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user: 3. 结果与讨论 3.1. 气泡生成过程 气泡在液相中的运动会受到粘性力、表面张力、浮力、惯性力等力的共同作用，在这些力的共同作用下，气泡形状发生变化，而气泡的形变又会对其自身的水力学特性以及周围的液相速度场产生影响，同时也会影响到气液界面上的传递过程。而本文主要是通过控制进入大圆管内的通气速度和进水速度来研究气泡的生长变化情况。本文气泡生成和脱离的基本过程：气体从通气管水平进入圆管后，形成射流状气柱；当上一个气泡脱离后，受到水流惯性力和黏性力的作用，气柱前端发生形变并不断膨胀；前端形状和体积的改变也改变了周围的流场，气柱上出现颈部；随后颈部不断被拉伸和挤压，最终发生断裂，前端形成的气泡从断裂处脱离，大多数文献 [ 18 ] 会将这一过程分为膨胀和脱离两个阶段。 3.2. 气泡生成形态 根据通气速度和水流速度的不同，气泡生成和脱离的过程会呈现出不同的表现特征： 1) 当通气速度V g 和水流速度V l 都较小时，最终形成的射流气柱较短，有时甚至不完整存在；气泡生成过程中气柱上只出现一处明显的颈部，并在此发生断裂后气泡脱离，如图3，本文命名为“单喉颈气泡”。单喉颈气泡流形态曾被报道 [ 18 ]，其命名虽然有不同，但是气泡的形态和脱离过程相似。而由于射流前端初期生长情况的不同，单喉颈气泡分别以倾斜椭球状气泡(图3(a-1))和水平帽状气泡(图3(a-2))的形态存在，然后从气柱上脱离。 2) 随着通气速度和水流速度的增加，气柱明显增长；气泡在生成过程中出现了多个颈部，如图4，本文命名为“多喉颈气泡”。同样也因为气柱前端初期生长情况的不同，气泡脱离前会出现两种典型气泡；一种是多个或单个帽状气泡和前端的帽状气泡相连(图4(b-1)，图4(b-2))，另一种则是多个或单个帽状气泡和前端的椭球状气泡相连(图4(b-3))。 在不同的工况下，多喉颈气泡因为最先断裂的颈部位置的不同会有不同的脱离情况：如图4(b-1)，前端气泡从颈部断裂，以单气泡的形式脱离。如图4(b-2)，帽状气泡与前端气泡颈部相连并一同脱离，以双气泡的形式脱离；如图4(b-3)在同一时间间隔内，会出现帽状气泡与前端气泡不相连、然后一同脱离的特殊情况，本文也把它作为双气泡脱离的形式统计。在同一个工况下，会出现单气泡脱离和双气泡脱离都存在的情况，本文把它命名为“多喉颈混合气泡”；而同一个工况气泡脱离形式不变时，根据脱离形式的不同，分别命名为“多喉颈单气泡”和“多喉颈双气泡”。 图3. 单喉颈气泡：(a-1) 倾斜椭球状，(a-2) 水平帽状 图4. 多喉颈气泡：(b-1) 单气泡，(b-2) 双气泡，(b-3) 特殊双气泡 3.3. 脱离气泡的形态演化与水流速度和通气速度的关系 为了更好地说明这些情况，分别对气泡初生形态以及气泡前端形状(脱离前)进行整理并分类，作出它们随通气速度和水流速度变化的演化图如图5、图6。 图5. 气泡初生形态演化图 从图5的气泡初生形态演化图中可以看出，气泡的初生形态主要受水流速度决定，而通气速度则会影响气泡的形态。当水流速度一定时，气泡形态总会以一种形态为主，但是随着水流速度的增加，这种趋势不断下降；在水流速度达到0.7 m/s时，形态开始对通气速度的变化十分敏感。初步分析是，水流速度较大时，管道内流动时的湍流程度增强，会放大通气速度的影响。在水流速度为1 m/s，在通气速度不高时，出现的气泡符合单喉颈特征，这是因为此时射流在水流的拖曳和压力下，径向宽度变得很小；同时水流的湍流很激烈，气泡生长周期短，“多喉颈”的特征无法在气泡生成过程中体现出来。 图6. 气泡前端形状演化图 图6是气泡前端的两种形状与水流速度和通气速度的关系，可以很明显地看出，水平帽状前端与倾斜椭球状前端以通气速度和水流速度相等时的工况作为分界线，当通气速度大于水流速度时，射流前端通常会生成水平帽状气泡；反之，则是倾斜向上的椭球状气泡。但在水流速度为0.1 m/s时，无论通气速度是多少，全是倾斜向上的椭球状气泡前端，是因为此时气泡的生长和脱离的形态主要由浮力、表面张力主导。同时，在处于分界线上的工况时，气泡前端特征不鲜明且敏感易变，本文以其出现次数较多的特征进行分类。 本文选取两个典型工况来进行描述和分析两种气泡前端的形成。如进水流速0.7 m/s，通气流速1 m/s情况下，气泡发生脱离后，受到水流的阻滞，轴向运动变缓慢，而新的气体不断涌入，前端开始被迫径向发展。同时射流前端内部的速度高于周围的水流速度，气体前端的动量不断传递到下游的水流中，产生局部高压区，形成趋向于前端的压力梯度，从而受到来自水流的阻力和压力。而前端气体的径向发展阻碍了上游水流的流动，水流对前端产生推力；同时前端聚集的气泡引起浮力的持续增加，三个方向的力的综合作用下，前端的气体从中间向上发展，形成两边低、中间高的帽状气泡，同时在气泡脱离前，气泡前端不会出现上浮。而倾斜向上的椭球形前端的形成则不同，如进水流速1 m/s，通气流速0.7 m/s情况下，通气速度相对较低，射流前端的动量相对较小，不会传递给周围水流较多的能量来提高前端下游的压力，反而受到周围水流的粘性力的拖曳，获得了更多的动量，前端内部速度增加。在浮力的作用下，前端在膨胀过程中会不断上升；同时前端的上浮段也会受到上游水流的推力和剪切力，因此在浮力、黏性力、剪切力等综合作用下，形成倾斜向上的椭球状气泡 [ 1 ]。 3.4. 管道上壁面的气相回流 在本文的计算中，在通气速度较高(通气流量高)且水流速度较低时，管道内出现气体回流的现象，常发生在化工、冶金等工程且对生产、运行造成危害 [ 20 ]。比如回流造成了冶炼炉中风口周围炉衬的侵蚀和损伤问题。如图7，本文中气相回流的主要表现形式是堆积在上壁面的气泡受到下游上浮气泡的挤压，不断地沿着壁面靠近进水口，到达某一位置后开始停驻下来，比如在进气管的上游(图7(a-1))或进气管的下游(图7(a-2))。回流最终停驻的位置与进水口的距离会随着水流速度的增大而增大，随着通气速度的增大而减小，但主要由水流速度决定。 图7. 回流最终停驻位置：(a-1) 在进气管上游，(a-2) 在进气管下游 图8. 回流情况与通气速度和水流速度的关系 从图8的回流与速度的演化图中可以看出气泡是否回流由水流速度和气体速度共同决定，水流速度越大，出现回流的临界气体速度(该水流速度下的最小气体速度)越大；而临界气体速度与水流速度的比值随着水流速度的增大呈增大趋势。 3.5. 气泡尺寸与脱离周期 气泡尺寸表征单位时间内气泡脱离时的平均直径D的参数，气泡的脱离周期T为2个气泡脱离的间隔时间。本文中出现的气泡一般不是球形气泡，因此使用当量直径D (=(4A/π) 1/2 )来描述其大小，A为气泡面积。气泡的脱离周期和气体的通气流量、气孔的直径大小及横流速度相关。同一个气孔，随着脱离周期的减小，气泡的大小也随之减小。大量的学者通过研究发现静水中气泡的脱离直径和脱离频率的比接近常数。但在本文中，这一特征并不明显。 通气流速分别为0.2 m/s，0.5 m/s和1 m/s时气泡脱离周期和气泡脱离直径随水流速率的变化曲线如图9所示。从整体上看，随着水流速度的增大，伴随着气泡形态的改变，气泡脱离周期和直径都以震荡的方式逐渐减小。结合三个演化图发现，曲线的震荡起伏来自于水流速度改变时，气泡形态、回流情况、前端形态三个特征的改变的影响。以较为复杂的工况：V g = 0.5 m/s下的变化曲线为例，第一阶段从V l = 0.1 m/s开始时，水流速度较低，气泡的生长与脱离由表面张力、浮力主导，水流的增加，阻碍了气泡的上浮和脱离，气泡脱离周期增加，气泡脱离直径增加；第二阶段从V l = 0.3m/s开始，回流消失，脱离位置上方的压力下降，射流与轴向夹角变小，水流对气泡脱离的阻碍降低，气泡脱离周期和直径变小，气泡初生形态变成双气泡脱离时，气泡脱离周期和直径变大，气泡的前端形状由帽状变成椭球状，气泡脱离周期和直径变小；第三阶段从V l = 0.8m/s开始，水流的湍流强度较大，气泡的形态等都没有发生改变，气泡脱离周期和直径变小且震荡较小；其他的通气速度下，也表现出类似的情况。 图9. 气泡平均脱离周期和脱离直径与水流速率的关系曲线 水流速度分别为0.4 m/s，0.7 m/s和1 m/s时气泡脱离周期和气泡脱离直径随通气速率的变化曲线如图10所示。可以明显看出脱离气泡的直径随通气速度的增大基本呈线性变化，同时水流速度越小，斜率越高。水流速度不变时，气泡形态基本不变，不会发生较大的震荡，其中V l = 0.7m/s的两次震荡较大，分析是由于气泡初生形态的改变以及气泡前端的改变。而在图10上看出在不同的水流速度下，气泡脱离周期随通气速度的变化整体呈现出先减小后增大的趋势，但具体的变化都不相同，反映了水流速度的主导作用。 图10. 气泡平均脱离周期和脱离直径与通气速度的关系曲线 3.6. 气泡脱离时气柱的长度 在通气维持一小段时间后，气泡脱离时的气柱的长度会保持在一定范围内并做周期性变化，本文主要通过统计气泡脱离时气柱前端与通气管管口的距离的变化，来体现气柱的长度的变化。气柱的最终长度与气体的渗透深度、接触面积相关性的研究已经出现了很多，尤其是冶金行业对其重点研究。目前的文献 [ 20 ] 集中报道了密度、速度对气柱的最终长度的影响，其中速度是一个很重要的因素。 通气速度分别为0.2 m/s，0.5 m/s和1 m/s时的脱离时的气柱长度随水流速率的变化曲线如图11(a)所示。可以从图上知道气柱脱离长度随水流速度的增大整体基本呈指数增长，当水流速度到达0.5 m/s后呈线性增长，同时通气速度越大，其波动越大。前期气柱长度增长缓慢是由于水流速度较小，惯性力和剪切力还没有成为气泡脱离的主导因素，表面张力还具有较大的影响。 水流速度分别为0.4 m/s，0.7 m/s和1 m/s时的脱离时的气柱长度随通气速率的变化曲线如图11(b)所示。在水流速度较小时，气柱长度随通气速度的增加而增长；当水流速度变高时，气柱的波动性变大，其变化趋势不再明显。也可以从图上看出，在相同的通气速度下，气柱随水流速度的增长而增加。同时相对来说，水流速度对气柱的长度影响尤为明显。 图11. 最终气柱长度与水流速度和通气速度的关系曲线