應用探析|千眼狼高速攝像機在氣泡動力學研究中的應用

千眼狼 發佈 2022-11-28T07:37:44.850600+00:00

1、氣泡鋪展過程動力學研究自然界和工業應用中氣泡在固體表面上的鋪展起著很重要的作用,例如礦物浮選、表面自清潔等。在鋪展的早期階段,接觸線運動速度較快且尺度較小,給實驗研究帶來了巨大挑戰。

1、氣泡鋪展過程動力學研究

自然界和工業應用中氣泡在固體表面上的鋪展起著很重要的作用,例如礦物浮選、表面自清潔等。在鋪展的早期階段,接觸線運動速度較快且尺度較小,給實驗研究帶來了巨大挑戰。中國礦業大學科研團隊採用千眼狼高速攝像技術,追蹤氣泡在均質固體(特氟龍、有機玻璃、玻璃、不鏽鋼)以及非均質固體(褐煤和無煙煤)表面的鋪展過程,研究了氣泡鋪展過程動力學行為,進一步觀察氣液界面形態演變規律。(詳情可見《基於高速動態的氣泡鋪展過程動力學行為研究》)

2、實驗方法

為精確觀測單個氣泡在固體表面上的動態鋪展過程,科研團隊搭建了可視化的實驗系統,如圖1所示。該系統是由觀測槽、氣泡產生、高速圖像採集以及光源部分等構成。圖像採集部分由千眼狼高速攝像機和計算機連接組成。

調節微量注射泵以1μL/min速度緩慢生成氣泡,通過控制針頭與固體表面的距離儘量保持氣泡鋪展的初始形狀和大小一致。當氣泡與固體表面即將接觸時停止氣體進樣,氣泡與固體表面接觸後自發鋪展。通過高速攝像機記錄氣泡鋪展全過程,採集速度為9200fps,每組實驗重複三次。利用軟體對高速攝像機所拍攝圖片進行定量化處理,獲取氣泡在固體表面鋪展時三相線長度L、最大寬度W及其對應位置H等參數。

3、試驗分析

1/3.氣泡粘附鋪展過程

當氣體進樣停止後,水槽中不鏽鋼針頭末端的氣泡在慣性作用下緩慢與固體基板接觸,隨後發生鋪展行為。圖2為氣泡在不同固體表面的接觸鋪展過程,圖中紅線和綠線分別表示固體表面的基線和氣泡幾何中心的連線。氣泡接近固體表面後首先進行排液過程,當氣泡與固體間液膜破裂後隨即開始三相線擴張過程。選取氣泡開始在固體表面鋪展時刻為t=0ms。從圖2可看出特氟龍、不鏽鋼、有機玻璃、玻璃基板上氣泡在極短時間內鋪展至較大範圍,隨後鋪展速度變得緩慢直至穩定。

從圖2(a-d)可以看出,隨著氣泡在均質固體表面鋪展,t=0~15ms內,三相接觸線快速擴張,此階段稱為快速鋪展階段。隨後三線接觸線運動變得緩慢直至最大擴展,此階段稱為慢速鋪展階段。從圖2(e-f)可以看出,相比上述四種均質樣品,煤樣表面三相線鋪展長度都較短,且鋪展時間遠遠大於其他樣品。從圖2(a-f)中綠色虛線可明顯看出,均質固體表面氣泡幾何中心位置隨三相線擴張逐漸向固體表面上移,氣泡形狀從初始的近似球形逐漸演變為截去上端的橢球狀。而對於非均質的褐煤和無煙煤來說,氣泡幾何中心位置有輕微上下波動現象,但氣泡的總體形狀仍然保持近似球形。

2/3.氣泡鋪展動力學

當氣泡與固體表面之間液膜薄化破裂後,三相接觸線開始形成。由於界面處張力不平衡,三相接觸線會不斷向周圍擴張從而發生氣相鋪展和固相排液現象。三相接觸線越長,代表著固體表面氣泡排液能力越強。氣泡在不同均質固體表面的鋪展長度L隨時間的演化規律如圖3所示。

由圖可知,三相線運動過程包括兩個階段:①快速鋪展階段(t≤15ms),不同固體表面上氣泡鋪展過程都表現出普遍的自相似行為,即三相接觸線自液膜破裂後在極短時間內擴張到較大長度,這個過程與固體表面初始條件無關;②慢速鋪展階段(t>15ms),因固體表面形貌、化學組成、微觀結構、潤濕性等物理化學性質差異,氣泡鋪展過程具有各自特點。三相線最終鋪展長度依次是:特氟龍>不鏽鋼>有機玻璃>玻璃。

褐煤和無煙煤表面三相線鋪展長度L隨時間的演化規律如圖4所示。褐煤表面三相線長度演變曲線相比於均質固體呈現較大差異,而無煙煤表面三相線長度演變規律與均質固體比較接近。褐煤和無煙煤表面氣泡鋪展穩定後的最終三相線長度比均質固體平均短約50%。經過多次重複試驗,褐煤表面三相線運動都具有多次波動特徵。由此可見,褐煤與無煙煤表面氣泡鋪展時間比均質固體表面上大至少兩個數量級,且褐煤表面氣泡在慢速鋪展階段有較大的波動性。

如圖5所示,固體表面表觀接觸角大小依次是:特氟龍>無煙煤>不鏽鋼>有機玻璃>玻璃>褐煤。四種均質固體表面液滴接觸角大小規律與上述三相線鋪展長度規律保持一致,非均質褐煤和無煙煤接觸角大小也與其三相線鋪展長度對應。說明潤濕性是影響固體表面氣泡鋪展過程的重要因素。

固體表面潤濕性由其表面微觀形貌和表面化學組成共同決定。如圖6(a)所示,光滑均質固體表面氣泡先排開氣固之間的液膜,液膜破裂後三相接觸線逐漸對稱性向外擴張直至鋪展過程結束。

非均質固體褐煤和無煙煤表面粗糙且有裂隙,當浸入水中時會有微納米級氣泡賦存於表面上或孔隙中,如圖6(b)。隨著氣泡與煤樣表面的液膜不斷減薄,氣泡會與表面或裂隙中的小氣泡聚並從而影響三相線移動,這可能也是導致前述褐煤表面氣泡麵積稍微增大的原因。此外,煤樣表面有機質和無機質摻雜導致親/疏水位點不同,且凹凸不平的表面形貌使得粗糙度不均勻,三相線在移動過程中會產生釘扎效應而發生非對稱性移動。因此,可以推斷煤樣表面釘扎效應以及氣泡聚並融合效應相互疊加,使得其三相線運動規律與均質固體表面相差較大。

3/3.鋪展過程中氣液界面形變

伴隨著三相線擴張,氣泡的輪廓線及幾何中心均會發生變化,這主要源於氣液兩相之間相互作用。均質固體表面氣泡鋪展過程中最大寬度W會隨時間動態變化,如圖7(a)所示。當氣泡在固體表面開始快速鋪展時,氣泡最大寬度W會突然減小,圖7(a)中可觀察到在氣泡開始鋪展後有一個明顯的下凹區域,這對應了鋪展時三相線長度的迅速增加。當W降到最低點後,快速鋪展過程結束,隨後進入慢速鋪展階段。在慢速鋪展階段氣泡最大寬度W逐漸增加至穩定值。玻璃和有機玻璃表面W很快達到平衡且最終W值變化幅度較小,而特氟龍和不鏽鋼表面W達到平衡時間較長且最終W值變化幅度較大。氣泡最大寬度W的演變說明三相線在運動過程中伴隨著氣泡內流體的重分布。

褐煤和無煙煤動態鋪展過程中氣泡最大寬度W演變如圖7(b)所示。煤樣表面去潤濕過程中氣泡最大寬度W具有上下波動性,但總體呈上升趨勢。這可能與固體表面化學結構及微觀形貌有關。煤階越低,表面粗糙度越大,當浸入水中時,其表面溝壑中的微納米級氣泡和孔隙中吸附的氣體越多。當表面微納米級氣泡與鋪展氣泡發生融合,這可能會增加氣泡體積從而影響氣泡寬度。由此可見,煤表面物理或化學結構的非均勻性使得三相線運動過程中氣泡最寬處表現出不穩定性。

在三相線擴展過程中,最大寬度W反映氣泡的橫向特徵,為了探究氣泡的縱向特徵,定義氣泡位置H為氣泡最大寬度處與固體基線的距離。對於均質固體,氣泡位置H隨時間急劇減小,再緩慢減小至穩定值,這與三相線長度L和氣泡最大寬度W變化規律相吻合。褐煤和無煙煤表面,氣泡位置H隨時間變化不太明顯,總體呈波動性緩慢下降,下降幅度不大。通過軟體提取氣泡輪廓線如圖8所示,可直觀看出隨著三相線擴張,氣泡位置H逐漸上移接近固體表面,其中特氟龍和不鏽鋼表面氣泡位置上移最多,褐煤和無煙煤表面氣泡位置上移最少。

氣液界面相互作用隨著三相線鋪展而變化,與固體表面潤濕性質密切相關。固體表面疏水性越強,水化膜越穩定,水化膜擴張能力越強,液膜被排開越遠,因而三相線鋪展越長,氣液界面形變越大。然而非均質固體表面親疏水位點不同以及局部微觀結構差異較大,導致其三相線運動及氣液界面演變規律較複雜。

4、試驗結論

(1)氣泡鋪展過程中,三相線主要經歷快速與慢速鋪展,快速鋪展階段表現出自相似行為特徵,慢速階段受固體表面形貌、化學組成、微觀結構、潤濕性等性質影響;

(2)固體表面潤濕性是影響氣泡鋪展行為的重要因素,煤樣表面非均勻潤濕性是導致其氣泡鋪展行為與均質固體較大差異的根本原因。煤樣表面三相線鋪展長度比均質固體短約 50%,且鋪展時間比均質固體大至少兩個數量級;

(3)均質固體表面三相線快速鋪展階段遵循指數b=1/2冪律模型,由表面張力與慣性力主導;慢速鋪展階段遵循指數b=1/10冪律模型,由表面張力與粘性力主導;煤樣表面快速鋪展階段三相線也符合指數b=1/2冪律模型;

(4)伴隨著三相線擴張,氣液兩相相互作用使得氣液界面發生變化,尤其是均質固體表面。煤樣表面因物理或化學結構的非均勻性產生的氣體融合和釘扎效應使得氣液界面表現出小範圍內的波動。

5、總結

本次實驗採用高速攝像機對氣泡鋪展過程進行了可視化研究實驗,考察固體表面性質對氣泡鋪展行為的影響,探究三相線運動機理和氣液界面形態演變規律,為深入理解顆粒-氣泡粘附過程及顆粒-氣泡氣絮體界面結構穩定性奠定理論基礎。(此文源自中國礦業大學研究團隊)

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