台阶式并行微通道内气泡群自组装行为及其对气泡生成的反馈效应

台阶式微通道乳化装置因易于高通量生产均一性的气泡及液滴而受到关注.本文利用高速摄像仪研究了台阶式并行微通道装置空腔内的气泡群复杂行为及其对气泡生成的反馈效应.实验设计的操作变量为气液相进出口位置、气相流速和液相流速.在实验操作范围内,共发现了气泡的单管生成模式和多管生成模式.研究了空腔内气泡群复杂行为随操作条件的变化趋势.发现在受限空间内,气泡在水平面内发生挤压堵塞能够自组装成具有特定几何特点的二维晶格,分别为有序的行三角晶格、有序的竖三角晶格和无序的三角晶格.晶格结构与气相压力密切相关;同时,气泡界面能量随着气相压力的增大而增大.运用介尺度、能量和活化等概念分析了气泡群复杂行为对气泡生成方式的影响,充分阐释了受限空间内气泡群的介尺度效应.以变异系数CV来表示气泡的均匀性特征,考察了气泡晶格自组装行为的控制因素.结果表明:气泡的自组装路径由气泡尺寸及其分布决定,有序的三角晶格变异系数小于5%,无序的三角晶格变异系数大于5%.     

不同类型气泡组成的混合泡群声空化特性

声空化实验中经常观察到由许多空化气泡组成的各种泡群结构.本文利用气泡群及群内任一气泡的Rayleigh-Plesset方程并结合van der Waals型过程方程,研究了不同类型气泡组成的混合泡群中的气泡半径、泡内温度和群内压力脉冲变化规律,得到以下结果:相同尺寸相同气体气泡和相同尺寸不同气体气泡组成的两种泡群中气泡所含的不同气体对泡内温度有较明显的影响,但对气泡半径变化和群内压力脉冲峰值的影响较小;不同尺寸相同气体气泡和不同尺寸不同气体气泡组成的两种混合泡群中,随着大气泡数的增多,大小气泡内温度开始快速下降,之后大泡内温度逐渐趋近于纯大气泡组成泡群的泡内温度,小泡内温度逐渐趋近于许多大泡辐射作用下的单一小气泡泡内温度;气泡崩溃时产生的压力脉冲峰值,先急剧减小到拐点,之后平稳增加并逐渐趋近于纯氩气大气泡和纯氦气大气泡组成泡群内的压力脉冲峰值;群内大气泡数占比对泡群空化特性有重要影响,只有大气泡数占比达到一定值后泡群中才能出现不同尺寸气泡同时崩溃的现象.     

超声对近壁微气泡溃灭过程的影响

近壁微气泡溃灭特性的深入研究对靶向给药和基因治疗等技术具有较好的指导作用。该文基于数值模拟技术,采用有限体积法结合流体体积模型对超声作用下的近壁微气泡溃灭特性进行了研究,分析了超声对近壁微气泡溃灭动力学过程的影响。结果表明气泡溃灭最大射流速度与近壁距离无量纲参数γ在1.1～1.6范围内时成正比,与超声频率在10～60 Hz范围内时成正比,与气泡初始半径在50～100μm范围内时成反比;近壁气泡的二次溃灭最大射流速度大于一次溃灭,二次溃灭的作用更加明显。超声参数对近壁气泡溃灭过程存在较大影响,该研究为超声在医学上的应用提供了依据。     

垂直振动水柱中气泡下沉机理

对装有水的容器施加垂直振动,水中的气泡可能出现下沉的现象.针对球形气泡构建了基于理想气体方程的气泡运动学模型,该模型考虑了Basset力对气泡运动的影响.观察到气泡的运动呈振荡形式,存在一个临界深度,气泡在临界深度时稳定振荡,在临界深度以上时上升,在临界深度以下时下沉.采用分离气泡运动和引入收敛因子的方法对Basset力进行理论求解,并通过等步长复合梯形公式对Basset力进行数值求解.模型的数值模拟结果表明:附加质量力是气泡下沉的关键因素,而Basset力对气泡下沉的临界深度和气泡下沉的前期轨迹无明显影响,但对气泡下沉的后期轨迹有较大影响.采用去噪、二值化、填充图像等数字图像处理的办法提取气泡的特征尺寸,可提高实验参数测量的准确性,使气泡下沉的临界深度与理论值相匹配.     

利用声衰减反演气泡群分布的方法研究

通过测量含气泡水的声衰减反演气泡群参数是获取水中气泡分布的重要方法,但是经典方法忽略了较高浓度气泡水中的强频散特性和气泡振动参数的改变,导致反演较高浓度气泡群分布时会产生巨大误差.为解决这个问题,本文基于等效媒质理论建立起了声衰减和相速度的联系,并考虑了含气泡水平均量对气泡阻尼系数和共振频率的影响.在此基础上,通过将反...     

T型微通道内气泡在藻液中的破裂行为研究

本文以藻液作为连续相,空气作为分散相,采用对称与非对称两种结构的T型微通道,对其内部气泡的破裂行为进行可视化研究,探求了不同结构下微通道内气泡在藻液中的破裂行为及其变化规律.实验结果表明:在对称T型微通道内,气泡在藻液中的运动行为可分为两种,即完全阻塞破裂和不破裂;在对称T型微通道内,气泡的破裂周期主要受气液流量的影响...     

多孔介质中气泡卡阻的可视化实验研究

气泡卡阻是多孔介质两相输运过程中的一个重要现象，但是气泡卡阻的动力学和几何条件一直未被系统地研究。本文使用二维孔网络模型，对注射到多孔介质中气泡在浮力作用下的形成、迁移和卡阻现象进行了可视化研究。研究发现，孔喉系数为1的多孔介质中气体在不同注射速率下均不发生卡阻，而孔喉系数为0.33的多孔介质中卡阻大量发生。基于上述实验现象进行建模，结果显示，较大的Bo数不利于气泡的卡阻；适中的孔喉系数有利于气泡的卡阻。     

流体机械微气泡发生器的结构优化研究

本文基于CFD技术对文丘里式微气泡发生器进行了研究，分析了微气泡发生器内流动特性及微气泡在管内扩散段的发展过程，得出气泡在湍流剪切作用下逐渐破碎。同时，分析了喉部、渐扩角对气泡发生器发泡性能的影响规律，通过实验对模拟结果进行了验证。结果表明：随着喉部内径的增大，气泡粒径呈逐渐增大趋势，入口压力也逐渐增大；随着扩张角的增大，气泡粒径呈先减小后增大的趋势；改变喉部结构形式，当采用阶梯喉部结构时，气泡粒径更小。     

50 kHz/200 kHz声场水中疏水颗粒的瞬态及稳态团聚规律

针对超声场存在的瞬态及稳态两种疏水颗粒团聚行为,分别选取50 kHz与200 kHz两个频率,通过高速摄像机对不同的声团聚现象进行观测,对比了瞬态及稳态团聚在团聚位置、速度及聚团形态、数量、强度等方面的差异,并从声辐射力和空化的角度分析了瞬态及稳态团聚不同的形成机制。研究结果表明, 50 kHz声场与200 kHz声场分别引起瞬态和稳态声团聚,两种声团聚方式的行为和形成机制均存在较大差异。     

非球形气泡的超声定量检测

超声是检测不透明液体中气泡的有效方法,声散射模型是超声反演技术的核心.经典气泡散射模型通常是基于球形假设及ka≤1 (a为气泡半径,k为入射波的波数),然而实际应用中这些假设并不总能得到满足.本研究针对非球形气泡及ka偏离假设情况,提出一种超声反演定量方案.建立不受ka约束的球形气泡级数背散射f模型,将其与经典Medwin (ka?1)和Anderson (ka≈1)散射f模型进行对比,发现ka偏离引发的散射截面效应仅体现在散射高阶共振峰位置及大小差异上.据此提出:可通过曲线拟合法解决散射截面σ_bs/(πa²)与ka间的多值问题,同时用当量半径a^*对非球形气泡尺寸进行量化.具体首先利用非球形气泡背散射信号的频域信息测定其散射截面σ_bs,再根据σ_bs与非球形当量半径a^*间拟合曲线进行反演,同时利用回波时域信息勾画气泡形状轮廓.反演结果通过高速摄影定量结果进行检验.结果表明:气泡沿之字形路径上升过程中产生非球形形变,当9≤kr₀≤35时,...