自由空间内悬挂气泡破碎时的声学特性.pdf
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1、第 43 卷 第 1 期Vol.43,No.12024 年 1 月Journal of Applied AcousticsJanuary,2024 研究报告 自由空间内悬挂气泡破碎时的声学特性段润泽1,2曹一凡1冯紫薇1(1 河北工业大学能源与环境工程学院天津300401)(2 河北省热科学与能源清洁利用技术重点实验室天津300401)摘要:气泡破碎是自然界和工、农业生产中常见的现象。气泡在破碎过程中因气流流动而产生强烈的扰动,导致破碎时产生强烈的气动声学。该文采用实验和理论相结合的方式对自由空间内悬挂气泡破碎时的声学特性进行了研究。研究发现:随着液体表面张力系数的增加,声发射的特征振幅逐渐增
2、大;随着气泡半径的增加,声发射的特征振幅逐渐增大。理论计算结果与实验结果基本吻合。关键词:气泡破碎;自由空间;声发射中图法分类号:O359+.1文献标识码:A文章编号:1000-310X(2024)01-0204-09DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.01.024Acoustic emission process during bubble bursting in free spaceDUAN Runze1,2CAO Yifan1FENG Ziwei1(1 School of energy and environment engineering Hebei
3、University of Technology,Tianjin 300401,China)(2 Hebei Key Laboratory of Thermal Science and Energy Clean Utilization,Tianjin 300401,China)Abstract:Bubble bursting is a common phenomenon in nature and industrial and agricultural production.During the bursting process,bubbles are strongly disturbed b
4、y air flow,which leads to strong aero-acoustics.In this paper,the acoustic characteristics of suspended bubbles bursting in free space are studied by combiningexperiment with theory.It is found that with the increase of liquid surface tension coefficient,the characteristicamplitude of acoustic emiss
5、ion gradually increases.With the increase of bubble radius,the characteristicamplitude of acoustic emission gradually increases.The theoretical calculation results are basically consistentwith the experimental results.Keywords:Bubble bursting;Free space;Acoustic emission2022-09-05收稿;2023-02-23定稿国家自然
6、科学基金项目(12042211,51276055,51806057),天津市科技计划项目(22YDTPJC00200,18YFCZZC00250,19YFZCsF00850),河北省自然基金项目(A2022202010,E2019202460),河北工业大学(张北)产业技术研究院课题(ZBYJY201902)作者简介:段润泽(1984),男,山西临汾人,博士,副教授,硕士生导师,研究方向:液体雾化,燃烧。通信作者 E-mail:第43卷 第1期段润泽等:自由空间内悬挂气泡破碎时的声学特性2050 引言气泡的发生、膨胀、凝并和破碎,是生活中的常见现象。气泡也普遍存在于蒸发器、鼓泡反应器、介质雾化
7、器等涉及气液两相流动的工业设备中。气泡破碎时会显示出一定的声学特性,对气泡行为的声学特性进行记录并分析可在一定程度上了解气泡自身的性质与所处的状态,因此可对涉及到气泡的气液两相流工业设备进行声发射监测,以便更好地掌握各项参数。声发射监测是一种动态无损的检测方法1,该方法具有较高的采样频率,可以完整详细地记录具有某些特征的声发射信号,目前已广泛应用于气液两相流中的流形转变研究2、空气夹带研究34与液相含气率研究5等,其在海底气体排放67以及医疗领域8也应用较广;在工业领域,可将其用于识别冷凝状态9,对浮选机性能进行检测10等。锅炉汽包是火力发电、核能发电系统中的重要一部分,汽包中的水在沸腾过程中
8、会产生大量气泡,其中的大部分气泡会上升至气液交界处破碎,然而少量气泡移动速度较快,会运动至锅炉汽包的气空间内破碎。一方面,汽包内气泡破碎时会产生大量液滴,夹杂着这些液滴的高速蒸汽流进入二回路会造成管道、关闭件的腐蚀,以及汽轮机叶片的气蚀,影响汽轮机寿命11;另一方面,锅炉汽包气空间内为高温高压高湿的恶劣环境,在恶劣环境下微小的扰动会被放大12,若扰动的频率与设备固有频率一致,则整个系统会形成共振,导致扰动被进一步放大13,对设备造成不良影响,本文主要关注了位于气空间(自由空间)内气泡破碎过程的声学特性。关于气泡破碎过程的声学特性,学者们主要关注了在气液边界处破碎的界面气泡,通过实验研究了气泡从
9、液体内部浮至气液边界后再破碎过程中气泡振荡等行为以及气泡破碎过程的声学特性,并总结出了一些规律。Spiel14定量观测了自由液面处气泡破碎时辐射的声压。Ding等15研究了多气泡在自由液面处破碎过程的声压场,发现了对声压场有贡献的3种不同的辐射机制:薄液膜的不稳定性导致的爆裂之前气泡表面的振荡,气泡破裂导致的脉冲辐射,以及由破裂的气泡激发的来自相邻气泡的振荡。Ding等15也发现气泡振荡产生的频谱与气泡大小有很好的相关性:随着气泡半径范围的缩小与气泡平均粒径的降低,辐射声压的功率谱密度由集中分布在2 8 kHz开始向高频率分散。Spencer等10发现含有声发射信号的傅里叶功率谱中的峰值频率可
10、反映下降管内的主要气泡尺寸。Deane等16通过实验观察并记录了自由液面处气泡破碎时辐射声压的亥姆霍兹振荡时变频率,发现该频率与液膜寿命有关,经历560 ms破碎的气泡的频谱图中所对应的频率为5 15 kHz,而经过100 ms破碎的气泡的频率为2 4 kHz。除了研究气泡物理性质对频率的影响,还有学者关注了气泡物理性质对其他方面的影响。Husin等17实验研究了上升气泡在自由液面处的破碎过程,发现当液体黏度为 1 cP时,随着气泡尺寸的增加,自由液面处气泡破碎的声发射幅度、持续时间、能量和上升时间都会增加。Husin等18也发现,当改变液体的黏度时,上升气泡在自由液面处破碎时声压的上升时间也
11、会受到影响,液体黏度的增大会使上升时间变短。Divoux等19实验研究了气泡在非牛顿流体液面处破碎过程的声学特性,由于非牛顿流体的特性,气泡在重力方向上被拉长,发现气泡长度越大,谐振波波长越长。学者也关注了位于液体表面上的气泡,与处于动态过程中的浮动上升气泡不同,由于液面呈水平无内凹,因此附着在液体表面上的气泡呈半球状,可被理解成为半个气泡。Liu等20记录并分析了静止在深度为2.5 mm的溶液表面处气泡破碎过程的声发射,所研究的气泡半径范围为8 22 mm,实验观察到气泡在经过一段时间的重力排液过程后发生破碎,发现气泡内部体积会影响气泡破碎声信号的基频(功率谱第一个峰对应的频率),气泡内部体
12、积越大基频越小。从上述文献中可以看出,位于自由液面处气泡破碎过程的声学特性与气泡自身的物理性质、构成气泡溶液浓度等因素有关。目前关于气泡破碎过程声学特性的研究工作主要集中在位于自由液面处的气泡:包括由液体内部浮至自由液面处的气泡,其上半部分与空气接触,下半部分则沉浸在液体中;静止在液体表面上的气泡,其上半部分与空气接触,下半部分与水平液面接触,呈半球状。目前少有文献关注运动至自由空间内气泡破碎过程的声学特性,尽管位于自由空间内气泡的破碎过程与自由液面处气泡的破碎过程具有一定的相似性,但由于气2062024 年 1 月泡所处环境不同,其破碎过程的声学特性存在差异,有必要对其进行研究。自由空间内气
13、泡的破碎分为自然破碎(不考虑气动力)和受迫破碎(气动力作用下)两种,其破碎机理亦有所不同。本文以实验与理论推导相结合的方式,重点研究了位于自由空间内悬挂气泡自由破碎过程的声学特性。1 理论推导与实验部分1.1气泡破碎的声压如图1所示,受重力作用,悬挂气泡首先要经历持续一段时间的排液过程2122;自由空间内悬挂气泡自然破碎过程图2所示,受排液过程以及蒸发过程及微小扰动的影响,气泡顶部会形成初始破碎点,初始破碎点受表面张力作用逐渐扩大成孔,此时气泡壁依然存在;受气泡内外压差作用,气泡内部气体经孔向外扩散,此时气流会对液膜边缘施加扰动;液膜逐渐收缩,受不稳定性影响以及表面张力作用,已破碎液膜形成液线
14、,液线断裂形成液滴。在此过程中,液膜受由气泡内外压力差驱动的气流的扰动进行简谐振动,与内部气体共同构成谐振器,向外辐射声压20,通过比对高速图像与采集到的声频,本文认为气泡尚未完全破碎时气泡发声过程已经结束,为便于研究本文将气泡破碎过程辐射声压的声源视为完整的球状液膜。0.5 cm图1悬挂气泡破碎前的排液过程22Fig.1 Drainage process before suspension bubblebursting22?0 ms0.4 ms0.8 ms1.2 ms1.6 ms2.0 ms2.4 ms2.8 ms1 cm图2悬挂气泡破碎全过程俯视图Fig.2 Top view of the
15、 whole process of suspension bubble bursting对于悬挂在自由空间中的气泡破碎时的声发射过程,可将其简化视作进行着均匀涨缩振动的球面声源,该球面声源的半径为r0。对于脉动球源,选取球坐标系将坐标原点取在球心,因为球面声源的波阵面是球面的,所以在距离r处的波阵面面积就是球面面积S=4r2,此时波动方程23可表示为2pr2+pr lnSr=1c202pt2,(1)其中,p为脉动球源向外辐射的声压,c0为当地声速。将S=4r2代入式(1),有2pr2+2rpr=1c202pt2.(2)令Y=pr,有2Yr2=1c202Yt2.(3)解方程得Y=Aej(tkr)
16、+B ej(t+kr),(4)其中,A和B为两个待定常数;k为角波数(rad/m),k=/c0,为角速度(rad/s),=2f,其中f 为特征频率,可通过实验得到。即p=Arej(tkr)+Brej(t+kr),(5)第43卷 第1期段润泽等:自由空间内悬挂气泡破碎时的声学特性207其 中,Arej(tkr)代 表 向 外 辐 射 的 球 面 波,Brej(t+kr)代表向球心辐射的球面波。本文研究向外辐射的球面波,不考虑向内辐射的球面波,可令B=0有p=Arej(tkr),(6)其中,A/r的绝对值为声压振幅。液膜径向质点速度与声压的关系23为0vt=pr,(7)其中,0为空气密度,则质点径
17、向速度为vr=1j0pr=Ar0c0(1+1jkr)ej(tkr),(8)其中,Ar0c0(1+1jkr)的绝对值为速度振幅。对于待定常数A,它取决于球面振动情况,设球源表面的振动速度为u=uaej(tkr0),(9)其中,ua为振速幅值,kr0代表初始相位角。球源表面的振动速度等于在球源表面处的媒质质点径向速度,有(vr)r=r0=u.(10)将式(8)代入式(10)有A=0c0kr201+(kr0)2ua(kr0+j)=|A|ej,(11)其中,|A|=0c0kr20ua1+(kr0)2,=arctan(1kr0)。将式(11)代入式(6)有p=paej(tkr+),(12)其中,pa=|
18、A|/r,即p=0c0kr20ua1+(kr0)21rej(tkr+).(13)自由空间内悬挂的气泡,其内外存在压强差:P=Pin Pout=4r0,(14)其中,P 为气泡内外压强差,Pin为气泡内部压强,Pout为大气压强,为吹制气泡液体的表面张力系数,r0为气泡半径。当初始破碎点形成时,气泡内部高压气体受压差推动会从破碎口流出,设气体流速为ug,受压差推动的气体与破碎口周围的液膜之间存在速度差,从而在气流与破碎口周围的液膜之间产生摩擦力,引起气泡液膜振动,气泡液膜的振幅取决于气流的速度,即ua=ug20。根据伯努利方程,气体流速ug与压力波动P 有关,有P=0u2g2,(15)其中,0为
19、气体密度。将式(14)、式(15)代入式(13),有pa=0c0kr20ug1+(kr0)21r=2c0kr201+(kr0)220r01r.(16)对于本实验,由于气泡半径较小(低于10 mm),且其破碎时的特征频率较小(低于500 Hz),因此kr0 1,因此pa可以简化23为pa 2c0kr2020r01r.(17)即求得自由空间内悬挂气泡破碎时辐射声压的特征振幅。1.2实验模型1.2.1实验装置与步骤经过上述公式的推导,可以发现,气泡破碎时的声发射过程与吹制气泡液体的表面张力系数和气泡大小有关。本文选择表面张力系数与气泡大小为自变量,来研究改变参数对气泡破碎时声发射过程的影响。为了分析
20、表面张力系数、气泡大小与气泡破碎过程声学特性之间的关系,本文搭建了如图3所示的试验台,该试验装置由4部分组成:气泡发生装置、稳压箱、声频采集装置以及高速摄像系统。气泡发生装置主要由微量注射泵、软管、毛细玻璃管组成。微量注射泵可单独调节注射速度、注射量,其型号为申辰SPLab02型蠕动泵。本文选用表面活性剂椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB-35)与蒸馏水配制不同浓度的水溶液来研究表面张力系数对气泡破碎过程中声发射的影响。CAB-35是一种表面活性剂,其纯溶液表面张力系数约为28.16 mN/m,CAB-35水溶液的表面张力系数介于CAB-35与蒸馏水之间(28.16 72.98 mN/m),且不同浓度
21、溶液的黏度变化不大,因此可通过配制不同浓度的CAB-35溶液来得到不同表面张力系数的2082024 年 1 月溶液来进行试验。本实验选用的不同浓度CAB-35溶液的物性参数如表1所示。本实验利用德国dat-aphysics公司生产的DCAT21表面张力仪来测量溶液的表面张力系数;利用Brookfield DV2T黏度计来测量溶液的黏度。稳压箱为透明亚克力材质,为便于实验操作,正面开门,稳压箱的尺寸为30 cm30 cm60 cm,?LED?图3实验装置图Fig.3 Experimental setup其主要作用为降低环境中微小扰动对气泡影响。声频采集装置选用科尚仪器的KSI-308A-213型
22、传声器搭配SIRIUS-CD型Dewesoft数据采集系统。高速摄像系统选用奥林巴斯i-SPEED 3 SE-RIES型高速摄像机搭配Nikon AF 50 mm 1.4D标准镜头,相机帧频设置为15000 Hz。由于相机帧频较高,需添加补光灯来提升画面亮度,光源为BEIYANG LED-200WSI型LED灯。实验步骤包括以下几个方面:首先用毛细玻璃管蘸取一定高度的液体,将其放置在稳压箱内的架子上;启动微量注射泵,通过调节微量注射泵中的气体体积来吹制不同大小的气泡;微量注射泵运行时散热风扇会一直启动,为避免对声频采集造成影响,气泡吹制完毕后需关闭微量注射泵;当气泡吹制完毕,开始录制气泡破碎时
23、的声发射;待气泡破碎完成,停止录制。为保证变量唯一性,当研究表面张力系数对气泡破碎时声发射过程的影响时,每次吹制的气泡的大小、液膜厚度需保持一致。本文通过控制微量注射泵注射的气体体积V气来控制气泡半径r0,即r0=33V气4;通过控制实验过程中蘸取的液体量V液来控制气泡液膜厚度h,即h=33(V气+V液)433V气4,从而控制气泡半径r0与气泡液膜厚度h。表1不同配比溶液的物性参数Table 1 Physical parameters of solutions with different proportions溶液代号表面张力系数/(mNm1)测量相对误差/%密度/(gmL1)黏度/(mPa
24、s)温度/C精确度/(mPas)154.911.010.99881.93260.10249.510.870.99551.93260.10344.880.990.99831.93260.10440.731.110.99821.94260.10530.450.740.99771.96260.10629.101.050.99741.96260.101.2.2悬挂气泡破碎时的声发射过程气泡破碎时的声发射过程与气泡破碎过程息息相关。实验结果显示气泡吹制完成后其并不是立即破碎,而是经过一段时间的排液过程,如图2所示,当顶部液膜受重力效应减薄至一定程度,气泡受微小扰动产生初始破碎点,受表面张力作用液膜逐渐卷
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