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1、第20卷第1期西安工业学院学报Vol120No112000年3月JOURNALOFXIpANINSTITUTEOFTECHNOLOGYMar12000X水中气泡的特性研究122张建生,孙传东,卢笛(11西安工业学院数理系,陕西西安710032;21中国科学院西安光学精密机械研究所)摘要:概述了水中气泡的密度与从水面算起的深度、水面的风速之间的关系;给出了一般情况下的小气泡、中等气泡、大气泡的运动规律;并阐述了气泡的光散射特性以及一种计算光学特性的简单方法.文中详细阐述了利用光学方法来研究气泡所需涉及的问题,为气泡的光学特
2、性研究指明了方向.通过对水中气泡进行高速摄影,所拍气泡图像清晰明辨;进一步对图像的分析表明气泡运动速度与理论计算结果是一致的.据此我们认为采用光学方法研究尾流气泡并且依此对目标进行跟踪是完全可行的.关键词:气泡;气泡密度;末速度;光学特性;高速摄影中图号:TV131.32文献标识码:A文章编号:100025714(2000)0120001208Airbubblesinwater122ZHANGJian2sheng,SUNChuan2dong,LUDi(11DeptofMathematics&Physics,Xi’anIn
3、stituteofTechnology,Xi’an710032,China;21Xi’anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,CAS)Abstract:Therelationbetweenairbubblesdensityandthedepthfromsurfaceofwater,thewindspeedatwatersurfaceisintroducedinthispaper.Motionsofbubblesofsmall,intermediateandlargesizeare
4、alsostatedtoo.Thelightscatteringpropertyofbubblesisdiscussedandasimplemethodtocalculatetheopticalpropertyofairbubblesisclarified.Inthispaper,problemsrelatedtotheopticalmethodstostudyairbubblesarestated.Analysesofhighspeedphotographyofbubblesshowthatbubbles’speedi
5、sconsistentwiththeresultsoftheoreticalcalculation.Alltheseshowthatdetectingwakesofbubblesandtracingtargetsopticallyarefeasible.KeyWords:airbubble;bubbledensity;terminalvelocity;opticalproperties;highspeedphotography引言海水中有以各种形式存在的空气泡,更一般地说气泡.由于波浪的破碎,在紧贴海面之下产生了大量的气
6、泡,并被湍流卷入海面以下.气泡也可存在于某些生物机体之内,例如鱼类的X收稿日期:1999209222基金项目:国防科技重点实验室基金试点项目99JS26.3.1.ZK1801作者简介:张建生(1966-),男(汉族),西安工业学院讲师,目前在西安光学精密机械研究所在职攻读博士学位.2西安工业学院学报第20卷鱼鳔.气泡还发生于船舶的尾流中,而且尾流中的气泡能保留很长时间.在海水中自由的气泡十分微小,因为较大的气泡很快就上升到海面破裂消失.1海水中气泡的密度由于海浪的破碎而产生的气泡,这些气泡在海水的浅表,它们在海洋学研究过
7、程中起着作用.如液滴喷射、气体交换、有机粒子的形成、细菌的传播、化学物质的分馏、声波以及激光的行进和散射等.文献报导的对于气泡的数量以及线度分布的研究有三种方法:声学技术、气泡陷[1]肼(BubbleTrap,BT)和照相方法.Medwin利用声学技术发现,在低风速、深度为14m、水温为13℃时,单位体积每1μm(即Δr=1μm)半径宽度的气泡数量n(r)随半径r的变化近似地满足关系-4-2n～r(r<80μm)n～r(r>80μm)而气泡数量n与深度z的关系为-1/2-z/7n～z(r≥60μm)n～e(r<60μm)
8、Blanchard和Woodcock等利用BT技术对深度为25m、温度为14℃条件下的气泡进行了研究,并在研究过程中对气泡发生器进行遥控操作,遥控距离达60～70m.Medwin首次利用照相方法测量气泡的数量及其线度分布,后来又有人进行了更为系统[1]的研究.结果发现,测量区域的深度随气泡线度的增大而增加;气泡线度为
