xué)者提出了采用浮子式積深法測量河流流量的設(shè)想，在河底布置氣泡發(fā)生裝置，利用氣泡發(fā)生裝置產(chǎn)生氣泡作為浮子，通過測得浮子從河底升至水面的時間和順流而下的水平距離，計算出河流垂線上的平均流速，從而達到測量流量的目的。楊玉閣根據(jù)實測資料擬合出氣泡冒出時間和水深之間的關(guān)系曲線，論證了氣泡作為浮子在小水深、低流速河流中測量流髭的可行性，但缺乏理論依據(jù)。在氣泡

3、上升速度的研究中，程文給出了圓形氣泡上升過程中的運動學(xué)方程,，并計算最終速度；繳健研究了氣泡上升過程中加速階段的情況，指出了氣泡上升過程中加速階段可以忽略；徐炯討論了氣泡的動力理論特性，得到穩(wěn)定狀態(tài)下不同尺寸單個氣泡的速度變化規(guī)律，運動軌跡規(guī)律等各種運動特性，指出了當(dāng)d>4mm時，氣泡在運動過程中開始變形，變成扁橢球形氣泡。對于氣泡在液體中上升運動規(guī)律問題，在石油化工、船舶制造等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，并由此建立了氣泡動力學(xué)。筆者在前人研究基礎(chǔ)上分析了文獻標(biāo)識碼B水溫對不同形態(tài)氣泡運動速度的影響，并自行設(shè)計了一個實驗裝置，驗證了理論上的球體形態(tài)氣泡在不同溫度中運動的可靠性，同時給出了流速測量所

4、用的氣泡發(fā)生器的氣流量大小和針頭大小。1水溫對氣泡運動最終速度的影響1.1氣泡冒出最終速度氣泡在水中的形狀因直徑的大小而不同，主要有三種形狀:球狀、長軸水平的橢圓球形和球帽狀，本文只討論直徑在0-6mm氣泡的運動情況，直徑在0-4mm氣泡按球狀氣泡處理，直徑4-6mm氣泡按橢圓球形氣泡處理。不同形狀氣泡的最終速度計算公式不盡相同。1.1.1直徑在4mm內(nèi)氣泡的最終速度根據(jù)Stoke理論分析受力情況，可以將氣泡近似的看作剛性球體，直徑在4mm內(nèi)的氣泡形態(tài)近似為球體。本文以過渡區(qū)的直徑為】mm和2mm氣泡以及紊流區(qū)的直徑3mm和4mm氣泡為例，設(shè)定氣泡運動的溫度范圍在0無至40T之間，以20T為基

5、準(zhǔn)溫度，每5T作為一個推算點。繳健給出了這種情況下水中氣泡上升的最終速度的公式，如公式所示，式中灼為液體密度（即水的密度）0為空氣密度0為氣泡直徑、g為重力加速度（取收稿日期2012-02-08作者簡介）李奧關(guān)（1991-）,男，河海大學(xué)水利恭電學(xué)院在讀.在法本科，折完方向為水剁水電。9.81m/s2)、C為阻力系數(shù)。其中0在各個推算點溫度的值，如表1所示。溫度的對應(yīng)值寸,采用氣態(tài)方程求解得出不同表1不同溫度下水和空氣密度對照表(單位:kg/m')水溫or5免ior15X2025X30P35T40水999.8001000.000999.700999.100998.200997.0009

6、95.700994.100992.200空氣1.2931.2701.2471.2251.2051.1841.1651.1461.128不同溫度下不同直徑氣泡冒出最終速度J噎號公式中G)可以通過公式求解，但不同流態(tài)的計算公式不同，繳健采用試算的方法給出了不同直徑的氣泡所處的最終流態(tài)，在基準(zhǔn)溫度下，經(jīng)試算得出：直徑為0.5-2.0mm的氣泡流態(tài)處于過渡區(qū)，此時,G,的計算公式如公式所示，式中Re為顆粒雷諾數(shù)、。為水的動力粘度。流體力學(xué)顆粒雷諾數(shù)可以用公式計算。直徑為2.0-4.0mm的氣泡的流態(tài)處于紊流區(qū)，此時的G«0.44。對于非球形顆粒其顆粒雷諾數(shù)取等體積球形顆表2利用公式、(2)、

7、(3)和表1參數(shù)可以計算出直徑為1mm和2mm氣泡在各個推算點的最終速度，利用(1)、(2)和表1參數(shù)及G>=0.44可以計算出直徑為3mm和4mm氣泡在各個推算點的最終速度，計算結(jié)果如表2所示。0-100%5-75%10-50%15-25%200%2525%3050%3575%40100%敏感指數(shù)S過渡區(qū)紊流區(qū)球體球體橢球狀dp=2mmdp=3mmdp=4mmdp=5mmdp=6mm0.0843990.1863680.2984400.3446090.3524320.3524320.0905960.200051'0.29844403446130.3514880.3514880.0

8、965940.2132970.2984470.344617O.35O8I503508150.1024570.2262440.2984500.3446210.3500460.3500460.1081450.2388050.29845303446240.3489390.3489390.H37100.2510920.29845603446270.3484470.3484470.1191920.2631980.2984580.3446300.3475980.3475980.1245440.2750160.2984610.3446330.3467670.3467670.1298460.2867230.2

9、984630.3446360.3458300.3458302.5846%5.7072%0.0013%0.0015%-0.3675%-0.3675%最終速度v/(m/»)注:dp為氣泡直徑;8為實際溫度與基準(zhǔn)溫度的偏差率1.1.2直徑大于4mm氣泡的最終速度當(dāng)氣泡直徑大于4mm時,氣泡形狀發(fā)生變形，徐炯認(rèn)為此時氣泡的形態(tài)可按照扁柱體來處理。本文以直徑為5mm和6mm氣泡為例，設(shè)定氣泡運動的溫度范圍也在0T至40P之間，也以20昭為基準(zhǔn)溫度，每52作為一個推算點。徐炯給出了這種情況下氣泡上升的最終速度求解公式,如公式(4)所示，式中。為水的表面張力系數(shù)，不同溫度下水的表面張力系數(shù)對應(yīng)值8

10、如表3所示，其它參數(shù)含義同公式(1)。七綠x籍C。Pi利用公式(4)、表1和表3參數(shù)值以及0.44可以計算出在各個推算點的氣泡最終速度，結(jié)果如上表2所示。1.2敏感指數(shù)與敏感性分析表3不同溫度下水的表面張力系數(shù)對應(yīng)表溫度0X5幻ior15乞20X,25*30Y35T403C水的表面張力系數(shù)0.07620.07540.07480.07410.07310.07260.07180.0710.0701水溫對不同直徑氣泡影響程度可以用敏感指數(shù)表示，Ng.E和R.S.Loomis給出了敏感指數(shù)S(sensitivityindex)公式如公式(5)所示，式中n為自變量個數(shù)、X為各自變最變化后求得的因變量值、

11、X。為標(biāo)準(zhǔn)自變量下求得的因變最值、6為自變量的變化率。取常溫20Y下氣泡上升速度為基準(zhǔn)值，利用此公式可以計算出不同直徑氣泡對溫度的敏感指數(shù)，計算結(jié)果見上表2所示。.1xioo%(5)幾：=1O從表2結(jié)果可以看出：水溫的變化對不同直徑氣泡的最終速度有一定的影響；而對處于紊流區(qū)的氣泡影響較?。恢睆叫∮?mm的氣泡在過渡區(qū)和紊流區(qū)對水溫的敏感指數(shù)隨直徑的增加而增加，當(dāng)直徑大于4mm時，氣泡對水溫的敏感指數(shù)為一個定值。2靜水實驗材料與測驗方法2.1試驗材料與裝置本試驗水箱材料選用6mm厚的有機玻璃，規(guī)格為30cm(L)x30cm(W)xl20cm(H)；在底部安置氣泡發(fā)生器；在頂端開有直徑2cm的孔(

12、目的是既便于水箱內(nèi)的水接觸空氣，也便于向水箱注水)；頂端孔中懸掛一支的溫度計(測定水溫)；水箱的背板固定有標(biāo)尺和黑紙(便于觀察和拍攝水箱內(nèi)的氣泡大小)。整個裝置如圖1所示。圖1實驗裝置示意圖氣泡發(fā)生器由針頭、護套、底座、進氣連接頭等四個部分組成，針頭豎直向上，固定在有多玻璃支架上，如圖2所示。針頭材料為不銹鋼，壽四種規(guī)格，內(nèi)徑/夕卜徑分別為0.3mm/0.5mm、0.5mm/0.7mm、0.7mm/0.9mm、1.0mm/l.2mm,長度均為4cmo為了便于更換不同規(guī)格的針頭，水箱設(shè)計成上、下可分離的兩個部分(高度分別為90cm、30cm),用法蘭連接。氣泡發(fā)生器的氣流由氣泵產(chǎn)生,通過橡膠連接

13、管接入，如圖1所示。圖2氣泡發(fā)生器實物圖2.2氣泡發(fā)生觀測方法為了觀測氣泡發(fā)生的條件，在針頭進氣管上安裝了氣體流量計和氣壓表測試適宜的流髭與壓力。因氣體流量較小而采用靈敏度較高的LZB-3WB型轉(zhuǎn)子流信計進行測量。考慮室內(nèi)試驗中的氣體壓力差不大，故采用U形壓差式氣壓計測定壓差。如圖1所示。運用高速拍攝的方法記錄氣泡形狀及大小，由于在拍攝中需要捕捉到運動中的氣泡，相機的快門速度不宜過低，本實驗的快門速度設(shè)定在1/3200s1/2500s范圍內(nèi)，光圈和ISO根據(jù)光源強度調(diào)整，鏡頭中心距離水箱底板的高度為70cm。2.3氣泡上升速度的測量試駛在水深120cm、100cm、80cm等三種環(huán)境下進行。分

14、別試臆四種規(guī)格的針頭及其不同出氣流；、氣水壓差所產(chǎn)生的氣泡形態(tài)。通過實測數(shù)據(jù)推算出氣泡的最終速度，結(jié)果如表4所示。2.4氣泡上升形態(tài)大小的測量與分析四種不同規(guī)格針頭產(chǎn)生的氣泡所拍攝的照片如圖3至圖6所示，從照片中可以看出外徑為0.7mm和0.5mm的針頭所產(chǎn)生的氣泡大小在34mm,形態(tài)呈圓形或略扁的橢圓；外徑為0.9mm和1.2mm的針頭所產(chǎn)生的氣泡直徑在56mm,形態(tài)呈較扁的橢圓，有少部分呈現(xiàn)上突下凹的球帽狀。對比上述理論計算出的氣泡上升最終速度，當(dāng)氣泡形態(tài)呈球體(針頭的外徑為0.5mm和0.7mm)時理論值與實際值吻合程度非常高，誤差只在6%左右，當(dāng)氣泡的形態(tài)呈非球體(針頭的外表4,泡流速

15、計鼻表/N/m針頭規(guī)格mm水深cm計fit高度cm平均時間S平均速度cm/s忌平均速度cm/s溫度內(nèi)役/外輕12093.53.8424.351.0/1.21007353.1423.4423.90805352.2423.921209353.9723560.7/0.910073S3.1523.3323S28053.52.2623.662812093S3S326.46052.710073.52.8325.9726.33805352.0126.561209353.5326.45O.3/O.51007352.80262926.44注：由于氣泡沒生裝置距水底有一定距離，因此實際上升距離小于水深圖3外徑0.

16、5mm針頭圖4外徑0.7mm針頭圖5外徑0.9mm針頭圖6外徑】.2mm針頭徑為0.9mm和1.2mm）時，采用扁柱體求得最終速度的理論值與實測數(shù)據(jù)相差較大，可見氣泡在大直徑下的實際運動狀況較為復(fù)雜。2.5氣壓、流景對氣泡上升形態(tài)的影響針對外徑分別為0.7mm、0.9mm、1.2mm等三種規(guī)格的針頭，試驗不同的出氣流量、氣水壓差所產(chǎn)生的氣泡形態(tài)。在實驗中發(fā)現(xiàn)：1）外徑0.7mm針對的適宜氣水壓差可取725cmH2O；外徑0.9mm針對的適宜氣水壓差可取514cmH2O；外徑1.2mm針對的適宜氣水壓差可取2-3cmH20o可見,對于同一種規(guī)格針頭不同水深的情況，適宜氣水壓差之間的差別不大；但是

17、對于同一水深不同規(guī)格的針頭，適宜的氣水壓差之間的差別卻很大。2）外徑0.7mm針頭的適宜出氣流量可取0.0350.100/Lmin-'；外徑0.9mm針頭的適宜出氣流最可取0.0350.180/Lmin-i；外徑1.2mm針頭的適宜出氣流量可取0.0450.170/LminT?？梢?，對于不同規(guī)格的針頭、不同的水深，適宜出氣流量之間的差別不大。3結(jié)論1）在氣泡上升過程中，溫度對于氣泡的影響是存在的。當(dāng)氣泡直徑較小時溫度的影響偏大，處于同一流態(tài)氣泡的敏感指數(shù)與直徑成正相關(guān)，當(dāng)直徑大于4mm時，氣泡的敏感指數(shù)趨近于一個很小的常量。在實際測量過程中，溫度對氣泡上升的最終速度的影響基本可以忽略。

18、2）采用氣泡浮子法測河流流量的過程中，氣泡發(fā)生器上所選用的針頭內(nèi)徑需小于0.5mm,內(nèi)徑大于0.5mm時，由于氣泡實際運動性質(zhì)發(fā)生了變化，運動狀態(tài)較為復(fù)雜，與現(xiàn)有模型計算結(jié)果出入較大，不宜采用。3）供氣裝置提供的氣壓對產(chǎn)生的氣泡浮子形態(tài)的影響較為敏感，但水深對氣水壓差的影響不大，實際的出氣量大小以現(xiàn)場測定為準(zhǔn)?？趨⒖嘉墨I：1 GB50179-1993,河沆沆量測膾規(guī)危S.1993.2 敏健等.入于水動力學(xué)計算的氣泡上升規(guī)律研究J.水利信息化,201!:4I5.3 楊玉閣，陳祖萍.氣泡上升*1律的研完與應(yīng)用J.東北水利水電.2010（10）:47-48.4J租文，周孝德，郭瑾地，等.水中氣泡上升

19、速度的實驗研完J.西安理工大學(xué)學(xué)報,2000（01）:57-60.5J徐炯，王彤，楊波，等.錚止水下氣泡送劫特姓的剝試與分析J.水動力學(xué)研完與進展A牌.2008（06）:709-714.6 A3hima.StudicsonbubbledynamicsJShockWavesJ997（l）:33-42.7 王獻芋.茜等沆體力牛（第一版）M.我漢淬中科技大學(xué)出版社,2003:209-215.8 謝振華.工電誠體力孚（第三權(quán)）M.北京:冶金工業(yè)出版社,2007：5.9 謝振華.工程流體力學(xué)（第三版）M.北京:冶金工業(yè)出版社,2007:170-173.】0鐘秦等.化工原理M.北京:國防工業(yè)出版社,200

20、9:106.11JLiangB.C,GregorichE.G,MackenzieA.F.ModelingtheeffectsofinorganicandorganicamendmentsonorganicmatterinaQuebecsoilJ.SoilScience,1996,161:109-114.TheresearchonflowvelocitiesmeasurebyBubblesfloatmethodLiAo-dianAbstract：Ulispaperstudiestheimpactoftemperatureondifferentdiameterbubblesmovementinwater,calculatesthefinalvelocityofthebubblesofthe