实验室电解水产生气泡群的尺度分布

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1、第15卷第2期2012年5月Vol.15No.2May2012扬州大学学报(IT然科学版》JournalofYangzhouUniversity(NaturalScienceEdition)实验室电解水产生气泡群的尺度分布张忆•，孙辉，朱广平(哈尔滨工程大学水声技术重点实験室・哈尔滨150001)■摘耍：分别通过对气泡腿片进行图像处却和利用声波的数射进行反演两种方法•斫究了实验室电解水产生气泡群的尺度分布.结果表明：4实验条件下，电解水产生的气泡立轻在10-250y.m之间；直径100pm以下的小气泡占绝大多数•超过80%,平均直径在75.4卩m左右

2、；电解水产生的气泡群呈现泊松分布；声学反演出的气泡分布趋势与光学测最结果相近.关键词：电解水；气泡；尺度分布；光学图像；声学反演中图分类号：0427.4文献标志码：A文章编号：1007-824X(2012)02-0034-04海水中存在着各种形式的气泡，其来源有多种方式，如海浪冲击产生的小气泡、鱼鳏等生物体内携带的气泡以及舰船尾流等•这些气泡的存在使得水的光学和声学特性发生了极大改变［⑷，具体表现为光波和声波通过含气泡水时都会发生散射及吸收，从而造成衰减，尤其是声波，在通过含气泡水时，貝声速会发生改变"2要研究含气泡水的这些性质，必须先了解水中气泡的

3、尺寸、大小分布、密度等参数•-般而言，外场情况下水中气泡的分布琳以获取，因此在实验室进行气泡的产生和测就更加实际.目前，对水中气泡群的测量主要有光学测就方法3】和声学测童方法“叫但这两种方法都各有缺陷：光学测虽方法实验设备价格较高，且实验结果获得不易；声学测量方法人为地限定了气泡的分布.并在此蔓础上对分布参数进行研究.误差较大•针对这些缺陷•为了更好地探讨水中气泡的大小及其分布.本研究分别利用新的光学和声学测按方法来茯得水中气泡的分布参数.1气泡发生装置水中花泡产生的方沈一般分为3种：化学药利反应法、微孔陶瓷竹充气法和电解法•化学药剂反应法是将特定的

4、化学药块置于水中，通过其与水的反应来产生大试气泡•此法的主要缺点是产生杂质过多，不易观察;微孔陶瓷件充气法的缺陷主要山于充入气压的不均匀，往往导致气泡分布不均且气泡普遍较大•为了产生大小稳定、分布均匀、便于观测的气泡，本实验采用电解水产生气泡的方法.电极采用2根点径为0.6cm.长为20cm、间距为0.8cm的不锈钢捧，通电电压为3V.通过改变电极数目和通电电压，可实现控制气幕墙厚度和气泡幕密度的目的.2光学测量方法2.1气泡图片的获取因实验成本限制等原因.本实验采用髙消照相机水F摄像的方式获取气泡图片.为了尽戢避免采集到杓图像中因出现气泡相叠而造成

5、错检、漏检现象•将产生气泡的胸根电扱上下放罟•使电解产生的气泡尽可能地处于同一平面.2.2气泡图片的图像处理可以发现.直接通过摄像机获得的图片信噪比较低，难以直接分析获得气泡参数,故须对原始图牧稿日期：2011-12-26基金项目；国家更大基趾研究基金(973)資助顶H(5I32102ZZT32)?中央島校皐本科研业务费(HEUCF1OU5V7)*联系人•E-mail：zhangyi4ever^163.com像进行处理•首先•将原始图像进行灰度处理•再分别通过canny算子.sobe)算子和数学形态学算子对灰度图进行边缘检测■检测结果如图1所示.(a

6、)原始气泡灰席图(背景为钢尺)(2采用"rm/T子进行边线粉测的结果(d)采用数学形衣学算子边缘检测的结果(c)采用sob"算子进行边缘检测的结果图1处理后的气泡图像Fig.1Processedbubbleimages通过对比可以发现，图1(d)的气泡图像消除了背景噪声，而且最大程度地保留了气泡群的分布信息，因此下一步的统计工作将围绕数学形态学算子边缘检测后的结果展开.取图1(d)上4个点A(h»yj,B(g,加)，C(x3»y3)»0(x4•y4)作为一个边长为1cm的正方形的4个角，则lcn?面积内像素点的个数为N=[y(xi—xz)2-b(yi

7、—+J(q—工3)'+(W—必)'+/(x3—X4)2+(y3—]/3,(1)而每个像素点的长度则为/=10QQO/^NMm.在本实验情况下，可以求得/为12・5Mm.通过对100幅图片进行粒子直径的判别和统计，得到67.1cm3含气泡水中小气泡的大小和个数，如表1所示.ft1一定体积内气泡的尺度分布统计Tab.1Bubblesizedistributioninacertainvolumed/pm气泡数/个占总数比/%d/#m气泡数/个占总敷比/%12.5〜255716・50125-137.52012.2925〜37.5121213.79137.5-

8、1503053.4737.5〜50179320.40150〜162.5760.8650-62.5124214