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一種捕捉氣泡聚合過程的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種捕捉氣泡聚合過程的裝置，包括氣泡聚合發(fā)生裝置和用于記錄和分析氣泡聚合發(fā)生裝置內(nèi)氣泡運動過程的拍攝及數(shù)據(jù)處理設(shè)備；所述的氣泡聚合發(fā)生裝置包括，密封的充液容器、充液管、若干滴液管和進(jìn)氣管，所述的充液管安裝在充液容器上部并與充液器內(nèi)部連通，所述充液管上設(shè)置有閥門；所述滴液管開口向下安裝在充液容器底部，用于在重力作用下將充液容器內(nèi)液體排出，所述滴液管上安裝有調(diào)節(jié)閥；所述的進(jìn)氣管與滴液管連通作為滴液管的支管，其開口端與大氣連通，且其高度高于充液容器中液體的高度。本發(fā)明裝置能獲得不同大小和速度的氣泡，形成的氣泡較穩(wěn)定、不易破裂，整個動態(tài)聚合過程持續(xù)的時間較長，降低了對拍攝相機(jī)的要求。
【專利說明】一種捕捉氣泡聚合過程的方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及流體力學(xué)多相流氣泡動態(tài)行為測量【技術(shù)領(lǐng)域】，適用于氣泡與氣泡聚合 過程動態(tài)行為的捕捉和記錄，特別適用于兩個氣泡間的相互碰撞、相互接觸、并由兩個氣泡 合并成為一個氣泡動態(tài)過程的捕捉和記錄。

【背景技術(shù)】
[0002] 氣液兩相泡狀流廣泛存在于工業(yè)界和自然界中，因此深刻理解氣泡的動態(tài)行為 (如氣泡的碰撞和聚合過程）對于理解和豐富氣液兩相泡狀流的水動力學(xué)特征以及改善和 控制泡狀流的傳熱和傳質(zhì)效率具有重要意義。盡管目前已開發(fā)了形式多樣的光學(xué)拍照測試 和記錄系統(tǒng)，然而由于氣泡的動態(tài)行為不易人為控制、而且整個過程往往是在瞬間完成，因 此捕捉氣泡的動態(tài)行為非常困難，這極大地限制了人們對氣液兩相泡狀流水動力學(xué)特征的 理解。因此，要想深刻理解氣液兩相泡狀流的水動力學(xué)特性，必須解決氣泡動態(tài)行為的科學(xué) 捕捉問題。
[0003] 盡管目前氣泡的生成方法很多，有電解法、空氣注入法、加壓溶解法、空化法、機(jī)械 攪拌等方法，但這些方法均不易控制氣泡的數(shù)量、大小、速度以及穩(wěn)定性，極大地增加了氣 泡聚合過程的捕捉難度。因此，氣泡良好生成方法的取得對于氣泡聚合過程的捕捉也極其 重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有光學(xué)拍照系統(tǒng)無法準(zhǔn)確捕捉氣泡的動態(tài)聚合過程，本發(fā)明的目的在 于提供一種捕捉氣泡聚合過程的測量方法和裝置。在測量方法和測量裝置簡便易于實施的 情況下，實現(xiàn)兩個氣泡動態(tài)聚合過程的準(zhǔn)確捕捉和記錄。而且該裝置能夠有效捕捉和測量 不同物理特性氣泡的動態(tài)行為和過程，如單個氣泡在液面上的動態(tài)演變過程、兩個不同尺 寸或相同尺寸氣泡的動態(tài)碰撞過程，以及兩個不同尺寸或相同尺寸氣泡的碰撞、聚合乃至 破裂過程。
[0005] 本發(fā)明的理論原理是：利用靜壓力平衡原理在密閉容器內(nèi)產(chǎn)生單個氣泡，單個氣 泡憑借浮力驅(qū)動向上運動產(chǎn)生的慣性和自身尾流的影響，浮出液面后會在液面上繼續(xù)做不 規(guī)則的滑行運動，當(dāng)兩個氣泡遇到一起就會發(fā)生一系列復(fù)雜動態(tài)的聚合行為，利用高速相 機(jī)將這些動態(tài)過程記錄下來，通過進(jìn)一步分析即可給出氣泡聚合過程復(fù)雜的運動特征。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0007] 一種捕捉氣泡聚合過程的裝置，包括氣泡聚合發(fā)生裝置和用于記錄和分析氣泡聚 合發(fā)生裝置內(nèi)氣泡運動過程的拍攝及數(shù)據(jù)處理設(shè)備；
[0008] 所述的氣泡聚合發(fā)生裝置包括，密封的充液容器、充液管、若干滴液管和進(jìn)氣管， 所述的充液管安裝在充液容器上部并與充液器內(nèi)部連通，所述充液管上設(shè)置有閥門；所述 滴液管開口向下安裝在充液容器底部，用于在重力作用下將充液容器內(nèi)液體排出，所述滴 液管上安裝有調(diào)節(jié)閥；所述的進(jìn)氣管與滴液管連通作為滴液管的支管，其開口端與大氣連 通，且其高度高于充液容器中液體的高度。
[0009] 為了便于拍攝，作為優(yōu)選，所述的充液容器為透明的方形容器。
[0010] 作為優(yōu)選，所述的滴液管數(shù)量為兩個。當(dāng)然若只采用一根滴液管也同樣適用于本 發(fā)明，只是產(chǎn)生氣泡在時間上有間隔；兩根比較好，可以同時產(chǎn)生氣泡，而且如果其中一根 產(chǎn)生的氣泡比較小，另一根產(chǎn)生的氣泡比較大，這樣可以同時觀察不同大小氣泡的聚合行 為。
[0011] 為了便于調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開啟程度的大小，作為優(yōu)選，所述的充液容器上部安裝有壓 力計。
[0012] 進(jìn)一步地，所述的拍攝及數(shù)據(jù)處理設(shè)備包括高速相機(jī)、用于處理高速相機(jī)所捕捉 到的數(shù)據(jù)的計算機(jī)和用于輔助高速相機(jī)拍攝的輔助光源，所述高速相機(jī)與計算機(jī)傳輸連 接。
[0013] 為了保證滴液管與充液容器安裝的密封性以及方便不同直徑滴液管的更換，作為 優(yōu)選，所述的充液容器底部具有開口，所述開口內(nèi)內(nèi)安裝有底部接管，底部接管內(nèi)塞有橡皮 塞；所述滴液管上部為錐形管道、下部為等直徑圓管，滴液管上部錐形管道插入并穿過橡皮 塞使滴液管與充液容器連通。
[0014] 為了避免空氣中的雜質(zhì)進(jìn)入充液容器內(nèi)污染氣泡界面、改變氣泡的運動狀態(tài)，作 為優(yōu)選，所述的進(jìn)氣管開口端設(shè)置有空氣過濾器。
[0015] 進(jìn)一步地，為了便于空氣過濾器的安裝，所述的進(jìn)氣管開口端安裝有圓筒形座，所 述的空氣過濾器安裝在圓筒形座內(nèi)。
[0016] 為了便于操作，作為優(yōu)選，所述氣泡聚合發(fā)生裝置還包括用于支撐充液容器的支 架。
[0017] 利用上述裝置捕捉氣泡聚合過程的方法，步驟如下：（1)關(guān)閉滴液管上的調(diào)節(jié)閥， 打開充液管上的閥門向充液容器中注入液體；
[0018] (2)關(guān)閉充液管上的閥門，打開滴液管上的調(diào)節(jié)閥，同時開啟拍攝及數(shù)據(jù)處理設(shè) 備，使液體在重力作用下從充液容器中滴出，空氣從進(jìn)氣管進(jìn)入充液容器形成氣泡，拍攝及 數(shù)據(jù)處理設(shè)備即可捕捉到并分析氣泡運動過程。
[0019] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的優(yōu)點之一是，利用重力向下作用和靜壓力平衡的 原理，利用滴液管將液滴緩慢引出充液容器、使充液容器內(nèi)部壓力降低、與外部形成微弱壓 差；憑借微弱的壓差，空氣由進(jìn)氣管、經(jīng)滴液管的上端壓入充液容器內(nèi)，從而形成單個穩(wěn)定 的氣泡，而且通過調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)液滴下落的速度和大小從而獲得不同大小和速度的氣 泡；
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點之二是，產(chǎn)生微氣泡聚合過程的裝置結(jié)構(gòu)簡單、實施方便，不需另設(shè) 加壓設(shè)備、能耗低，僅僅通過調(diào)節(jié)液滴下降的速度和大小、或選擇和改變滴液管和進(jìn)氣管的 直徑以及改變液相的純度，即可得到不同尺寸和不同運動狀態(tài)下微氣泡的聚合過程；
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點之三是，由于充液容器生成的氣泡是因容器內(nèi)外的壓差所致、生成 的氣泡內(nèi)外的壓強(qiáng)基本相同，再加上氣泡處在容器內(nèi)部不會受到外界的干擾，因此氣泡較 穩(wěn)定、不易破裂，整個動態(tài)聚合過程持續(xù)的時間較長，這樣就延長了觀察和記錄的時間，降 低了對拍攝相機(jī)的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明氣泡聚合發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明充液容器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明滴液管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖中1.充液容器，11.底部接管，2.滴液管，21.錐形管道，22.等直徑圓管，23.支 路，3.進(jìn)氣管，31.圓筒形座，4.調(diào)節(jié)閥，5.充液管，51.閥門，6.壓力計，7.空氣過濾器， 8.支架，9.高速相機(jī)，10.計算機(jī)，12輔助光源，13.橡皮塞，14.螺紋接口，15.過渡接管。

【具體實施方式】
[0028] 實施例1
[0029] 如圖1所示，一種捕捉氣泡聚合過程的方法的裝置，包括氣泡聚合發(fā)生裝置和用 于記錄和分析氣泡聚合發(fā)生裝置內(nèi)氣泡運動過程的拍攝及數(shù)據(jù)處理設(shè)備；拍攝及數(shù)據(jù)處理 設(shè)備包括高速相機(jī)9、計算機(jī)10以及輔助光源12。工作時，將氣泡聚合發(fā)生裝置固定在支 架8上，高速相機(jī)9與計算機(jī)10予以傳輸連接。拍攝時，打開輔助光源12,照亮氣泡聚合發(fā) 生裝置內(nèi)氣泡動態(tài)聚合過程，由高速相機(jī)9記錄下來，同時將數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)10,便于進(jìn) 一步分析。
[0030] 如圖2所示，氣泡聚合發(fā)生裝置包括，密封的充液容器1、充液管5、兩根滴液管2、 進(jìn)氣管3和壓力計6 ;所述充液容器1上部具有兩個螺紋接口 14,充液管5和壓力計6分別 通過螺紋接口 14與充液容器1采用螺紋連接，所述充液管5上帶有閥門51 ;所述滴液管2 開口堅直向下安裝在充液容器1底部，所述滴液管2上安裝有調(diào)節(jié)閥4 ;所述滴液管2具有 一支路23,進(jìn)氣管3經(jīng)過過渡接管15與滴液管3的支路23螺紋連接，進(jìn)氣管3開口端與 大氣連通，為了避免液體從進(jìn)氣管3流出，所述的進(jìn)氣管3高度高于充液容器1中液體的高 度。為便于拍攝，所述的充液容器1采用透明的方形容器。使用時，首先關(guān)閉調(diào)節(jié)閥4,打開 充液管5上的閥門51向充液容器1中注入液體；然后關(guān)閉充液管5上的閥門51，打開調(diào)節(jié) 閥4,使液體在重力作用下從充液容器1中滴出，充液容器1內(nèi)壓力降低，充液容器1內(nèi)外產(chǎn) 生壓力差，外界空氣在壓力差作用下從進(jìn)氣管3進(jìn)入充液容器1形成氣泡，當(dāng)一對單個氣泡 相遇時就會發(fā)生一系列動態(tài)的聚合過程，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥4的開啟程度可以改變空氣進(jìn)氣 量的大小，起到了調(diào)節(jié)氣泡大小的作用。
[0031] 上述滴液管2與充液容器1的具體安裝方式如下，如圖3所示，充液容器1底部具 有圓形開口，圓形開口膠粘連接底部接管11，所述底部接管11內(nèi)塞有橡皮塞13 ;如圖4所 示，所述滴液管2上部為錐形管道21、下部為具有支路23的等直徑圓管22,錐形管道21與 等直徑圓管22通過過渡接管15連接，滴液管2與充液容器1具體連接方式為，將滴液管2 上部錐形管道21插入并穿過橡皮塞13使滴液管2與充液容器1連通。橡皮塞13的使用 極大方便了滴液管2和充液容器1的連接，也方便了不同直徑滴液管6和進(jìn)氣管8的更換。
[0032] 如圖5所示，所述的進(jìn)氣管3開口端膠粘連接有用于安裝空氣過濾器7的圓筒形 底座31，空氣過濾器7直接安裝在圓筒形底座31內(nèi)，空氣過濾器7對空氣進(jìn)行過濾，避免空 氣中雜質(zhì)進(jìn)入充液容器1中從而對氣泡界面產(chǎn)生污染，改變氣泡的運動狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1. 一種捕捉氣泡聚合過程的裝置，其特征在于：包括氣泡聚合發(fā)生裝置和用于記錄和 分析氣泡聚合發(fā)生裝置內(nèi)氣泡運動過程的拍攝及數(shù)據(jù)處理設(shè)備； 所述的氣泡聚合發(fā)生裝置包括，密封的充液容器（1)、充液管（5)、若干滴液管（2)和 進(jìn)氣管（3)，所述的充液管（5)安裝在充液容器（1)上部并與充液器內(nèi)部連通，所述充液管 (5)上設(shè)置有閥門（51);所述滴液管（2)開口向下安裝在充液容器（1)底部，用于在重力作 用下將充液容器（1)內(nèi)液體排出，所述滴液管（2)上安裝有調(diào)節(jié)閥（4);所述的進(jìn)氣管（3) 與滴液管（2)連通作為滴液管（2)的支管，其開口端與大氣連通，且其高度高于充液容器 (1)中液體的高度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的捕捉氣泡聚合過程的裝置，其特征在于：所述的充液容器（1) 為透明的方形容器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的捕捉氣泡聚合過程的裝置，其特征在于：所述的滴液管（2) 數(shù)量為兩個。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的捕捉氣泡聚合過程的裝置，其特征在于：所述的充液容器（1) 上部安裝有壓力計（6)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的捕捉氣泡聚合過程的裝置，其特征在于：所述的拍攝及數(shù)據(jù) 處理設(shè)備包括高速相機(jī)（9)、用于處理高速相機(jī)（9)所捕捉到的數(shù)據(jù)的計算機(jī)（10)和用于 輔助高速相機(jī)（9)拍攝的輔助光源（12)，所述高速相機(jī)（9)與計算機(jī)（10)傳輸連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的捕捉氣泡聚合過程的裝置，其特征在于：所述的充液容器（1) 底部具有開口，所述開口內(nèi)安裝有底部接管（11)，所述底部接管（11)內(nèi)塞有橡皮塞（13); 所述滴液管（2)上部為錐形管道（21)、下部為等直徑圓管（22),滴液管（2)上部錐形管道 (21)插入并穿過橡皮塞（13)使滴液管（2)與充液容器（1)連通。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的捕捉氣泡聚合過程的裝置，其特征在于：所述的進(jìn)氣管（3) 開口端設(shè)置有空氣過濾器（7)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的捕捉氣泡聚合過程的裝置，其特征在于：所述的進(jìn)氣管（3) 開口端安裝有圓筒形座（31)，所述的空氣過濾器（7)安裝在圓筒形座（31)內(nèi)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的捕捉氣泡聚合過程的裝置，其特征在于：所述氣泡聚合發(fā)生 裝置還包括用于支撐充液容器（1)的支架（8)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1?9任一項所述裝置捕捉氣泡聚合過程的方法，其特征在于： (1) 關(guān)閉滴液管（2)上的調(diào)節(jié)閥（4)，打開充液管（5)上的閥門（51)向充液容器（1) 中注入液體； (2) 關(guān)閉充液管（5)上的閥門（51)，打開滴液管（2)上的調(diào)節(jié)閥（4)，同時開啟拍攝及 數(shù)據(jù)處理設(shè)備，使液體在重力作用下從充液容器（1)中滴出，空氣從進(jìn)氣管（3)進(jìn)入充液容 器（1)形成氣泡，拍攝及數(shù)據(jù)處理設(shè)備即可捕捉到并分析氣泡運動過程。
【文檔編號】G01M10/00GK104089754SQ201410347675
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】龐明軍, 張晶, 沈琴 申請人:常州大學(xué)