Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
PLANT FOR STUDYING THE DYNAMICS OF THE BUBBLE CLUSTER IN LIQUID

Изобретение относится к области разработки способов и установок для лабораторных исследований физических процессов, в частности, для исследования закономерностей всплытия компактного пузырькового кластера в жидкости.
Поведение жидкости, содержащей пузырьки, существенно отличается от поведения гомогенных жидкостей при различных физических и физико-химических воздействиях. Эти отличия используются в промышленных технологиях: кипячение, тепло- и массообмен в двухфазных средах, кавитация, вспенивание, флотация. В ряде задач встает вопрос об изучении динамики всплытия компактного пузырькового кластера в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ) и при воздействии на него акустических волн [1-3].
Известно устройство для исследования динамики эллипсоидального кластера пузырьков [4]. Генерация кластера пузырьков осуществлялась путем воздействия акустических колебаний на цилиндрическую кювету с водным раствором серной кислоты, в котором растворен газообразный аргон. Визуализация динамики кластера проводилась скоростной видеокамерой через прозрачные стенки кюветы в плоскости, освещаемой лазером (метод «лазерного ножа»).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для исследования динамики пузырькового кластера в плоскопараллельной кювете с жидкостью путем съемки высокоскоростной видеокамерой со специальной оптической системой из нескольких линз [5]. Пузырьковый кластер создавался путем введения через боковую стенку кюветы с помощью иглы одиночного пузырька газа диаметром не более 2 мм с последующим его дроблением на полидисперсные микропузырьки акустическим полем с частотой 625 Гц.
Недостатками данных устройств является невозможность получения кластера из монодисперсных пузырьков миллиметровых размеров, а также сложность технической реализации.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка экспериментальной установки, обеспечивающей возможность определения скорости и конфигурации кластера, состоящего из монодисперсных пузырьков с заданным контролируемым диаметром, в процессе его всплытия в жидкости.
Технический результат изобретения достигается тем, что разработана установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости, включающая прозрачную призматическую кювету с жидкостью, устройство для формирования пузырькового кластера и систему визуализации процесса всплытия. Устройство для формирования пузырькового кластера, расположенное в нижней части кюветы, выполнено в виде коллектора, соединенного через запорный вентиль и редуктор с источником сжатого газа. На верхней крышке коллектора установлена плотно прилегающая пластина с возможностью поступательно-возвратного смещения ее вдоль верхней крышки коллектора электромагнитным приводом. В верхней крышке коллектора и в пластине выполнены совмещенные перфорации одинакового диаметра, расположенные в виде равномерной прямоугольной сетки. Давление газа в коллекторе, расстояние между центрами соседних перфораций, величина смещения пластины и промежуток времени совмещения перфораций в верхней крышке коллектора и в пластине определяются соотношениями
атм
p=p+1.2ρgH,
h≥3⋅D, y≥5⋅d,
,
где р - давление газа в коллекторе;
атм
р - атмосферное давление;
ρ - плотность жидкости;
g - ускорение свободного падения;
Н - высота столба жидкости в кювете;
h - расстояние между центрами соседних перфораций;
D - требуемый диаметр образующегося пузырька;
у - величина смещения пластины;
d - диаметр перфораций;
t - промежуток времени совмещения перфораций в верхней крышке коллектора и в пластине;
ϕ - коэффициент расхода;
g
ρ - плотность газа.
Достижение положительного эффекта изобретения обеспечивается следующими факторами.
1. Использование коллектора, соединенного через запорный вентиль и редуктор с источником сжатого газа, позволяет обеспечить строго стационарный и контролируемый уровень давления газа в коллекторе.
2. Использование пластины, плотно прилегающей к верхней крышке коллектора в смещенном положении позволяет перекрыть перфорации в верхней крышке, что предотвращает затекание жидкости из кюветы в коллектор, а при совмещении перфораций в пластине и в верхней крышке обеспечивается образование пузырьков.
3. Использование электромагнитного привода для поступательно-возвратного смещения пластины вдоль верхней крышки коллектора обеспечивает однократный ввод газа в жидкость через перфорации с образованием пузырькового кластера.
4. Выполнение перфораций, расположенных в виде равномерной прямоугольной сетки в верхней крышке коллектора и в пластине, позволяет получить кластер с равномерным пространственным распределением пузырьков.
5. Выполнение перфораций одинакового диаметра, обеспечивает образование монодисперсных пузырьков.
6. Для поступления пузырьков газа через перфорации в жидкость необходимо, чтобы давление в коллекторе превышало давление в жидкости. Это обеспечивается при условии:
h
где p=ρgH - гидростатическое давление.
При отработке устройства было экспериментально получено уточнение условия (1):
7. Соотношение для расстояния между центрами соседних перфораций определено экспериментально:
При h<3⋅D происходит коалесценция пузырьков газа на начальной траектории их всплытия.
8. Величина смещения пластины определяется из соотношения, обеспечивающего надежную герметичность коллектора при смешенном положении пластины:
9. Для определения промежутка времени t совмещения перфораций в верхней крышке коллектора и в пластине рассмотрим уравнение расхода газа через перфорации [6]:
где Q - объемный расход газа;
- площадь поперечного сечения перфорации;
Δρ=0.2ρgH - перепад давления на перфорациях.
Объем газа, поступающего в жидкость за период времени t, определяется формулой:
g
При вводе порции газа объемом V образуется пузырек, объем которого равен объему введенного газа:
Из (6), (7) следует соотношение для определения t:
Пример реализации
Сущность изобретения поясняется схемой (Фиг. 1), на которой приведена установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости. Установка включает призматическую кювету 1 с жидкостью 2 и устройство 4 для формирования пузырькового кластера 3, расположенное в нижней части кюветы 1. Кювета выполнена в виде призмы с плоскопараллельными стенками из оптического стекла размером 0.3×0.3×0.6 м для обеспечения возможности визуализации процесса всплытия кластера пузырьков.
Система визуализации процесса всплытия включает две скоростные видеокамеры 5, обеспечивающие регистрацию пузырькового кластера 3 во взаимно перпендикулярных плоскостях (на Фиг. 1 вторая видеокамера не показана).
Устройство 4 для формирования пузырькового кластера 3 через патрубок 6, запорный вентиль 7 и редуктор 8 с манометром 9 соединено с баллоном сжатого газа 10.
Схема устройства 4 для формирования пузырькового кластера приведена на Фиг. 2. Устройство 4 содержит корпус 11, коллектор 12 и верхнюю крышку 13. На верхней крышке 13 установлена плотно прилегающая пластина 14 с возможностью поступательно-возвратного смещения ее вдоль верхней крышки 13 электромагнитным приводом 15. В верхней крышке 13 и в пластине 14 выполнены равномерно расположенные в виде прямоугольной сетки перфорации 16, 17 одинакового диаметра.
Установка работает следующим образом. В исходном состоянии перфорации 16, 17 в пластине 14 и в верхней крышки 13 смещены, при этом коллектор 12 не сообщается с жидкостью 2. С помощью редуктора 8 устанавливается заданное постоянное давление, контролируемое манометром 9. При открытии запорного вентиля 7 газ через патрубок 6 заполняет коллектор 12. После заполнения газом коллектора 12 с помощью электромагнитного привода 15 пластина 14 совершает поступательно-возвратное движение, при этом в течение заданного промежутка времени перфорации 16 и 17 совмещаются. Газ из коллектора 12 через совмещенные перфорации 16, 17 в виде пузырьков поступает в окружающую жидкость 2. После отрыва пузырьков от совмещенных перфораций 16, 17 в жидкости 2 образуется компактный кластер пузырьков 3, всплывающий вверх. Всплытие кластера пузырьков 3 в перпендикулярных плоскостях кюветы 1 регистрируется двумя скоростными видеокамерами 5.
В качестве примера реализации рассмотрим результаты исследования динамики всплытия компактного кластера монодисперсных пузырьков воздуха в глицерине при комнатной температуре. Параметры устройства приведены в таблице 1.
Необходимые для расчетов физические характеристики воздуха и глицерина при температуре 20°С приведены в таблице 2 [7].
1. Определяется величина давления газа в коллекторе по формуле (2):
атм
ρ=ρ+1.2ρgH=101308+1.2⋅1260⋅9.80665⋅0.5=108722 Па.
2. Рассчитывается расстояние между центрами соседних перфораций по формуле (3):
h=3⋅D=3⋅0.005=0.015 м.
3. Определяется величина смещения пластины по формуле (4):
y=5⋅d=5⋅0.00026=0.0013 м.
4. Определяется промежуток времени t совмещения перфораций в верхней крышке коллектора и в пластине по формуле (8):
При расчете t значение коэффициента расхода ϕ=0.5 определяется в соответствии с [6].
Для рассчитанных значений р, h, у, t была проведена серия экспериментов по определению влияния ПАВ на скорость всплытия пузырькового кластера. Видеокадры всплытия кластера, полученные в двух перпендикулярных плоскостях, приведены на Фиг. 3.
В жидкость вводилось ПАВ (додецилсульфат натрия) с объемной концентрацией (0.01-0.1)%. Результаты измерения скорости всплытия пузырькового кластера диаметром 30 мм, состоящего из 10 монодисперсных пузырьков диаметром 5 мм, приведены в таблице 3.
Таким образом, из приведенного примера следует, что заявляемая установка обеспечивает достижение технического результата изобретения - возможность определения скорости и конфигурации кластера, состоящего из монодисперсных пузырьков с заданным контролируемым диаметром, в процессе его всплытия в жидкости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Левин В.Г. Физико-химическая гидродинамика. - М.: Физматгиз, 1959. - 699 с.
2. Гуськов О.Б. О движении кластера сферических частиц в идеальной жидкости // Прикладная математика и механика. 2014. - Т. 78, №2. - С. 186-193.
3. Архипов В.А., Васенин И.М., Усанина А.С. Динамика всплытия пузырька в присутствии поверхносто-активных веществ // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2016. - №2. - С. 142-151.
4.  J.M., Dellavale D., Bonetto F.J. Stable tridimensional bubble clusters in multi-bubble sonoluminescence (MBSL) // Ultrasonics Sonochemistry. 2015. - Vol. 22. - P. 59-69.
5. Naohiro Sugita, Keita Ando, Toshihiko Sugiura. Experiment and modeling of translational dynamics of an oscillating bubble cluster in a stationary sound field // Ultrasonics. 2017. - Vol. 77. - P. 160-167.
6. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1989. - 701 с.
7. Неволин Ф.В. Химия и технология производства глицерина. - М.: Химия, 1954. - 401 с.