下载文档原格式
专利名称：利用高速摄影机辅助拍摄超声波空化气泡的研究方法
专利类型：发明专利
发明人：刘康林,周铭,李加庆,程万里,张经伟,黄齐飞
申请号：CN202111578666.1
申请日：20211222
公开号：CN114054428A
公开日：
20220218
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提出一种利用高速摄影机辅助拍摄超声波空化气泡的研究方法，采用高速摄影机作为辅助拍摄装置，结合可视化超声波装置，用于拍摄超声波空化气泡的溃灭过程。
可用于观察超声波空化气泡的过程，从而拓展超声波空化的应用领域。
并通过试验证明了其可以实现磷酸铁锂电池回收中的空化气泡可视化。
申请人：福州大学
地址：350108 福建省福州市闽侯县福州大学城乌龙江北大道2号福州大学
国籍：CN
代理机构：福州元创专利商标代理有限公司
更多信息请下载全文后查看。
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2024 年第 43 卷第 2 期单孔排气气泡特征识别与参数提取方法杨志龙1，田文斌1，张珍2，王志英3，王一伟3（1 中国农业大学工学院，北京 100083；2 石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室 石家庄 050043；3 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室，北京 100190）摘要：气液两相流广泛应用于多种工业领域当中，测量气泡特征参数并进行统计分析可以探究气泡的运动及生长规律，这对相关物理规律和过程控制研究具有重要意义。
然而气泡在运动中会发生融合、破碎等现象，导致图像中气泡的重叠粘连，以及拍摄背景的不均匀性均会对气泡特征数据提取造成较大误差。
本文采用高速摄像技术获得了不同液体流速与通气量下的气泡图像，通过对距离变换图像的极值点进行抑制与融合，改进了分水岭算法的前景标记提取方法，实现了气泡的准确分割，进而对分割气泡进行最小二乘椭圆拟合重构，获取了气泡参数。
对比分析发现，相较于腐蚀运算和阈值分割提取标记的方法，本文方法准确率分别提高了22.7%与13.6%。
通过对气泡特征进行统计分析，发现随着通气量的增加，气泡数量略微增多而平均尺寸显著增大，表明通气量对气泡尺寸有着重要影响。
通气量相同，随着来流速度的增加，气泡破碎，气泡的数量增加且平均尺寸减小。
关键词：气液两相流；重叠气泡识别；气泡特征统计；高速摄像中图分类号：O359 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2024）02-0808-10Geometric features recognition and parameters extraction of bubbles insingle-hole air bleedYANG Zhilong 1，TIAN Wenbin 1，ZHANG Zhen 2，WANG Zhiying 3，WANG Yiwei 3(1 College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2 State Key Laboratory of Mechanical Behavior in Traffic Engineering Structure and System Safety, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei, China; 3 Key Laboratory for Mechanics in Fluid Coupling Systems, ChineseAcademy of Sciences, Beijing 100190, China)Abstract: Gas-liquid two-phase flow is prevalent in various industries. The measurement and statisticalanalysis of bubbles characteristics are useful for the investigation of the bubbles motion and generation. Therefore, it can provide the fundamental data for physical mechanism and process control research. In this paper, bubble images were captured by a high-speed camera system at different liquid flow rates and aeration volumes in the circulating water tank. Given that bubble coalescence and breakup during motion could lead to overlapping and sticking issues in the images, these phenomena would cause significantmeasurement errors in bubble characterization parameters. To address these issues, this paper improved the marker extraction method of the watershed algorithm. The method obtained foreground markers by utilizing the extreme points of the distance transformed image for suppression and fusion, thereby研究开发DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1426收稿日期：2023-08-16；修改稿日期：2023-10-19。
第13卷第5期船舶力学Vol.13No.5 2009年10月Journal of Ship Mechanics Oct.2009文章编号：1007-7294（2009）05-0828-13水下爆炸气泡动态特性研究综述张阿漫1，3，汪玉2，闻雪友3，倪宝玉1，姚熊亮1，韩蕴韬1（1哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨150001；2海军装备研究院，北京100073；3哈尔滨船舶锅炉涡轮机研究所，哈尔滨150036）摘要：据研究表明，对于舰船工程而言，水下爆炸造成的危害十分巨大，爆轰冲击波仅对舰船产生局部破坏，而气泡运动引起的脉动压力、滞后流对舰船造成总体破坏，危及舰船总纵强度，使舰船在中横剖面处断裂，且气泡坍塌形成的射流还会引起结构局部毁伤，近年来气泡和水中结构物的相互作用已成为国际上研究热点。
为此，本文从水下爆炸气泡的基本现象入手，着重从理论分析、试验技术以及数值方法等方面阐述国内外该领域的研究进展及现状，回顾和讨论了水下爆炸气泡膨胀、坍塌、溃灭以及射流形成等重要动力学行为的研究进程及关键技术。
最后，在前人研究基础上提出了一些尚需进一步解决的问题，旨在为业界同行提供参考。
关键词：水下爆炸；气泡；动态特性；坍塌；射流中图分类号：U661.43文献标识码：AReview of the dynamics of the underwater explosion bubbleZHANG A-man1,3,WANG Yu2,WEN Xue-you3,NI Bao-yu1,YAO Xiong-liang1,HAN Yun-tao1(1School of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University,Harbin150001,China;2Naval Research Center,Beijing100073,China;3Harbin in Marine Boiler and Turbine ResearchInstitute,Harbin150036,China)Abstract：Many researches show that underwater explosion can cause severe damage on warships.Shock wave in explosion only generates local damage on the warship;while the pulsating pressure and retarded flow resulted from bubble motion can induce total damage,endangering the total longitudinal strength and provoking the rupture in the midship section.Moreover,the jet formed in the bubble collapse phase will pro-duce the local damage of structure.Recently the interaction of bubble and underwater structure was the fo-cus of the international researches.Therefore,starting with the basic phenomenon of underwater explosion bubble,this paper mainly expounds the research development and present state in this field from theoreti-cal analysis,experimental technique and numerical methods,and reviews and discusses the research progress and key techniques of underwater explosion bubble dynamics such as expansion,collapse and jet formation.Finally,some problems needing further settlement are put forward on the basis of former research-es in order to offer consult for craft brothers.Key words:underwater explosion;bubble;dynamics;collapse;jet收稿日期：2009-05-12基金项目：国家自然科学基金（50779007）；青年科学基金项目（50809018）；国际科技合作项目（2007DFR80340）；中国博士后科学基金特别资助（200801104）；哈尔滨市科技创新专项基金（RC2008QN013001）；上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目（0804）作者简介：张阿漫（1981-），男，博士，哈尔滨工程大学船舶工程学院副教授。
考虑盐度因素的水中气泡上升规律表征研究张志友;金良安;苑志江;何升阳【摘要】对考虑海水盐度因素的气泡上升规律进行研究,主要包括不同海水盐度对气泡脱离体积、瞬时稳态上升速度的影响.通过搭建气体水下排放试验台,使用常压空气和8种不同盐度的海水液体分别作为实验的气相和液相,将气泡划分为低雷诺数缓慢上浮及高雷诺数快速上浮两种运动状态;并分别进行实验.用高速摄影技术对气泡运动进行实验观察;并通过MATLAB编程对拍摄的图像进行分析处理.测定气泡脱离体积及瞬时稳态上浮速度.结果表示,气泡受海水密度、表面张力、黏性系数等物性条件共同作用,在低流速非射流工况下,随海水盐度的增加,气泡脱离体积减小;瞬时稳态速度属于低雷诺数上浮时,随盐度升高而增加明显;而属于高雷诺数上浮时,瞬时稳态上浮速度随盐度升高而缓慢降低.%It studies the rising bubble motion characteristics in consideration of seawater salinity,including the rule of the various seawater salinities impacting on the volume of bubble departure and its instantaneous velocity.The underwater emissions of gas experimental platform is constructed.It uses normal pressure air and eight kinds of salinity seawater as the experiment's gaseous phase and liquid phase.And the bubble motions are divided as slow motion in low Reynolds number and quick motion in high Reynolds number.Experiments with both bubble motions are all proceeded.The experiment uses high-speed photography technology to observe the bubble motion,and it analyses the filmed picture by the programming of MATLAB,so as to measure the volume of bubble departure and its instantaneous velocity.The result shows that the bubble motion is affected by the combined action ofseawater-density,surface tension,viscosity coefficient and other physical property.In the low velocity and non jet-flow condition,the volume of bubble departure decreases as the increasing of seawater salinity.The bubble instantaneous velocity accelerates obviously as the salinity increasing in low Reynolds number.However,the bubble instantaneous velocity get slow down as the salinity increasing in high Reynolds number.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)015【总页数】5页(P334-338)【关键词】气泡形成;海水盐度;生成体积;上升速度【作者】张志友;金良安;苑志江;何升阳【作者单位】海军大连舰艇学院航海系,大连116018;海军大连舰艇学院航海系,大连116018;海军大连舰艇学院航海系,大连116018;海军大连舰艇学院航海系,大连116018【正文语种】中文【中图分类】U661.1对海水中气泡生成、上升行为的研究广泛存在于船舶与海洋结构物、能源与环境以及化学工业等众多领域[1]。
单个气泡上浮过程的数值模拟张妍;杨帆【摘要】为了了解气泡上浮过程中形态的变化,采用FLUENT软件中"流体体积"(Volume of Fluid,VOF)模型对单个气泡在静止液体中的上浮情况进行数值模拟,得到了奥特斯数(Eo)在O(10-1)~O(102),莫顿数(Mo)在O(10-9)~O(104)范围内气泡的形态.将计算得到的结果与气泡形状图谱做对比,印证了无量纲参数Eo数、Mo数和Re数的数值大小与气泡在上浮过程中形状的变化和最终速度密切相关.【期刊名称】《现代制造技术与装备》【年(卷),期】2016(000)007【总页数】4页(P4-7)【关键词】气泡上浮;VOF;数值模拟;气泡形状【作者】张妍;杨帆【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;上海理工大学上海市动力工程多相流动与传热重点实验室,上海 200093【正文语种】中文气液两相流广泛存在于人类的生产、生活等各个领域。
其中，气泡的产生及特性对船舶运输、石化工业、食品、医疗以及能源的开发和利用都有着重要的影响。
对气泡的形状和运动特性的掌握，对生产过程中的参数设定、控制运行以及生产效率的提高等方面起着重要的作用。
国内外学者对气泡上浮过程中的形态变化、速度变化、受力情况、破碎现象以及气泡融合等现象做了大量研究。
1959年，Young等[1]采用线性模型模拟研究了小雷诺数下气泡和水滴的移动。
1976年，Grace等[2]人给出了著名的气泡形状图谱，提出了三个无量纲数奥特斯数（Eo）、莫顿数（Mo）、雷诺数（Re），以表征气泡在黏性溶液中的上升形态。
Bhaga和Weber[3]接着完善了气泡图谱。
此外，Li等[4]运用VOF（Volume of Fluid）法模拟了气泡在液体中的形成和上升。
付攀等[5]对微小气泡的运动进行了仿真计算，并推导了运动方程。
基于水动力学计算的气泡上升规律研究
缴健;何生荣;李玉婷;罗玉峰
【期刊名称】《水利信息化》
【年(卷),期】2011(000)003
【摘要】不同直径气泡上升时间与水深之间的关系是气泡浮子法测流的基础。
针对静水中气泡上升的加速与匀速过程进行了计算与分析,将气泡上升过程划分为加速与匀速段,基于流体力学原理,求得气泡匀速上升速度与直径之间的关系、加速时间及其高度占总上升过程的比例,以及不同直径气泡冒出时间与水深之间的关系。
结果表明,气泡直径在[0.5,2.0]mm区间时最终速度的流态处于过渡区,在
（2.0,4.0]mm区间时最终速度的流态处于紊流区,且最终速度随直径增大而增大;加速上升时间及其高度占总过程的比例极小,故可对气泡上升全过程近似做匀速处【总页数】4页(P41-44)
【作者】缴健;何生荣;李玉婷;罗玉峰
【作者单位】河海大学水利水电学院,江苏南京210098;水利部南京水利水文自动化研究所,江苏南京210012;河海大学水利水电学院,江苏南京210098;河海大学水利水电学院,江苏南京210098
【正文语种】中文
【中图分类】TV131.2
【相关文献】
1.基于水动力学计算的气泡上升规律研究 [J], 缴健;何生荣;李玉婷;罗玉峰
2.深水油气井关井期间井筒含天然气水合物相变的气泡上升规律研究 [J], 韦红术;杜庆杰;曹波波;王志远;孙宝江;刘争
3.液相中气泡上升行为与界面传质:实验研究与数值计算 [J], 李鑫;张攀;陈光辉;李建隆
4.电场作用下气泡上升行为特性的数值计算研究 [J], 王悦柔; 王军锋; 刘海龙
5.气液两相流中上升气泡体积的计算方法 [J], 王红一;董峰
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于VOF法的近自由面水下爆炸气泡运动数值模拟
李健;黄红生;林贤坤;荣吉利;项大林
【期刊名称】《北京理工大学学报》
【年(卷),期】2016(36)2
【摘要】对于近水面水下爆炸气泡的运动特性,在结合SOLA算法差分格式,利用投影算法对气泡的控制方程进行数值求解的基础上,基于VOF法进行了数值模拟,并利用MSC.DYTRAN软件进行仿真分析,通过对两者的分析结果对比研究.结果表明,基于结合SOLA算法差分格式的投影算法,利用VOF法可对水下爆炸气泡各时刻的运动界面进行较精确的捕捉和重构,从而实现精确追踪水下爆炸气泡脉动全物理过程的运动界面.同时,也研究了距离参数对气泡坍塌、射流及环状气泡的影响,掌握了距离参数对近水面水下爆炸气泡运动特性的影响.
【总页数】6页(P122-127)
【关键词】投影算法;SOLA算法;气泡;VOF法;水下爆炸;界面追踪
【作者】李健;黄红生;林贤坤;荣吉利;项大林
【作者单位】广西科技大学广西汽车零部件与整车技术重点实验室;北京理工大学宇航学院
【正文语种】中文
【中图分类】O352
【相关文献】
1.近自由面水下爆炸气泡与结构相互作用数值计算研究 [J], 李健;潘力;林贤坤;荣吉利;项大林
2.近自由面水下爆炸气泡现象的数值仿真研究 [J], 牟金磊;朱锡;张振华
3.近自由面水下爆炸冲击载荷特性三维数值模拟 [J], 明付仁;张阿漫;杨文山
4.近自由面的多个水下爆炸气泡相互作用研究 [J], 张阿漫;姚熊亮
5.近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究 [J], 张阿漫;姚熊亮
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水中上升气泡体积变化率的图像分析技术代晓巍;金良安;迟卫;彦飞;田恒斗【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2010(024)006【摘要】水中上升气泡的体积变化率是舰船自消隐特种气幕技术等诸多研究的重要基础.鉴于当前对这一体积变化率研究的紧迫需求,提出并较为深入地研究了水中上升气泡体积变化率的图像分析技术.首先,在理论研究的基础上,专门建立了分析计算的数学模型;进而给出了分析的实施方法,即利用摄像法获取水中上升气泡的图像序列,并从中得出所需图像的相关信息,再利用建立的模型即可求出其体积变化率;同时,设计了专门的实验,初步验证了这一分析技术的可行性.【总页数】5页(P83-87)【作者】代晓巍;金良安;迟卫;彦飞;田恒斗【作者单位】海军大连舰艇学院航海系,辽宁,大连,116018;海军大连舰艇学院航海系,辽宁,大连,116018;中国科学院大连化学物理研究所,辽宁,大连,116023;海军大连舰艇学院航海系,辽宁,大连,116018;中国科学院大连化学物理研究所,辽宁,大连,116023;海军大连舰艇学院航海系,辽宁,大连,116018【正文语种】中文【中图分类】O359.1;TB1【相关文献】1.基于Level Set方法的水中气泡上升过程数值模拟 [J], 田辉;房媛;王文成;邹克武;叶阳辉2.基于双向图像的水中上升气泡溶解速率分析技术 [J], 代晓巍;金良安;迟卫;彦飞;田恒斗3.考虑盐度因素的水中气泡上升规律表征研究 [J], 张志友;金良安;苑志江;何升阳4.静水中气泡上升运动及阻力系数研究 [J], SHI Ming-yu;QI Mei;YI Cheng-gao;WANG Jian-jun;CHEN Rong;LIU Dian-yu5.气液两相流中上升气泡体积的计算方法 [J], 王红一;董峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第29卷第10期 光子学报 V ol.29N o.10 2000年10月 ACT A PHO TON ICA SIN IC A Octo be r2000 高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究*张建生1 吕 青1 孙传东2 卢 笛2 陈良益2(1西安工业学院,西安 710032)(2中国科学院西安光学精密机械研究所,西安 710068)摘 要 气泡在许多不同过程中起着重要作用.舰船尾流中的气泡提供了这样一个线索,即基于对气泡的特性研究,并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法.用高速摄影技术来研究气泡,具有直观、低费用的优点,配合以半自动胶片判读仪,可获得较为详细的关于气泡的参量.实验结果表明,水中气泡上升速度的大小都在随时间减小,气泡的末速度存在一极值,它与一定大小的气泡相对应.文中详细讨论了水中气泡的动力学特征,并与高速摄影所得到的气泡图象数据进行了比较,其结果的一致性肯定了高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究中的重要性. 关键词 高速摄影;气泡0 引言 在很多实验和工程问题中,水中的气泡起着重要作用,对于这些问题的求解必然依赖于对水中气泡的分布、气泡的特性的掌握.比如,海洋表面附近的气泡在许多不同过程中起着重要作用,这些过程包括水下声波的传播、气象学、海洋表面化学、空化、大气-海洋气体交换、液滴喷射、有机粒子的形成、细菌传播、化学物质分馏、激光在水下的传输等.气泡广泛存在于海水、河水、湖水等各种条件的水中,气泡的生成可能有多种原因,如波浪的破碎产生的气泡、浮游生物产生的气泡、各种尘埃产生的气泡、各种微扰(包括大气流动、各种振动、声波、湍流等)产生的气泡、存在于舰船尾流中的气泡1.舰船尾流中的气泡提供了这样一个线索,即基于对气泡的特性研究,并以此对舰船进行追踪是一种独特的方法.由于存在附加压强、浮力、介质的粘滞阻力以及压差阻力,还有不同温度、风力和光照下介质表面蒸发速率的影响,加之在运动过程中气泡的形变、分裂、结合、熄灭以及位移,每个气泡的运动规律和衰减情况大不相同.对于气泡的研究基本有两类方法,即声学和光学技术,其中光学技术主要有照相技术、激光散射技术和激光全息技术2,3.用高速摄影技术来研究气泡,具有直观、低费用的优点,配合以半自动胶片判读仪,可获得较为详细的关于气泡的参量.1 气泡动力学关于气泡的运动和动力学问题,Gar rettso ng 给出了一种基于牛顿运动定律的较为直观的理论4,这一理论考虑了水中气泡的受力情况、气泡表面活性物质及水流的影响,得到了气泡加速度的表达式.1.1 气泡的加速度对于单个气泡而言,它在水中的运动情况受很多因素的影响,这些因素包括水的流速、水的粘滞特性、气泡的尾流特性、气泡的惯性等.如果分别用v、V(r,t)来表示气泡速度和水的流速(其中r表示位置矢量,t表示时间),气泡体积e、气体密度d、水的密度d0,如果气泡完全被水支配,气泡将受到一个力d0e d V/d t.对于更为一般的情况,如果气泡内气体的密度与其所在流体的密度可能相等或者不等.如果d≠d0即气泡不*国防科技重点实验室基金试点项目(编号:99JS26.3.1.ZK1801)收稿日期:2000-03-10为流体所完全支配,此时气泡相对于流体的速度为u=v-V,气泡将受到一个拉力F D,这一力下面进一步讨论.在气泡运动过程中,它将要带着一部分水(用U表示所带水量与气泡的体积比)共同运动,根据牛顿第三定律,这一附加质量将引起一个附加项(-U e d0d u/d t),这一项使得气泡的有效惯性质量增加.此外,气泡受到一浮力e g(d-d)k∧,在此k∧表示竖直向上方向的单位矢量.考虑到所有这些因素,根据牛顿第二定律,气泡的加速度可表示为a=F De d0(U+d/d0)+(1+U)d V/d tU+d/d0+(1-d/d0)g k∧U+d/d0(1)其中d V/d t=V/t+(v·r)V(2)1.2 气泡在水中所受的阻力正因为在理论和时间两方面的重要性,气泡在水中的运动得以被研究.气泡可以根据雷诺数(Reyno lds number)R e=u d0/Z进行划分,其中Z 为水的粘滞系数.观察和实验表明,小(R e<1)气泡和中等尺寸(1<R e<700)的气泡保持为球形,而大(R e>700)气泡要发生形变而变为椭球形,特大(R e>4500)气泡则不稳定且易破裂.对于水中的小气泡(气泡线度l≤100μm),所受力为粘滞阻力,可表示为F V=-k Z l u(3)其中k为比例系数,对于表面为理想球面,干净,具有流动双流界面的气泡,k=4π.然而,在大多数情况下,其表面包含有表面活性物质,这会破坏其界面的流动性,在这种情况下,气泡表面的水的相对速度趋近于零,气泡的行为象固体球一样,这时k=6π.而对于中等尺寸(100μm≤l≤2000μm)的气泡,通过它的水流会被分开,在气泡表面的下游这一分开区域的面积我们用s1表示.在分开点以上,气泡所受的阻力为粘滞力,作为合力的一部分由式(3)给出,其中取k=12π.而在分开点以下直至气泡的尾流区,水流为紊流或湍流,这一部分的阻力可由下式给出F T=-0.5D c d0s1uu(4)式中D c是阻力系数,对200<R e<1000的气泡, 0.55≤D c≤0.65.在没有表面活性物质的情况下,s1非常小(对于R e1的情况,s1～12/R e)流过气泡的水流基本不被分开,此时阻力可由式(3)给出,其中取k= 12π.另一方面,当气泡的一部分表面积s0覆盖有单层的表面活性物质时,这一部分的相对流速等于零,该情况下让式(4)中s1=s0,与式(3)一起给出气泡的阻力.2 实验2.1 实验设备及实验条件使用棱镜补偿式高速摄影机(f:300mm,LBS -500),借助于气泡模拟器,在实验环境下我们对清洁淡水中气泡模拟器所产生的气泡进行了拍摄,利用中科院西安光机所设计制造的HJ991半自动通用胶片判读仪对所拍摄的胶片进行了判读.实验在室内进行,所温27°C,风力0～1级,人工强光源,气泡模拟器位于水槽底部(水深0.6m),所拍摄气泡位于水面下0.3m实验系统如图1所示.图1 实验系统框图Fig.1 Scheme o f ex perimental appa ratus2.2 实验结果利用半自动胶片判读仪对所拍摄的部分气泡进行判读,经数据处理得到其中六个气泡的速度变化规律如图2所示.图中横坐标为时间,纵坐标为气泡上升速度,所对应的气泡直经分别为0.36m m、0.30mm、0.46mm、0.85m m、0.37mm、0.95m m.气泡末速度与气泡直经的关系绘于图3.95310期 张建生等.高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究图2 气泡上升速度随时间的变化规律,Bubble01～Bubble06分别表示六个不同的气泡Fig.2 Th e curv es of a scent v elocity v ersus time.Bubble01～Bubble06ex press six bubbles r espectively图3 气泡末速度与气泡直径的关系Fig.3 T ermina l r ate and bubble ra dius3 分析与讨论实验条件下,水的粘滞系数为 1.002×10-3 (Pa.s),水的密度为1.0×103kg/m3,空气的密度为 1.20kg/m3.利用这些参量,再考虑到实验时气泡运动的初始条件(初速度、初始线度大小、初始位置),利用上述气泡动力学规律,容易计算得到气泡的速度变化规律.实验时气泡运动的初始条件表示为t=0, l=l0,v=v0,r=r0,根据加速度的定义a=d v/d t,有d v=a d t,根据气泡加速度表达式(1),可得速度表达式v=v(t,l0,l,r0,r,V)由此计算的结果与实验是一致的,而且与文献1所给出的结果是一致的.从图2可以看出,气泡上升速度的大小都在随着时间减小.之所以有这一结果,是因为两方面的原因:其一,在实验条件下,气泡是由气泡模拟器所产生的,也就是说,气泡从模拟器表面脱离时具有较大的初速度v0,而且具有很小的初始线度l0,此时它的整体行为类似于刚性粒子,在刚进入水中的短时间内会受到水对它的冲力作用,所以速度有一个快速减小的过程.第二,在气泡上升过程中,由于气泡内外压强差的增加,它的线度在逐渐增大,由于尾流的形成以及可能的表面吸附物质,使得气泡所受阻力的增加超过浮力的增加,从而使其速度逐渐减小.图3给出的结果表明,不同大小的气泡在上升过程中速度的变化并不相同.虽然在上升过程各气泡所受阻力的增加超过浮力的增加,但每个气泡所受的这两个力的大小关系不同.由图可以看出,较小和较大的气泡末速度小于中等大小气泡的末速度;水中气泡的末速度存在一极大值,这一极值所对应的气泡直径为0.46mm4 结论通过对采用高速摄影技术拍摄的气泡图象数据进行计算分析,并与气泡动力学理论相对照,可归纳出以下结论:1)水中气泡上升速度的大小都在随着时间减小;2)不同大小的气泡在上升过程中速度的变化并不相同,水中气泡的末速度当气泡直径为0.46m m时存在一极大值. 3)利用高速摄影机与胶片判读仪配合来研954 光子学报 29卷究气泡的运动和动力学规律是一种可行的方法.参考文献1 张建生,孙传东,冀邦杰等.气泡的运动规律及光学特性.鱼雷技术,2000,8(1):11～152 J in W U.Bubble po pulations and spectra in near-surface ocean :summa ry and r ev iew o f field measurements.J Geo ph Res ,1981,86(C 1):457～4633 M edvin H ,Breits N D .Ambient a nd tra nsient bubble spectr al densities in quiescent seas and under spilling breake rs .J Geoph Res,1989,94(C9):12751～127594 Gar ret tso n G A.Bubble tra nspo rt theo ry with applicatio n to th e upper ocea n.J Fluid M ech,1973,59(1):187～206THE MOMENT OF AIR BUBBLES INWATER BY USE OF HIGH SPEED PHOTOG RAPHYZhang J ia nsheng 1,Lu Qing 1,Sun Chuandong 2,Lu Di 2,Chen Liangyi21X i ′an Institute of T echnology ,X i ′an 7100322X i ′an I nstitute of Optics and Precision Mechanics ,Academia Sinica ,X i ′an 710068Receiv ed da te:2000-03-10Abstract Air bubbles play important roles in lo ts o f processes.Studying of bubbles in ship w akes m akes it feasible to shado w the target.H igh speed pho to graphy (HSP)as a direct and cheap mea ns ofresea rching air bubbles can g et the detail w ith the coo rdina tion o f semi -automa tic film judgm ent a nd reading instrument.The ascent ra te decreases with tim e a nd the terminal v elocity has a n ex treme v alue cor respo nding to bubbles with fix ed diameter according to the ex periment.Bubble dynamics,discussed in detail in this paper,com pared with the data of bubble im ag es go t of HSP,giv es the im po rtance fo r using HSP to studying the mom ent o f air bubbles alo ng of the co nsistence of results .Keywords H igh speed photog raphy;AirbubbleZhang Jiansheng w as bo rn in 1966,g raduated from the No rmal Univ ersity of Shaa nxi (N US )is 1988a nd receiv ed his master 's deg ree in Physics Depar tment from N US .No w he is a PhD candida te in Xi 'an Institute o f Optics and Precision M echa nics,Chinese Academ y of Science.He is cur rently a lecturer in Xi 'an Insti-tute o f Technolog y to o.His research interests include SERS and o ptical engineer-ing .95510期 张建生等.高速摄影技术对水中气泡运动规律的研究。
