Экспериментальные данные по динамике всплытия пузырька

Рассмотрены результаты экспериментального исследования нестационарных режимов всплытия одиночного пузырька воздуха в вязкой жидкости при малых числах Рейнольдса. Оценка влияния «наследственной» силы Бассе на динамику пузырька проведена путем сравнительного анализа экспериментальных результатов с теоретическими данными, полученными при решении полного уравнения движения пузырька с учетом всех действующих на него сил. При проведении экспериментов особое внимание уделялось обеспечению воспроизводимости результатов и тщательному анализу погрешностей определения измеряемых и расчетных параметров.

Экспериментальная установка

Исследование проводилось на установке, состоящей из вертикально установленной прозрачной кюветы с плоскопараллельными стенками, наполненной рабочей жидкостью, устройства для генерации пузырьков и системы визуализации процесса всплытия одиночного пузырька. Блок- схема экспериментальной установки представлена на рис. 9.1. Кювета размером 150х 150x600 мм (объемом 13,5 л) изготовлена из оптического стекла толщиной 5 мм. В кювету заливался раствор касторового масла в этиловом спирте в различных процентных соотношениях.

Схема экспериментальной установки

Рис. 9.1. Схема экспериментальной установки:

  • 1 - кювета; 2-рабочая жидкость; 3 - пузырек; 4 - генератор пузырьков;
  • 5 - видеокамеры; 6 - компьютер; 7 - трубка; 8 - масштабная линейка;
  • 9 - электродвигатель; 10 - оптическая скамья

В большинстве работ, посвященных исследованию динамики движения частицы дисперсной фазы (капли, пузырька или твердой частицы), в качестве рабочей жидкости использовался водно-глицериновый раствор. Однако вязкость и плотность данного раствора в силу его гигроскопичности зависят от внешних условий (температуры и влажности воздуха) и изменяются на 5-10 % при изменении температуры даже на 1 °С. Для проведения прецизионных измерений необходимо использовать жидкость со стабильными характеристиками. Касторовое масло и его спиртовые растворы в диапазоне рабочих температур 17-22 °С сохраняют значения /7/, щ практически постоянными.

Пузырьки воздуха получали с помощью механизма, позволяющего дозировать объем воздуха (и, следовательно, исходный диаметр пузырька), поступающего в кювету с жидкостью. Для получения пузырьков фиксированного объема использовался электродвигатель постоянного тока, который через червячную передачу, преобразующую вращательное движение в поступательное, приводил в движение поршень шприца. К выходному раструбу шприца крепилась полая алюминиевая трубка диаметром 3 мм, на конце которой монтировалась сменная инъекционная игла диаметром 0,6-3,0 мм, расположенная в нижней части кюветы. Отрыв пузырька от иглы происходил не за счет перепада давления (при воздействии потока воздуха), а естественным образом, когда равнодействующая всех сил превышала нуль. При этом образовывались сферические пузырьки одинакового диаметра с нулевой начальной скоростью.

Система визуализации

Рис. 9.2. Система визуализации:

  • 1 - кювета; 2 - пузырек; 3 - источник света;
  • 4 - видеокамера Panasonic HDC-SD60;5 - видеокамера Citius С100

Система визуализации (рис. 9.2) включала источники света (3) - две люминесцентные лампы мощностью 18 Вт, установленные на задней панели по всей высоте кюветы, цифровую видеокамеру Panasonic HDC- SD60 (4) и две высокоскоростные видеокамеры Citius С100 (5). Многоракурсная видеосъемка исследуемого процесса позволила обеспечить контроль над изменением параметров всплытия пузырька на различных стадиях его движения. Первая камера использовалась для определения размера пузырька; поле съемки составляло 5x5 см с двукратным увеличением. Вторая камера фиксировала динамику пузырька на начальном нестационарном этапе движения, третья - на всей траектории движения пузырька. Видеосъемка проводилась с пространственным разрешением 1280x670 пикселей с темпом не менее 700 кадров в секунду и временем экспозиции 0,5-2,0 мс. Для контроля расстояния, пройденного пузырьком, использовалась масштабная линейка с ценой деления 1 мм, отградуированная с учетом оптического искажения стенками кюветы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >