RU2683147C1 - Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости - Google Patents
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости Download PDFInfo
- Publication number
- RU2683147C1 RU2683147C1 RU2018102989A RU2018102989A RU2683147C1 RU 2683147 C1 RU2683147 C1 RU 2683147C1 RU 2018102989 A RU2018102989 A RU 2018102989A RU 2018102989 A RU2018102989 A RU 2018102989A RU 2683147 C1 RU2683147 C1 RU 2683147C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- collector
- perforations
- plate
- cluster
- liquid
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 2
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 abstract description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 21
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000004581 coalescence Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005188 flotation Methods 0.000 description 1
- 238000005187 foaming Methods 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005393 sonoluminescence Methods 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
- B01F23/20—Mixing gases with liquids
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области разработки установок для лабораторных исследований физических процессов, в частности для исследования закономерностей всплытия компактного пузырькового кластера в жидкости. Установка включает 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 расположенные в виде равномерной прямоугольной сетки совмещенные перфорации одинакового диаметра. Давление газа в коллекторе, расстояния между центрами соседних перфораций, величина смещения пластины, промежуток времени совмещения перфораций в верхней крышке коллектора и в пластине определяются по заданным алгебраическим соотношениям. Технический результат - возможность определения скорости и конфигурации кластера, состоящего из монодисперсных пузырьков с заданным контролируемым диаметром, в процессе его всплытия в жидкости. 3 табл., 3 ил.
Description
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
p=pатм+1.2ρgH,
h≥3⋅D, y≥5⋅d,
где р - давление газа в коллекторе;
ратм - 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;
ρg - 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:
где ph=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;
Δρ=0.2ρgH - перепад давления на перфорациях.
Объем газа, поступающего в жидкость за период времени t, определяется формулой:
При вводе порции газа объемом Vg 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):
ρ=ρатм+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.
Claims (16)
- 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, отличающаяся тем, что 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, а 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
- p=pатм+1.2ρgH,
- h≥3⋅D, у≥5⋅d,
- где р - давление газа в коллекторе;
- ратм - 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;
- ρg - плотность газа.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018102989A RU2683147C1 (ru) | 2018-01-25 | 2018-01-25 | Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018102989A RU2683147C1 (ru) | 2018-01-25 | 2018-01-25 | Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2683147C1 true RU2683147C1 (ru) | 2019-03-26 |
Family
ID=65858730
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018102989A RU2683147C1 (ru) | 2018-01-25 | 2018-01-25 | Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2683147C1 (ru) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3970731A (en) * | 1974-01-23 | 1976-07-20 | Erkki Olavi Oksman | Bubble-generating aerator |
RU2491116C2 (ru) * | 2007-10-22 | 2013-08-27 | МЭЙПАЛ Грин Энерджи Лтд. | Аэрационное устройство для введения пузырьков газа в жидкую среду |
-
2018
- 2018-01-25 RU RU2018102989A patent/RU2683147C1/ru active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3970731A (en) * | 1974-01-23 | 1976-07-20 | Erkki Olavi Oksman | Bubble-generating aerator |
RU2491116C2 (ru) * | 2007-10-22 | 2013-08-27 | МЭЙПАЛ Грин Энерджи Лтд. | Аэрационное устройство для введения пузырьков газа в жидкую среду |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
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. * |
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. Rosselló J.M., Dellavale D., Bonetto F.J. Stable tridimensional bubble clusters in multi-bubble sonoluminescence (MBSL) // Ultrasonics Sonochemistry. 2015. - Vol. 22. - P. 59-69.. * |
Rosselló J.M., Dellavale D., Bonetto F.J. Stable tridimensional bubble clusters in multi-bubble sonoluminescence (MBSL) // Ultrasonics Sonochemistry. 2015. - Vol. 22. - P. 59-69.. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Nirmalkar et al. | Bulk nanobubbles from acoustically cavitated aqueous organic solvent mixtures | |
Langevin | Aqueous foams and foam films stabilised by surfactants. Gravity-free studies | |
Talaia | Terminal velocity of a bubble rise in a liquid column | |
Nascentes et al. | Use of ultrasonic baths for analytical applications: a new approach for optimisation conditions | |
Böhm et al. | Rising behaviour of single bubbles in narrow rectangular channels in Newtonian and non-Newtonian liquids | |
Zhang et al. | Effective UV-induced fluorescence method for investigating interphase mass transfer of single bubble rising in the Hele-Shaw cell | |
RU2683147C1 (ru) | Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости | |
Jadhav et al. | Generation of bulk nanobubbles using a high-shear rotor–stator device | |
Yasui et al. | Interaction of bulk nanobubbles (ultrafine bubbles) with a solid surface | |
Pangborn et al. | The kinetics of methyl bromide hydrate formation | |
Kuang et al. | Evolution process and stabilization mechanism of different gas nanobubbles based on improved statistical analysis | |
Groß et al. | Experimental evidence of nucleation from wall-bounded nuclei in a laminar flow | |
La Rocca et al. | Experimental and theoretical modelling of 3D gravity currents | |
Shekarriz et al. | Evaluation of scaling correlations for mobilization of double-shell tank waste | |
Hosseininejad | CFD Modeling of Cavitation for Fine Particle Flotation | |
CN113218832A (zh) | 页岩渗透压模拟发生装置、测量实验***及方法 | |
Jia et al. | The effect of inorganic salt on multiphase flow characteristics in a microbubble column: A focus on the ionic strength | |
Vakarelski et al. | Why Bubbles Coalesce Faster than Droplets: The Effects of Interface Mobility and Surface Charge | |
RU2796910C1 (ru) | Способ получения пузырькового кластера заданной конфигурации | |
Yoneyama et al. | Experimental and numerical study on fracture grouting by fine particle cement | |
Lucia | Monitoring of gas-liquid mass transfer with single droplet experiment | |
Drown | THE FLUID MECHANIC BASIS FOR THE DESIGN CRITERIA OF GRAVITY LIQUID-LIQUID SETTLERS. | |
Fan et al. | A laser imaging-LDV coupling measurement of single bubble forming and rising in shear-thinning fluid | |
Rosso | Mass transfer at contaminated bubble interfaces | |
Nalesso | Antisolvent and reactive crystallisation under variations of ultrasound parameters: effects and comparisons |