水中气泡运动规律的PIV实验研究
水气两相流广泛地存在于各个领域，由于其流动复杂性和实验量测手段的限制，使气泡在水流中运动特性的了解和认识不够深入。单个气泡在静水中上升运动的研究排除了各种复杂因素，是掺气水流理想状态下的研究方式，能够为分析掺气水流流场信息提供参考和帮助。本文运用PIV测量技术和数字图像处理技术，分别对静水中和泄洪洞反弧段水流中单个气泡的上升过程进行实验研究，分析了气泡在静水中的运动规律，并初步探索了气泡在反弧段水流中的运动规律，主要研究内容和成果如下：
(l)总结分析了PIV技术在气泡运动参数测量中的应用，可以测量的掺气水流运动参数包括气泡尺寸、形状、运动轨迹、运动速度、运动加速度、水流自由液面等。
(2)设计了分析静水气泡运动规律的实验装置及实验方案，运用PIV测量技术获取了单个气泡的运动参数，包括气泡特征尺寸、瞬时速度、上升轨迹等，分析了气泡上升运动规律。得到了若干明确、详尽的实验结论，为后续实验研究或数值分析计算提供参考和模型选择依据。
(3)实现了静水中亚毫米级气泡变形情况的观察和描述，认为考虑气泡变形影响的临界直径在dep=0.5mm～1mm范围内。验证了在蒸馏水中We数比Eo数更好地反映E值变化趋势，且Taylor等提出的预测式最合适。
(4)分析了气泡瞬时速度变化规律，并提出在一定尺寸范围内，标准化瞬时速度与标准化E值呈现良好的y=-x线性对应关系。
(5)提出了dep=1.7mm～2mm为静水中气泡终速度拐点，并验证了文献中的终速度预测式，认为Jamialahmadi式适合本文尺寸范围气泡的终速度预测，误差小于10％。
(6)实现了两部高速摄像机同步记录，得到静水中气泡上升三维轨迹。随着气泡直径增加，轨迹由直线形向Z字形、螺旋形转变。提出了Eo=0.5、Re=750为直线形和Z字形轨迹转变临界值。当Eo＞0.8、Re＞800时气泡运动轨迹为Z字形或螺旋形，轨迹形态比较随机，没有明显的临界值。
(7)验证了国内外文献提出的阻力系数预测式，得出Tomjyama等给出的预测式最适用于本文尺寸范围气泡，为数值模拟计算选择阻力系数模型提供参考。
(8)分析了气泡在静水中上升受力情况，认为阻力和浮力为主要作用力，惯性力和视质量力的作用需要考虑，可以忽略Basset力、Magnus升力、重力的作用。
(9)对反弧段水流中气泡受力情况初步探索分析，认为对于微气泡来说升力占主要地位，其次为阻力，惯性力、视质量力需要考虑，Bassot力可以忽略；而对于中等尺寸来说，阻力是主要作用力，其次为升力、惯性力、视质量力，Bassot力可以忽略。
(10)对比了气泡在静水（无横向速度梯度）和水流中（有横向速度梯度）的上浮运动过程中的受力情况。提出了在计算气泡上浮运动过程中的阻力时，可以不考虑载体（水）有无横向速度梯度：但计算升力时，必须考虑载体（水）的横向速度梯度。
水气两相流;气泡运动规律;pIV技术;反弧段水流
西安理工大学
硕士
水力学及河流动力学
陈刚;邵建斌
2011
中文
TV131.3
88
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）