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1、基于水动力学计算的气泡上升规律研究第3期2011年6月水利信息化
2、台terRCSOUFCCSInformatizationN0.3Jun一20l】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(1.河海大学水利水电学院,江苏南京210098;2.水利部南京水利水文自动化研究所,江苏南京210012)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
3、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理;相同水深下,气泡直径越大,冒出时间越短.关键词:浮子测流法;气泡;上升速度;上升规律;水深;水动力学中图分类号:TVI31.2文献标识码:A文章编号:1674-9405(2O11)03—004卜
4、O40引言河道流速是水文测验中的重要观测项目,目前一般采用流速仪法进行观测.该方法需要缆道或测船,费工费时且难以实现自动化和连续测流.为了解决上述问题,有学者提出使用河流流量测量的浮予式积深法,即利用浮子白河底上升至水面的冒出时间和随水流动的水平距离,计算得到河流垂线平均流速,进而达到流量测量的目的.可利用人工气泡发生装置从河底发生的气泡作为浮子.杨玉阁川根据实测资料拟合出气泡冒出时间和水深之问的关系曲线,论证了气泡作为浮子在小水深,低流速河流中测量流量的可行性.在气泡浮子法测流中,气泡冒出时间是影响测流精度的
5、重要因素,因此其上升过程,速度等是需要重点关注的问题.液体中气泡的上升运动规律问题,在化工,舰船等领域被广泛关注.Mfilaga用积分法研究了稀释聚合物溶液中气泡形状口;Jiang研究了假塑性流体中气泡群的混沌合并情况;Basarovfi研究了气泡与颗粒物体碰撞,得出理论模型,并对实际生产过程中气泡与大颗粒碰撞的轨迹误差进行了计算】.在气泡上升速度研究中,蒋炎坤根据试验数据拟给出了气泡加速阶段粗略的描述】.程文通过实验数据描绘了气泡终速度与气泡直径的关系曲线,并计算得到某一气泡直径上升终速度J6.,但并未考虑加
6、速段对上升速度的影响.刘胜通过公式推导给出不同流态下终速度与水深之间的关系曲线J,但未明确指出气泡直径对流态的影响.也有人关注到气泡在上升过程中由于压力变化所产生的形状变化问题,AmayaBower利用格子波尔兹曼法对此进行了模拟l8】.徐炯试验结果表明,直径为0.5～4.0mm的气泡,其上升高度与时间呈良好的线性关系【9】.程文通过试验观察,认为气泡直径在5.0mm以内可以认为是球形,5.0～8.0mm认为是椭球形[6158.因此,为了排除气泡上升过程形状变化对上升时间的影响,用于浮子法测流的气泡直径不宜大于
7、5.0film.采用气泡作为浮子进行流量测量目前尚处摸索阶段,首先需要研究静水中气泡沿垂线方向上升的运动规律,本文旨在针对直径为0.5～4.0mm静水中收稿日期:2Ol卜03一O9基金项目:水利部科技推广计划项目"浮子式积深法河流流量测量系统的推广应用"(TG1121)作者简介:缴健(1988一),男,河北人,本科,主要研究方向为流体动力学.42水利信息化2011(3)的气泡上升规律进行研究,为采用气泡作为浮子进2计算过程与结果行流量测量奠定部分理论上的基础.1理论分析气泡在上升过程中,受到浮力,重力及阻力的共
8、同作用,气泡上升的动力学方程为[61.ap3pdv=丢4.-p)占一c(1)式中:P.,Zip分别为液体及空气的密度;(,p为气泡直径;g为重力加速度,取9.8m/s;为液体流动速度;C.称为阻力系数.流体流动状态不同阻力系数C.的计算公式也有差异,雷诺数可作为判别流体流动状态的准则,由流体力学颗粒雷诺数计算公式可知,气泡雷诺数Re计算公式为::(2)"￡,式中:町为水的动力粘度:为水的运动粘度.查液体粘度表可知,水在常温(20℃)下,叩=1.005×l0～Pa?s,=1.007×10一m2/s.流态分别表述如
9、下:1)层流区(斯托克斯定律区,Re≤2),可表示为==(3)2)过渡区(阿仑定律区,2<Re≤500),可表示为==(4).一一'3)紊流区(牛顿定律区,500<Re≤2×10),可表示为C≈O.44(5)4)紊流边界层区(Re>2×10),可表示为C≈0.10(6)根据气泡直径不变假设,气泡从发生到水面会经历先加速后匀速的上升过程.当加速度=0时,加速上升段结束,
