非均匀润湿性表面的气泡动力学特性

气泡的运动规律气泡是一种常见的物质状态，它在液体中形成并随着液体的运动而移动。

气泡的运动规律是由多个因素决定的，包括液体的性质、气泡的大小和形状以及外部环境的影响等。

液体的性质对气泡的运动规律有着重要的影响。

液体的黏度越大，气泡的运动速度就越慢。

这是因为黏度大的液体会对气泡施加较大的阻力，使其难以快速移动。

另外，液体的表面张力也会影响气泡的运动。

表面张力越大，气泡的形状就越稳定，运动速度也会相应减慢。

气泡的大小和形状也会对其运动规律产生影响。

一般来说，较小的气泡运动速度较快，而较大的气泡则较慢。

这是因为较小的气泡受到的阻力较小，所以能够更快地移动。

另外，气泡的形状也会影响其运动规律。

如果气泡形状不规则，表面积较大，那么其运动速度就会相对较慢。

外部环境的影响也会对气泡的运动规律产生一定的影响。

例如，温度的变化会改变液体的黏度和表面张力，从而影响气泡的运动速度。

根据以上的规律，我们可以总结出气泡的运动规律。

当液体黏度较大、表面张力较高且外部环境流动速度较慢时，气泡的运动速度会相对较慢；相反，当液体黏度较小、表面张力较低且外部环境流动速度较快时，气泡的运动速度会相对较快。

此外，较小且形状规则的气泡会比较大且形状不规则的气泡运动速度更快。

在实际应用中，气泡的运动规律有着广泛的应用。

例如，在水处理过程中，气泡被用作悬浮物的载体，通过气泡的浮力和液流的冲刷作用，将悬浮物从液体中移除。

此外，在生物工程中，气泡的运动规律也被应用于气泡生物反应器等设备中，用于提高生物反应的效率。

气泡的运动规律是由液体的性质、气泡的大小和形状以及外部环境的影响等多个因素共同决定的。

了解气泡的运动规律对于优化相关过程和提高效率具有重要意义。

通过深入研究和应用气泡的运动规律，我们可以更好地利用气泡的特性，实现更多实际应用的目标。

研究气泡的运动规律的原理
研究气泡的运动规律主要涉及流体力学和表面物理学原理。

首先，在液体中，气泡受到了多种力的作用，主要有浮力、惯性力、表面张力、黏滞阻力等。

这些力共同决定了气泡的运动规律。

浮力是气泡在液体中运动的一个重要因素。

根据阿基米德原理，气泡受到的向上浮力等于所排开的液体重量。

当气泡上升时，浮力大于气泡的重力，气泡会上升；当气泡下降时，浮力小于气泡的重力，气泡会下降。

惯性力是由于气泡的加速度引起的。

当气泡在液体中受到外力时，会产生加速度。

根据牛顿第二定律，惯性力等于质量乘以加速度。

这就意味着，气泡的加速度越大，惯性力越大。

表面张力是气泡运动中的另一个重要因素。

液体表面的分子之间存在着相互吸引力，这种力使得液体表面趋向于最小化表面积。

当气泡增大时，液体表面积减小，表面张力会将气泡收缩；当气泡缩小时，液体表面积增加，表面张力会将气泡扩展。

这种表面张力力量与气泡的半径成反比。

最后，黏滞阻力是气泡在液体中运动时产生的一种阻力。

黏滞阻力与气泡运动速度成正比。

当气泡速度很快时，液体会对气泡施加较大的阻力，限制气泡的运动速度。

综上所述，在液体中，气泡的运动规律受到浮力、惯性力、表面张力和黏滞阻力等因素的共同影响。

根据这些作用力的相互作用，可以研究和解释气泡在不同条件下的运动特性。

矿物分选过程中气泡动力学研究在矿物加工领域，矿物分选是一项至关重要的工艺，而气泡在这一过程中扮演着举足轻重的角色。

对矿物分选过程中气泡动力学的深入研究，有助于我们更好地理解和优化分选效果，提高矿物资源的利用率。

气泡在矿物分选过程中的作用主要体现在其与矿物颗粒的相互作用上。

气泡的大小、形状、上升速度以及稳定性等动力学特性，直接影响着对矿物颗粒的捕获和携带能力。

首先，气泡的大小是一个关键因素。

较小的气泡具有较大的比表面积，能够增加与矿物颗粒的碰撞概率。

然而，过小的气泡在上升过程中可能因为浮力不足而难以有效地携带矿物颗粒至液面。

相反，较大的气泡虽然浮力较大，但与矿物颗粒的碰撞和粘附机会相对较少。

因此，找到一个合适的气泡尺寸范围对于提高分选效率至关重要。

气泡的形状也会对分选过程产生影响。

理想情况下，球形气泡具有均匀的表面张力分布，但其在实际分选环境中往往会受到各种因素的干扰而发生变形。

例如，在复杂的流体环境中，气泡可能会被拉伸或压扁，导致其表面张力分布不均匀，进而影响与矿物颗粒的相互作用。

气泡的上升速度同样不容忽视。

上升速度过快，可能使得气泡与矿物颗粒的接触时间过短，来不及完成有效的粘附；上升速度过慢，则可能导致分选过程效率低下。

影响气泡上升速度的因素众多，包括液体的粘度、密度，以及气泡自身的大小和形状等。

气泡的稳定性也是影响矿物分选效果的重要因素之一。

不稳定的气泡容易破裂或合并，这不仅会改变气泡的数量和大小分布，还可能导致已经粘附在气泡表面的矿物颗粒重新脱落，降低分选的准确性和效率。

为了深入研究气泡动力学，实验研究是必不可少的手段。

科研人员通过各种实验装置，如浮选柱、浮选机等，模拟矿物分选过程中的气泡行为。

在实验中，可以精确控制各种参数，如气体流量、液体流速、矿物颗粒特性等，观察气泡的生成、上升和与矿物颗粒的相互作用过程。

同时，数值模拟技术也为气泡动力学研究提供了有力的支持。

通过建立数学模型，结合计算流体力学和颗粒动力学的方法，可以模拟复杂的多相流体系中气泡的运动和相互作用。

纳米沟槽表面润湿特性的分子动力学模拟近年来，随着材料科学技术的飞速发展，纳米技术已经成为一个新兴领域，受到了广泛的关注。

其中，由于具有独特的光学、电学、机械、机械和生物等性质，纳米沟槽表面的润湿性发挥着重要作用。

有助于在纳米沟槽表面的各种应用，可以改善微纳米尺度下的传热性能。

因此，研究纳米沟槽表面的润湿性变得越来越重要。

然而，传统的实验研究和理论计算无法满足对纳米沟槽表面润湿性的研究需求。

分子动力学模拟作为一种精确、灵活的研究方法，已经成为研究纳米沟槽表面润湿性的理想选择。

具体而言，分子动力学技术可以实现原子尺度的温度、压强和时间等参量的调控，并精确捕捉到纳米沟槽表面润湿性的相关效应，可以准确计算和预测纳米沟槽表面的润湿性。

首先，需要确定研究的对象。

纳米沟槽表面具有极其精细的结构，其表面光滑程度超出了传统实验技术的测量能力。

因此，近年来，纳米沟槽表面润湿性的实验研究主要基于子级结构表面的模拟表面，例如平板、凹壳和梯度曲线等。

其次，在开展分子动力学模拟研究之前，需要先选择合适的计算神经网络，以实现准确的量子力学仿真计算。

此外，在进行分子动力学模拟计算时，还需要结合现有的物理模型，以便更好地理解纳米沟槽表面润湿性等相关物理效应。

例如，可以结合精确的力场模型，实现准确的电子结构分析；可以结合拉曼和二维投射成像技术，实现精准的表面化学分析。

同时，也可以结合非结构化表面形貌分析技术，定量地表征润湿性表面的特点。

最后，对研究结果进行解释与分析，有助于充分挖掘纳米沟槽表面润湿性的本质，从而为相关的应用提供科学指导。

通过对各种润湿例子的研究，可以更好地理解纳米沟槽表面的润湿性，进而提出优化的设计原则和应用方案，以满足实际工程设计和应用的要求。

总之，通过分子动力学模拟研究，可以准确捕捉纳米沟槽表面润湿性的相关效应，为其它实验和计算技术提供重要补充，为材料研究和应用提供精准的理论和实验支持。

未来，分子动力学技术将在纳米技术的研究方面发挥越来越重要的作用，但也需要有助于更深入地理解和研究纳米沟槽表面润湿性，以期获得更好的应用能力。

The Mechanics of Cavitation and BubbleDynamics在我们日常的生活中，我们可能并不经常会关注到水的化学性质，但对于一些重要的产业和科学领域来说，水的化学性质显得非常重要。

作为一种普遍存在于我们日常的生活中的液体，水与各种固体、气体的相互作用产生了许多有趣和实用的现象，其中一个非常值得关注的现象就是“气泡的产生与演化”。

这就是我们所谓的气泡动力学现象，也就是液体中的气体聚集形成的气泡现象的研究，这些气泡可以沿着固体膜表面移动形成亮斑或亮线，也可以聚集起来形成大的气泡。

这种气泡现象被科学家们研究已经有了几十年的时间，其中最重要的就是“气泡空化与气泡动力学”方法。

在机械工程中，液体的运动是一个非常重要的研究领域。

当我们研究水的力学性质时，液体的压力和流动是关键因素。

但是有些情况下，压力过高或流动过快，液体就会发生气泡空化现象。

当空化部分的气体质量成倍增加时，它们的运动特征就完全不同于我们平常所知道的液体。

气泡动力学现象的起源和科学研究方法随着气泡动力学现象的研究加深，研究人员不断发现气泡运动的真正原因。

最初的研究主要集中在核息蚀工艺和离子聚变领域。

在此过程中，气泡在流动液体中扩散是产生水冷却的主要原因之一。

科学家们希望更好地了解液体中气泡的特性，以便在这些应用领域中更好地控制气泡的行为和运动。

气泡和水的相互作用非常复杂，需要使用很多数学和物理学的知识来详细描述和理解它们之间的相互作用。

为了更好地了解流体中气泡的运动和扩散过程，科学家利用了大量的工具和技术，例如水槽实验、高速摄像机、计算机模拟和数学模型等等。

通过这些方法，科学家可以模拟和分析气泡的移动，以及它们在液体中的生成、成长和运动过程，进而得出比较全面、准确的结论。

气泡空化和气泡动力学在现代工业领域，气泡空化现象的产生已经成为一种严重的问题。

这个问题常常出现在在蒸汽轮机、液体泵、离心离子机等工业设备中。

当液体的压力超过气体饱和度时，液体的部分体积中的气体就会聚集起来，形成气泡。

《微尺度模型气体流动机理》篇一一、引言在物理学和工程学领域，微尺度模型气体流动机理的研究具有重要价值。

随着纳米技术和微电子机械系统（MEMS）的快速发展，对微尺度气体流动的理解和控制变得越来越关键。

微尺度下的气体流动不同于宏观尺度，其流动特性、传热传质以及相互作用机制均有所不同。

因此，本文旨在探讨微尺度模型气体流动的机理，为相关领域的研究和应用提供理论支持。

二、微尺度气体流动的基本特性微尺度气体流动具有以下基本特性：1. 尺度效应：在微尺度下，气体分子的平均自由程与流道尺寸相当，导致气体分子间的碰撞频率增加，流动呈现出明显的尺度效应。

2. 表面效应：微尺度流道内表面的粗糙度、润湿性等因素对气体流动产生显著影响，表面效应不可忽视。

3. 传热传质特性：微尺度下的气体流动往往伴随着传热传质过程，其传热传质特性与宏观尺度有所不同。

三、微尺度模型气体流动的机理微尺度模型气体流动的机理主要包括以下几个方面：1. 分子动力学模型：在微尺度下，气体分子的运动遵循分子动力学原理。

通过建立分子间的相互作用力模型，可以描述气体分子的运动轨迹和碰撞过程，进而分析气体流动的机理。

2. 滑移边界条件：在微尺度流道内，由于分子间的碰撞频率增加，导致气体分子在流道壁面附近的运动受到滑移边界条件的影响。

滑移边界条件的引入可以更准确地描述微尺度气体流动的特性。

3. 传热传质模型：微尺度下的气体流动往往伴随着传热传质过程。

通过建立传热传质模型，可以分析微尺度流道内的温度场、浓度场以及它们对气体流动的影响。

四、微尺度模型气体流动的应用微尺度模型气体流动的应用主要涉及以下几个方面：1. 微电子机械系统（MEMS）：微尺度模型气体流动机理对于MEMS的设计和制造具有重要意义。

例如，在微流体控制、微传感器等领域，需要准确掌握微尺度气体流动的特性和机理。

2. 纳米技术：在纳米技术领域，微尺度模型气体流动机理对于纳米材料的制备、传输和操控具有重要意义。

微泡动力学模型综述微泡动力学是一门研究微小气泡在液体中游动的学科，它也被称为小气泡动力学(BPIM)。

借助该学科，研究人员可以比较不同尺寸和形状的微泡的性能，以及采用多种参数来描述微泡的运动特性。

这些参数包括气泡的尺寸、表面张力以及微泡在液体中的总体结构和性质。

微泡最早由荷兰物理学家威廉布兰特(William Bramble)在1912年提出，他将气体封装在液体中以形成微泡。

这一发现引发了人们对研究微泡动力学的兴趣，也促进了微泡动力学的发展。

微泡动力学研究了气泡运动特性，即微泡如何在液体中移动。

研究人员将微泡动力学中的主要模型分为三类：单组分模型、双组分模型和多组分模型。

单组分模型是最简单的模型，它由一种特定的液体和一种特定的气泡组成。

这种模型用来研究微泡在液体中的运动特性，包括不同气泡尺寸和气泡表面张力对微泡运动的影响。

双组分模型包含两种液体一种带有微泡，另一种无微泡以及一种特定的气泡。

这种模型可以研究带微泡的液体和无微泡的液体之间的关系，以及气泡的大小、表面张力和气泡的运动特性之间的关系。

多组分模型由多种液体和一种特定的气泡组成。

该模型用于分析满足不同要求的多种液体间的相互作用，以及气泡对多种液体运动的影响。

另外，多组分模型还可以用于研究气泡大小、表面张力和微泡运动特性之间的关系。

除了上述的模型之外，还有一些其他的模型，如复杂流体动力学模型、多尺度气泡动力学模型等，用于研究复杂流体，如浊流和湍流，以及微泡对其影响的原因。

自20世纪30年代以来，人们一直使用各种理论模型和实验方法来研究微泡动力学。

同时，微泡动力学模型在工程领域、化学领域和生物领域也得到了广泛的应用，用于研究各种系统中微泡的性质和运动特性。

目前，微泡动力学还有很多未解决的问题，如如何准确地描述微泡的表面张力和复杂液体中微泡的分布等。

预计未来几年内，微泡动力学仍将发展，深入探讨各种微小气泡运动的机制，为更多的工程、化学和生物系统进行模拟和分析提供基础。

气泡流动的力学规律与数值模拟研究气泡是指液体中的一团气体，由于密度小于液体，因此在液体中会向上浮起，形成气泡。

气泡在液体中的流动和漂浮，涉及到复杂的流体力学问题。

本文将从力学规律和数值模拟两个方面探讨气泡流动的相关问题。

一、气泡流动的力学规律1. 气泡浮力气泡浮力是指气泡由于其体积小、密度轻而受到上浮的力。

根据阿基米德定律，浮力的大小等于排出液体的重量，即F_b = ρ_vgV，其中ρ_v为气泡体积密度，g为重力加速度，V为气泡体积。

浮力的大小和气泡体积成正比，因此气泡越大，其浮力也越大。

同时，液体中的温度、压力、密度等参数也会对浮力产生影响。

2. 气泡阻力当气泡在液体中运动时，其受到的阻力是气泡运动时的速度、液体的密度、粘度以及气泡形态等因素决定的。

在液体中运动的气泡会向周围液体施加一定大小的阻力，同时也会受到周围液体施加的阻力。

气泡的形态也会对阻力产生影响，一般情况下，气泡直径越小，其形态越接近球形，所受到的阻力也就越小。

3. 气泡拖曳力气泡在向上浮起运动的同时，也会带动周围的液体形成涡旋，从而使周围的液体也产生流动。

液体在气泡运动的过程中，会受到来自气泡的拖曳力，拖曳力的大小也取决于气泡运动时所产生的流场。

对于小气泡来说，其周围的流动主要是由液体的粘性影响，所产生的拖曳力也相对较小；而对于大气泡来说，其周围的流动则主要受到液体的惯性影响，其所产生的拖曳力也相应较大。

二、数值模拟研究针对气泡流动的力学规律，目前研究人员已经开展了大量的数值模拟研究，旨在了解以及优化气泡在液体中的运动和漂浮。

下面将从几个方面介绍数值模拟在气泡流动研究中的应用。

1. 流动模拟流动模拟是指将气泡在液体中运动所产生的物理现象用数学模型描述，并通过计算机进行模拟的过程。

通过流动模拟，可以对气泡在液体中的运动轨迹、速度、压力等参数进行分析研究，以更好地了解流动的特性和动力学规律。

2. 界面模拟界面模拟是指将液体和气泡之间的接触面用数学模型进行描述，并通过计算机进行模拟的过程。

化学反应动力学的非均相反应化学反应动力学是关于反应速率和化学反应机理的研究。

非均相反应是指反应物和催化剂不同种类之间的反应，通常涉及多相反应体系。

因为反应物和催化剂在物理和化学性质上不同，导致反应过程非常复杂，反应速率也往往比均相反应慢很多。

非均相反应的动力学研究是为了探究反应速率及其影响因素。

其他的研究目标包括催化剂的选择和设计、理解反应机理、防止废物产生、减少反应条件如温度和压力、提高反应选择性等。

因为非均相反应的物理化学过程繁杂，动力学研究应用了不同的技术，包括吸附、谱学、电化学、计算化学和表面分析等。

这些技术的共同目标是找到催化剂与反应物间的相互作用和表征和测量反应中心，以便优化反应条件并提高反应效率。

氧气分子为了被活化成活性氧物种，必须首先被吸附到金属表面上。

这一表面吸附步骤是反应动力学研究中的关键步骤。

研究结果表明，反应物的化学计量比、催化剂结构、催化剂与反应物之间的相互作用、电子结构和表面活性位的数量等对反应的速率和选择性有很大的影响。

催化剂的选择对反应速率和选择性有很大的影响，因此催化剂的开发非常重要。

除了高活性，催化剂还必须是可再生的和低成本的。

目前，探索金属、氧化物和纳米材料作为催化剂的应用是反应动力学研究的一个热点。

另一个热点研究领域是非均相反应的光化学反应动力学。

这些反应发生在吸附在催化剂或固体表面的光敏性反应物上。

研究表明，这些光敏性反应物对光敏化催化剂的类型、光照强度、光照时间以及反应物种类和浓度等因素非常敏感。

在光敏化反应中，吸附在催化剂表面的光敏性反应物被激发，进而产生一系列化学物种，从而触发反应。

因此，要研究催化剂和光敏反应物之间的相互作用和反应机理非常重要。

总之，非均相反应动力学研究对提高反应效率、促进可持续发展和减少废物产生非常重要。

未来的研究方向包括开发新型催化剂、深入了解反应机理、优化反应条件和发展新的表征和测量技术。

第51卷第2期2024年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science)Vol.51,No.22024引用格式:楼琨,蔡子琦,刘新卫,等.多孔平板表面的气泡生成特性研究[J].北京化工大学学报(自然科学版),2024,51(2):19-27.LOU Kun,CAI ZiQi,LIU XinWei,et al.Bubble formation characteristics on a plate surface with surface micropores[J].Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science),2024,51(2):19-27.多孔平板表面的气泡生成特性研究楼　琨　蔡子琦*　刘新卫　马　鑫　高正明(北京化工大学化学工程学院,北京　100029)摘　要:具有微孔的多孔平板表面曝气是制备微气泡的重要手段之一㊂采用非侵入式数字图像识别法对金属多孔平板表面生成的微气泡特性进行实验研究,考察了平板上方液相流速㊁表观气速㊁液相黏度㊁表面张力和平板平均孔径对生成气泡平均直径(d av )的影响㊂结果表明:d av 随着液相流速的增大而减小,随表观气速的增大和表面张力的减小而减小;液相黏度则对d av 有双重影响,随着黏度的增加d av 先减小后增大,且在黏度为1.32mPa ㊃s 时最小㊂最后,提出了描述气泡平均直径与液相雷诺数㊁毛细管数和气液比之间关系的经验关联式㊂关键词:金属多孔平板;微孔曝气法;微气泡中图分类号:TQ021.1 DOI :10.13543/j.bhxbzr.2024.02.002收稿日期:2023-05-15基金项目:国家自然科学基金(22078008&22178014)第一作者:男,1997年生,硕士生*通信联系人E⁃mail:caiziqi@引　言现代化工生产过程中有许多涉及气-液㊁气-液-固等多相体系的传递与化学反应过程,其中质量传递过程的速率与生产过程中的能量和物质消耗密切相关,强化传质过程具有重要意义㊂微气泡[1]因其比表面积大㊁上浮速度慢㊁气泡内压大等性质可以有效提高气液间的传质效率,在生物医药[2]㊁石油化工[3]㊁水体净化[4]等领域有着诸多应用㊂微气泡的制备方法主要有电解法[5]㊁射流法[6]㊁加压溶解法[7]㊁微流控法[8]和微孔曝气法[9],其中微孔曝气法制备微气泡是一种能耗相对较低㊁设备简单且稳定的方法㊂该方法利用压力差使气体从多孔介质孔隙中挤出,并在多孔介质的表面形成气泡且随液相流动脱落而形成微气泡㊂当前使用的多孔介质主要为金属膜㊁陶瓷膜㊁shirasu por⁃ous glass(SPG)膜和玻璃膜㊂Zheng 等[10]使用平均孔径为5μm 的金属多孔板,以乙二醇(EG)和2⁃氨基⁃2⁃甲基⁃1⁃丙醇(AMP)为连续相,氮气为分散相制备微气泡,通过显微高速相机观察到其直径为70~115μm,并发现停留时间增加会使气泡间发生聚并现象㊂吴胜军等[11]和徐振华等[12]为提升浮选效率设计了一种金属多孔微管气体分布器制备微气泡,研究结果表明:随着多孔管内外压差的增大和气液比的减小,气泡平均直径减小;表面张力的减小㊁黏度的增加㊁平均孔径的减小也会使气泡尺寸减小㊂Xie 等[13]利用柱状多孔陶瓷膜制备微气泡,测试了膜孔径㊁液相流速㊁表观气速等因素对气泡尺寸的影响,实验结果与文献[11]的研究结果一致㊂Kukizaki 等[14]利用激光粒度仪对SPG 膜生产的气泡尺寸进行表征,研究了表面活性剂类型㊁表面张力㊁通气量㊁液相流速等对微气泡尺寸的影响,并详细分析了气泡生长到分离的过程㊂Kazakis 等[15]使用316L 不锈钢粉末烧结而成的金属多孔平板研究了气体流速㊁液相黏度㊁液相表面张力㊁金属板孔径等参数对气泡尺寸的影响,并得到了与以上影响因素相关的可以预测气泡平均Sauter 直径的经验关联式㊂尽管许多研究者已经系统地研究了各类影响因素对多孔材料表面气泡生成特性的影响,但气泡尺寸的测量主要在液相流速低或静止的观察室中进行,这可能导致气泡在观察室内发生聚并而使得测量结果产生误差,并且目前尚没有建立一个针对液相流速㊁表观气速㊁表面张力㊁黏度㊁金属多孔平板孔径5种影响因素与微孔曝气法生成气泡尺寸之间的经验关联式㊂因此,本文利用非侵入式数字图像分析方法对透明矩形流道内高速流动下的气泡直接拍摄识别,并探究液相流速㊁表观气速㊁表面张力㊁黏度㊁金属多孔平板孔径等因素对气泡生成特性的影响,以得到预测微孔曝气法生成微气泡平均直径的经验公式,为微气泡在传质方向中的工业应用提供参考数据㊂1　实验部分1.1　实验装置图1为金属多孔平板表面气泡生成特性实验装置示意图㊂实验装置的主体为透明方腔,材质为有机玻璃,尺寸为1300mm ×20mm ×20mm㊂实验中流体输送由磁力泵(MP -100RM,温州新西山水泵有限公司)完成,气相输送则由空压机(FX680R -15,上海菲克苏有限公司)提供,使用转子流量计(LZB -3WB,常州双环热工仪表有限公司)控制气相流速㊂在透明方腔背侧设置LED 灯用以增强气泡图像对比度㊂使用高速相机(GO -5000M -USB,丹麦JAI)对气泡的形态进行记录㊂实验中液体的表面张力通过接触角测量仪(OCA50,德国奥德利诺仪器)测定,黏度通过旋转流变仪(MARS40,美国赛默飞)测定㊂图1　实验装置Fig.1　Experimental device气泡发生装置为金属多孔平板,空气在压力的作用下通过金属多孔平板,并在平板表面形成附着在其上的小气泡,这些小气泡在平板表面液相剪切作用下脱离并进入方腔㊂平板由316L 不锈钢粉末烧结而成,其直径为18mm,厚度为3mm,开孔率35%㊂金属多孔平板依据其平均孔径分为5μm㊁20μm 两种㊂前者的最大孔径约为21μm;后者最大孔径约为61μm(多孔板相关数据由制造商石家庄金钛净化设备有限公司提供),其扫描电子显微镜SEM(Gemini300,德国蔡司)表征图如图2所示㊂图2　金属多孔平板表面SEM 表征图Fig.2　SEM micrographs of the porous metal plate根据扫描电镜SEM 测试结果,平均孔径为20μm 的多孔平板表面具有更大的孔隙,并且孔隙的尺寸分布和形状相对更不均匀,而平均孔径为5μm 的金属平板表面孔隙分布较为均匀,该测试结果可以说明石家庄金钛净化设备有限公司提供的多孔膜数据基本准确㊂1.2　实验原料实验中使用表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS,分析纯,石家庄金钛精华设备有限公司)调节液相表面张力,使用糖浆(80%麦芽糖浆-水溶液)调节液相黏度㊂实验中使用的9种物系的性质如表1所示㊂1.3　数据处理方法实验中的液相流速u L 由式(1)计算得出㊂u L =Q L A 1(1)其中,u L 为液相流速,m /s;Q L 为液相体积流量,m 3/s;A 1为透明方腔截面积,m 2㊂㊃02㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2024年表1　实验中所用液相的物理性质(25℃)Table 1　Physical properties of the liquid phase at 25℃序号物系浓度/(mol ㊃m -3)质量分数/%表面张力/(mN ㊃m -1)黏度/(mPa ㊃s)密度/(kg ㊃m -3)W自来水720.93997S10.0350.001620.93997S2SDS 溶液0.1040.003560.93997S30.1730.005530.93997S40.3460.010490.93997V1 12731.321036V2糖浆-水溶液20741.621064V3 25741.941082V435752.821120 表观气速u g 由式(2)计算得出㊂u g =Q gA 2(2)其中,u g 为表观气速,m /s;Q g 为气相体积流量,m 3/s;A 2为多孔平板表面积,m 2㊂对本文中所拍摄的照片中气泡尺寸的识别是数据处理的重要环节㊂在实验中使用的高速相机拍摄出的图片灰度值介于0~255之间,因此需要用MATLAB 程序对原始图片进行数字化处理,其过程如图3所示,具体操作步骤如下:(a)输入原始图像与像素比例尺;(b)通过高斯滤波对图像进行降噪处理;(c)灰度处理调整图像灰度,增大气泡与背景的对比度;(d)使用imfindcircles 函数识别气泡轮廓;(e)对气泡进行编号;(f)通过气泡所占区域的像素数量计算气泡的直径,并输出数据㊂为保证实验数据的样本无关性,每组实验条件下识别的气泡数量至少为1200个㊂2　结果与讨论微气泡在多孔平板上的生成过程可分为两个阶段:气泡在微孔中的生长和从多孔平板表面的脱离㊂在这个过程中,气泡受到多种力的作用,其中一类为阻止气泡脱离壁面的力,包括气液两相间表面张力㊁液体对气泡的曳力;另一类为促使气泡从平板上分离的力,包括气泡的浮力㊁惯性力㊁气泡内部压力和液相对气泡的剪切力㊂该过程中气泡的受力分析[14]如图4所示㊂F τ为剪切应力,由液相流动产生,可由式(3)计算得出㊂图3　气泡图像识别过程Fig.3　Microbubble analysis processF τ=λρL u L8(3)其中,ρL 为液相的密度,kg /m 3;λ为摩擦系数㊂在2500<Re <100000时,λ的值可由Blasius 方程式(4)得出㊂λ=0.3164Re -0.25(4)F [16]g为气泡惯性力,可由式(5)计算得出㊂F g =π4d p ρg u g(5)其中,d p 为多孔板平均孔径,m;ρg 为气体密度,kg /m 3㊂F σ为表面张力,可由式(6)计算得出㊂F σ=2πr p σ(6)其中,r p 为多孔平板孔径半径,m;σ为表面张力系数,N /m㊂F d 为气泡所受曳力,可由式(7)计算得出㊂F d =12ρL W 2πd 2(424μρL Wd)+1(7)其中,ρL 是液相密度,kg /m 3;W 是气泡膨胀的平均速度,m /s;d 是气泡直径,m;μ是液相黏度,Pa ㊃s㊂F b 为气泡所受浮力,可由式(8)计算得出㊂F b =(ρL -ρg )gV(8)㊃12㊃第2期 楼　琨等:多孔平板表面的气泡生成特性研究其中,ρL为液相密度,kg/m3;ρg为气体密度,kg/m3;g 为重力加速度,9.8m/s2;V为气泡体积,m3㊂F P=πr2pΔP(9)其中,r p为多孔平板孔径半径,m;ΔP为压力差,Pa;F P为汽泡内部的压力,Pa㊂孔隙中压力差ΔP可由式(10)Young⁃Laplace 方程计算得出㊂ΔP=2σrp(10)图4　气泡形成过程示意图Fig.4　Schematic representation of the bubbleformation process2.1　液相流速的影响图5为液相为水时液相流速对气泡平均尺寸d av的影响㊂从图中可以发现当液相流速增大后气泡的平均直径d av明显减小㊂这是由于液相流速的增大使壁面处的液相剪切力增大,气泡更容易脱离多孔板表面,导致气泡在生长阶段早期便受到了足够的分离力而脱离壁面㊂但随着液相流速的进一步增大,气泡尺寸变小的趋势逐渐变缓㊂这是由于在多孔平板表面存在流体流动缓慢的层流内层,使得在其中生长的更小的气泡受到液相切向流速的影响减弱,导致了在较高液相流速下气泡平均直径减小的程度下降[17]㊂图6是液相为水时不同液相流速下气泡直径概率密度分布(PDF)图㊂从总体上看,随着液相流速图5　液相流速对气泡平均直径的影响Fig.5　Effect of liquid velocity on the averagebubblediameter图6　液相流速对气泡尺寸分布的影响Fig.6　Effect of liquid velocity on thebubble size distribution的增大,气泡尺寸分布变窄,概率密度的峰值增大且向尺寸减小的方向移动,即气泡尺寸分布变得更为均一㊂当u L=1.668m/s时,直径在200~300μm 范围内的气泡数量占气泡总数的35%以上㊂2.2　表观气速的影响图7为水相中不同表观气速下多孔平板表面的气泡生成情况㊂从图中可以发现,随着表观气速的增加,更多的孔隙被激活,表现为有更多的微孔上方出现了气泡㊂根据式(10)Young⁃Laplace方程,在多孔平板上不同直径的小孔处生成气泡所需要的压力是有差异的,越小的孔所需要的压力越大㊂因此,随着压力的增大,可以使得更多较小的孔隙被激活而产生气泡,多孔平板的利用率增加㊂图8为水体系中表观气速对气泡平均直径的影响㊂从图中可以看出,随着表观气速u g的增加,微气泡平均尺寸大体上随着气速的增大而小幅度增加,同时伴随小幅度波动㊂该现象可以从以下几方面解释:一方面,随着表观气速的增大,多孔平板下方压力增大,使得更多细小的孔隙被激活,同时表观㊃22㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2024年图7　不同表观气速下多孔平板表面的微孔利用率(u L =0.625m /s,d p =20μm)Fig.7　Effect of gas velocity on the opening condition of the porous metal plate (u L =0.625m /s,d p =20μm)图8　表观气速对气泡平均直径的影响Fig.8　Effect of gas velocity on the averagebubble diameter气速的增大使得气泡惯性力增大,加速气泡脱离金属多孔板表面从而生成更小尺寸的微气泡;另一方面,根据Kazakis 等[15]研究结果表明,随着被激活的孔数增加,在气泡生长阶段相邻的气泡发生聚并的概率增加,可能出现单个气泡由多个孔隙共同生成的现象,从而使得气泡的尺寸增大㊂图9为不同表观气速下气泡尺寸分布的结果,从中可以看到随着表观气速的增加,气泡尺寸分布概率密度分布曲线变宽,微气泡的尺寸范围从100~1100μm 增大至100~1300μm㊂微气泡较为集中地出现在300~400μm 的范围内,并且随着气速的增加,概率密度曲线峰值从25%降至20%㊂以上结果表明随着气速的增大,表观气速会对气泡尺寸分布的均一性产生负面影响,但影响程度较弱㊂2.3　表面张力的影响图10为不同实验条件下,表面张力σ对气泡平均直径的影响㊂可以发现气泡平均直径随表面张力σ的减小而减小㊂根据Young⁃Laplace 公式,在相同的通气压力下,在低表面张力体系中小气孔更容易被活化,从而产生了尺寸更小的气泡;同时,随着表面张力的降低,限制气泡脱附的力减小,使得气泡图9　表观气速对气泡尺寸分布情况的影响Fig.9　Effect of gas velocity on the bubblesizedistribution图10　表面张力对气泡平均直径的影响Fig.10　Effect of surface tension on theaverage bubble diameter㊃32㊃第2期 楼　琨等:多孔平板表面的气泡生成特性研究更容易脱离多孔膜㊂此外,根据Abadie等[18]研究,在具有表面活性特性的体系中,气泡易呈现刚性球形性质,较低的表面张力会抑制微气泡之间的聚并㊂上述3个方面的因素综合导致了气泡平均直径随表面张力的减小而减小㊂2.4　液相黏度的影响图11为不同流动条件下黏度对气泡平均直径的影响㊂可以发现,随着液相黏度的增加,气泡平均直径迅速减小并达到一个极小值,随后又随着液相黏度的增大而增大㊂该现象说明黏度的增加对气泡尺寸的影响具有双面性㊂在气泡平均直径随着液相黏度的增大而下降的阶段(μ=0.92~1.32mPa㊃s),黏性阻力会限制气泡的生长速度,在相同通气条件下,更多的微孔被激活并生长出更小尺寸的微气泡㊂此外,根据Mouza等[19]研究,此时增加黏度还可抑制气泡的聚并㊂随着液相黏度的进一步增大(1.32~2.82mPa㊃s),气泡平均直径随着液相黏度的增大而增大㊂这主要是随着液相黏度的增大,相同流速时的液相雷诺数显著减小,导致流体的湍动强度降低,从而不利于气泡在平板表面的快速分离㊂根据式(7),气泡在多孔平板表面生长时还受到曳力作用,该曳力正比于液相黏度,曳力的增大不利于气泡在多孔平板表面的脱离㊂2.5　多孔平板平均孔径的影响图12为在3种液相体系中,金属多孔平板平均孔径对生成微气泡平均直径的影响㊂由图可见,2种金属多孔平板生成的微气泡平均直径均随着液 图11　黏度对气泡平均直径的影响Fig.11　Effect of viscosity on the average bubble diameter相流速的增加而减小,并且d p=5μm的多孔平板生成的气泡尺寸更小㊂这是因为在气泡生成阶段,随着气体通入,气泡在压力的作用下生长变大,气孔越小,形成的半球形气泡尺寸越小,最后脱离金属板时的尺寸也就越小㊂图12　液相流速对不同平均孔径的多孔平板表面气泡平均直径的影响Fig.12　Effect of liquid velocity on the average bubble diameter on plates with different pore sizes 此外可以发现,在水体系中,多孔平板的平均孔径对气泡平均直径的影响小于S3与V1体系,在相同操作条件下,d p=5μm的多孔平板在水体系中产生气泡的平均直径比d p=20μm的多孔平板小10%左右,而在S3和V1体系中则分别要小30%和50%㊂这是由于在水体系中气泡聚并现象相对严重,而在S3与V1体系中,表面张力的减小与黏度的小幅升高均会抑制气泡聚并,因此在这两种液相㊃42㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2024年体系中,多孔平板平均孔径对气泡平均直径影响更明显㊂从图中还可以发现,随着平均孔径的减小,液相流速对气泡平均尺寸的影响程度下降,当液相流速大于1.25m/s时这种现象更明显,这与Vladisav⁃ljevic等[20]的研究一致㊂2.6　气泡平均直径模型根据以上实验结果,气泡平均直径受液相流速u L㊁表观气速u g㊁表面张力σ㊁液相黏度μ㊁流体密度ρL㊁金属多孔膜平均孔径d p等因素影响,若写成函数的形式,可由式(11)表示得出㊂d av/d p=Kμaσbρc L u f g u h L d i p(11)将这些影响微气泡尺寸的各因素组成多个量纲为1的数群,再通过实验数据来确认各个数群之间的关系是一种可行的经验模型拟合方法㊂该方程式包括7个物理量,涉及3个基本量纲:时间量纲T㊁长度量纲L和质量量纲M;因此各影响因素可表示为如下㊂[d av]=L㊁[d p]=L㊁[u L]=LT-1㊁[u g]=LT-1㊁[μ]=MT-1L-1㊁[σ]=MT-2㊁[ρ]=ML-3将以上各式代入式(11)可得到预测金属多孔平板表面生成气泡平均直径d av的经验拟合公式如下㊂d avd p=KCa b Re (c u gu)Lf(12)式中,K㊁b㊁c㊁f为无量纲参数;其中,液相毛细管数Ca=μu L/σ,雷诺数Re=duρ/μ均为无量纲数㊂通过对实验数据的拟合可得出式(12)中系数K 和指数b,c,f的值,拟合结果如表2所示㊂表2　实验数据的拟合结果Table2　Fitting results of all experimental dataR2K b c f 0.70224.9-0.174-0.580-0.139 将实验结果与经验关联式得到的预测值(气泡的平均直径)进行对比,结果如图13所示㊂从图中可以看出,若直接对所有数据进行拟合,实验的测量值与经验关联式拟合值的最大误差大于50%,这样的拟合结果难以准确地预测气泡的平均直径㊂这是由于SDS水溶液的表面张力和黏度与糖浆-水溶液差异较大,同时根据图7可以发现并不是所有孔隙都被激活,多孔平板的平均孔径大小并不能很好地反映孔径对气泡尺寸的影响㊂因此,为图13　式(12)的拟合值与实验测量值的结果对比Fig.13　Comparison from experiment with thefitting value using Eq.12更准确地拟合出微气泡平均直径经验公式,将金属多孔平板的最大孔径d max引入拟合式(12)得到如下式(13)㊂d avd max=KCa b Re(c u gu)Lf(13)同时将具有不同表面张力的SDS水溶液体系(0~0.001%)和不同黏度的糖浆-水溶液体系(12%~35%)的实验数据分别代入式(13)进行拟合,结果如表3㊂表3　不同实验条件下的拟合结果Table3　Fitting results under differentexperimental conditionsμ/(mPa㊃s)σ/(mN㊃m-1)K b c f R2 1.32~2.8273~751.9650.073-0.400-0.0300.905 0.9349~721.82×10-3-1.3330.9440.0510.989 为验证以上两组关联式的准确性,对比实验结果与通过经验关联式计算得出的结果如图14所示,可以发现误差控制在20%以内,气泡平均直径的拟合值与实验测量值吻合程度较好㊂3　结论本文采用实验的方法对金属多孔平板表面气泡的生成特性进行了研究,结论如下㊂(1)恒定表观气速时,气泡平均直径随着液相流速的增大而减小,气泡直径分布亦随着液相流速的增大而变窄㊂(2)恒定液相流速时,随着多孔平板表观气速的增大,气泡平均直径增大;并且随着表观气速的增大,气泡尺寸分布变窄㊂㊃52㊃第2期 楼　琨等:多孔平板表面的气泡生成特性研究图14　不同实验条件下式(13)的拟合值与实验值对比Fig.14　Comparison from experiment with the fitting value u⁃sing Eq.13under different experimental conditions (3)随着表面张力的减小,气泡平均直径减小,且气泡群气泡直径分布变窄㊂(4)液相黏度对气泡平均直径有双重影响:在低黏度时,液相黏度的增加有利于较小气泡的形成,但随着黏度的继续增大,气泡尺寸变大㊂(5)金属多孔平板的平均孔径的减小会使得气泡平均直径减小,且此时气泡平均尺寸受到液相流速变化的影响减小㊂(6)提出了可以在一定范围内较好预测金属多孔平板表面生成微气泡平均直径的经验公式㊂参考文献:[1]　张志炳.微界面传质强化技术[M].北京:化学工业出版社,2020:31-35.ZHANG Z B.Micro⁃interfacial mass transfer intensifica⁃tion[M].Beijing:Chemical Industry Press,2020,31-35.(in Chinese)[2]　HENSIRISAK P,PARASUKULSATID P,AGBLEVOR FA,et al.Scale⁃up of microbubble dispersion generator foraerobic fermentation[J].Applied Biochemistry Biotech⁃nology,2002,101(3):211-227.[3]　ANASTASIOU A D,PASSOS A D,MOUZA A A,et al.Bubble columns with fine pore sparger and non⁃newtonianliquid phase:prediction of gas holdup[J].Chemical En⁃gineering Science,2013,98:311-338.[4]　AGARWAL A,JERN W,LIU Y.Principle and applica⁃tions of microbubble and nanobubble technology for watertreatment[J].Chemosphere,2011,84(9):1175-1180.[5]　SAKAI O,KIMURA M,SHIRAFUJI T,et al.Underwa⁃ter microdischarge in arranged microbubbles produced byelectrolysis in electrolyte solution using fabric⁃type elec⁃trode[J].Applied Physics Letters,2008,93(23):231501.[6]　FENG Y,MU H F,LIU X,et al.Leveraging3D print⁃ing for design of high⁃performance venturi microbubblegenerators[J].Industrial Engineering Chemistry Re⁃search,2020,59(17):8447-8455.[7]　MAEDA Y,HOSOKAWA S,BABA Y,et al.Generationmechanism of micro⁃bubbles in a pressurized dissolutionmethod[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2015,60:201-207.[8]　JIANG X,ZHANG Y,EDIRISINGHE M,et bi⁃ning microfluidic devices with coarse capillaries to reducethe size of monodisperse microbubbles[J].RSC Ad⁃vances,2016,6(68):63568-63577.[9]　XIE B Q,ZHOU C J,CHEN J X,et al.Preparation ofmicrobubbles with the generation of dean vortices in aporous membrane[J].Chemical Engineering Science,2021,247(1):105-117.[10]ZHENG C,TAN J,WANG K,et al.Stability and pres⁃sure drop of gas⁃liquid micro⁃dispersion flows through acapillary[J].Chemical Engineering Science,2016,140:134-143.[11]吴胜军,方为茂,赵红卫,等.高速剪切流剪切形成微气泡的研究[J].水处理技术,2009,35(5):44-48.WU S J,FANG W M,ZHAO H W,et al.Research onmicrobubbles formation by high⁃speed cross⁃flow[J].Technology of Water Treatment,2009,35(5):44-48.(in Chinese)[12]徐振华,赵红卫,方为茂,等.金属微孔管制造微气泡的研究[J].环境污染治理技术与设备,2006,7(9):78-82.XU Z H,ZHAO H W,FANG W M,et al.Research onmicrobubbles generation by metal microporous tube[J].Techniques and Equipment for Environmental PollutionControl,2006,7(9):78-82.(in Chinese) [13]XIE B Q,ZHOU C J,SANG L,et al.Preparation and㊃62㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2024年characterization of microbubbles with a porous ceramic membrane[J].Chemical Engineering Processing⁃Process Intensification,2021,159(1):108213.[14]KUKIZAKI M,GOTO M.Size control of nanobubblesgenerated from shirasu⁃porous⁃glass (SPG)membranes [J].Journal of Membrane Science,2006,281(1-2):386-396.[15]KAZAKIS N A,MOUZA A A,PARAS S V.Experimen⁃tal study of bubble formation at metal porous spargers:effect of liquid properties and sparger characteristics on the initial bubble size distribution [J].Chemical Engi⁃neering Journal,2008,137(2):265-281.[16]SNABRE P,MAGNIFOTCHAM F.Formation and rise ofa bubble stream in a viscous liquid [J].The EuropeanPhysical Journal B Condensed Matter Complex Systems,1998,4(3):369-377.[17]JOSCELYNE S M,TRAGAIDH G.Membrane emulsifi⁃cation a literature review[J].Journal of Membrane Sci⁃ence,2000,169(1):107-117.[18]ABADIE T,AWALI S,BRENNAN B,et al.Oxygentransfer of microbubble clouds in aqueous solutions ap⁃plication to wastewater [J].Chemical Engineering Sci⁃ence,2022,257:117693.[19]MOUZA A A,DALAKOGLOU G K,PARAS S V.Effectof liquid properties on the performance of bubble column reactors with fine pore spargers[J].Chemical Engineer⁃ing Science,2005,60(5):1465-1475.[20]VLADISAVLJEVIC G T,SHIMIZU M,NAKASHIMA T.Permeability of hydrophilic and hydrophobic shirasu⁃por⁃ous⁃glass (SPG)membranes to pure liquids and its mi⁃crostructure[J].Journal of Membrane Science,2005,250(1-2):69.Bubble formation characteristics on a plate surfacewith surface microporesLOU Kun　CAI ZiQi *　LIU XinWei　MA Xin　GAO ZhengMing(College of Chemical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)Abstract :Aeration on a porous plate surface with micropores is an important method for preparing microbubbles.The characteristics of microbubbles generated on the surface of a microporous plate have been studied using a non⁃invasive digital image recognition method in a transparent squared flow channel.The effects of liquid flow rate,su⁃perficial gas velocity,liquid viscosity,liquid surface tension and average micropore size on the plate on the average diameter of bubbles (d av )were analyzed.The results show that d av decreases with increasing liquid velocity,in⁃creasing superficial gas velocity and decreasing surface tension.With increasing viscosity d av initially decreases first and then increases,and the minimum value of d av is obtained with a liquid viscosity of 1.32mPa ㊃s.Based on theexperimental results,empirical correlations are proposed describing the relationship between the average bubble di⁃ameter d av and the liquid Reynolds number,capillary number and gas⁃liquid ratio.Key words :porous metal plate;microporous aeration method;microbubble(责任编辑:李　蕾)㊃72㊃第2期 楼　琨等:多孔平板表面的气泡生成特性研究。