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1、兩相流測量分析技術在CSBG研究中的應用
氣液兩相流研究中氣相的統計學和動力學測量對兩相流的建模、流動阻力、傳熱傳質等問題有著重要的影響，準確地測量氣泡群的氣泡尺寸、形狀、位置、動力學速度等參數，可以為分析兩相流的關鍵參數如氣泡動力學軌跡、含氣率分布、滑移速度比等提供支持。其中，氣泡大小的參數對氣泡流具有重要意義。氣泡尺寸是微氣泡湍流減阻的關鍵參數，同樣受限于產生不同尺寸氣泡的困難，微氣泡湍流減阻的尺寸效應需要進一步研究。
連續譜氣泡發生器（Continuous spectrum bubble generator, CSBG）是上海交通大學團隊提出的，一種能夠產生尺寸連續可控氣泡的氣泡發生器，引入伺服電機和旋轉葉輪，通過控制葉輪轉速調整機械剪切強度，使產生的氣泡尺寸達到預期值。其最大特點是能在相同的氣液流動工況（氣相、液相流量不變）的條件下獲得設定尺寸的氣泡，可用于氣液兩相流的各個研究領域中。
上海交通大學團隊在研究連續譜氣泡發生器原理時，開展了可視化實驗研究，通過千眼狼高速攝像機結合兩相流測量分析技術分析了該發生器的宏觀特性，驗證了連續譜氣泡發生器（CSBG）的可靠性，相應研究成果發表在了國際知名期刊《Chemical Engineering Science》中，引用格式：Chen, W., Huang, G., Hu, Y., Yin, J., & Wang, D. (2022). Experimental study on Continuous Spectrum Bubble Generator with a new overlapping bubbles image processing technique. Chemical Engineering Science,117613.doi:https://doi.org/10.1016/j.ces.2022.117613》
2、實驗過程
1/2.實驗方法
上海交通大學團隊通過伺服電機控制機械剪切的方法控制生成氣泡的尺寸，以實現對氣泡尺寸的連續控制。由于控制氣泡尺寸的困難，實驗研究先預估所需要的氣泡尺寸，再通過控制氣泡發生器的孔徑來生成與所需尺寸相近的氣泡，并通過高速攝像機觀察、兩相流測量分析等方法測量實際氣泡尺寸。
圖1 實驗回路的示意圖
圖1為CSBG的宏觀特性實驗研究回路示意圖，是由氣泡發生器、高速剪切器、可視化測量段、電磁流量計、氣體流量控制器、泵和若干閥、管道等部分組成。為驗證CSBG的宏觀特性，設定發生器的孔洞直徑為2mm，在需要更大或更小源氣泡的場景中，可以通過增大、縮小孔徑實現。高速剪切器內設置了一臺切割葉輪，葉輪由伺服電機驅動，其轉速可精確控制到±3rpm，實驗中通過控制葉輪的轉速來改變其切割的強度，以實現對氣泡尺寸的控制。實驗回路為內徑50mm的圓形流道，為最小化折射率對高速成像的影響，可視化測量段外設置了一個矩形水箱作為觀察盒。實驗的氣液兩相介質分別為水和空氣，液相流量由電磁流量計測量，氣相則由壓縮機壓縮空氣后存儲在氣罐中，并通過氣體流量控制器控制進入回路的氣相流量。為確保回路中的氣液相分離，回路上部設置了一個大水箱，利用重力實現氣液相分離，確保實驗入口段沒有前序氣泡的影響。
影響CSBG氣泡尺寸的主要因素有三個：氣相流量、液相流量和電機轉速。為研究在不同氣相、液相流量工況下，電機轉速對氣泡尺寸的影響，本實驗設置了兩個實例共23組460個實驗點，實驗工況如表1所示：
表1 實驗條件
2/2.氣泡可視化測量
實驗利用千眼狼攝像機與上海交通大學團隊共同開發的兩相流測量分析技術，搭建氣泡可視化測量實驗平臺，進一步觀察實驗過程中對CSBG每組實驗氣泡群運動過程、尺寸大小進行觀察分析。可視化測量對基于凹點檢測和快速分段弧聚類的重疊氣泡圖像進行處理，對氣泡圖像進行去背景、二值化和邊界提取，凹點分割、弧段聚類并擬合獲得氣泡的尺寸信息。
圖2 氣泡圖像處理技術流程圖
3/2.CSBG的實驗研究
圖3 不同轉速下的原始氣泡圖像
為探索CSBG的初步實驗特性，在相同氣液流量條件下，研究了不同轉速對氣泡尺寸的影響。顯示了觀察窗的典型可視化結果以及不同轉速下相應的氣泡尺寸分布。如圖3所示，當CSBG不工作時(0rpm，3a)由噴霧器產生的氣泡群的氣泡大小相對均勻。當CSBG開始工作且轉速較低時(0-600轉/分，圖3b和c)，葉輪的旋轉對氣泡尺寸的影響是有限的。雖然氣泡圖像中會有更多的小氣泡散落，但較大的氣泡仍然占主導地位。隨著葉輪轉速的增加(超過600rpm圖3d到h)，葉輪的旋轉使CSBG在氣泡破碎中發揮重要作用，從而顯著減小氣泡尺寸。實驗中從氣泡圖像中可以視覺觀察到氣泡的氣泡尺寸當轉速超過600rpm時，氣泡群隨著轉速的增加而迅速減少。如上所述，噴霧器產生的源氣泡的氣泡尺寸分布預計接近均勻分布，這將使通過高速剪切裝置出口處的氣泡尺寸分布研究CSBG的特性變得更加容易。
圖4 不同轉速下相應的氣泡尺寸分布
如圖4a顯示分布器產生的源氣泡尺寸大致接近，主要集中在0–3mm范圍內。然而，即使葉輪不運行，氣泡仍必須通過剪切裝置和彎管從分布器到達觀察箱。所以可以解釋較大氣泡和較小氣泡的存在。隨著葉輪轉速的增加，大氣泡的破裂加劇，并逐漸從氣泡圖像中消失。使用對數正態分布模型擬合氣泡尺寸分布，可以發現氣泡尺寸分布與對數正態分布之間的擬合程度隨著轉速的增加而增加。這表明當轉速相對較高時由CSBG產生的氣泡群的氣泡尺寸分布近似滿足對數正態分布。
此外，氣泡發生器的另一個重要參數是氣泡尺寸分布。氣泡尺寸分布的半峰全寬在這里用于表示氣泡尺寸分布的濃度。仔細分析了氣泡尺寸分布的所有實驗結果。發現當轉速超過600rpm時，所有氣泡尺寸分布的FWHM都不大于1mm，這表明CSBG產生的氣泡集中在一個相對較窄的范圍內。
圖5 平均氣泡尺寸隨轉速的變化曲線(a)未擬合(b)擬合(R指轉速)
為了定量研究旋轉速率對氣泡尺寸的影響，科研團隊分析了氣泡平均直徑(AMD和SMD)隨旋轉速率增加的變化。如圖5所示，隨著轉速的增加，AMD和SMD均顯著下降。當轉速低于1500rpm時，氣泡尺寸隨著轉速的增加而穩定減小。葉輪的高速旋轉為流體旋轉提供了能量，旋流的形成加劇了小氣泡的聚結。在這一階段，破裂和聚結相互競爭以保持氣泡尺寸的動態穩定性。因此，當轉速低于1500rpm時，葉輪的轉速對平均氣泡尺寸起著重要作用。圖5(b)表明AMD具有0.27的旋轉速率的冪律，而SMD具有0.37的旋轉速率的冪律。當體積空隙率和液體質量流量變化時，CSBG對氣泡尺寸的影響顯著不同。
團隊通過案例詳細探討了體積空隙率對氣泡尺寸的影響。CSBG工作區間分為兩個區域：初始區域和穩定區域。在0–500rpm范圍內，所有體積空隙率條件的結果表明，AMD和SMD與轉速的增加幾乎沒有定量關系，只有波動。
圖6 不同氣體表觀速度和不同轉速下的可視化原始氣泡圖像示例
結合高速采集的原始氣泡圖像結果圖，如圖6這種現象可以解釋為:在初始區域，由于低轉速不能形成穩定的高速剪切場。由葉輪旋轉提供的能量不足以使氣泡穩定地破裂，這導致平均氣泡尺寸的不穩定趨勢。因此，0-500rpm的區域被認為是CSBG的初始階段。當葉輪的轉速超過500rpm時，平均氣泡尺寸隨著轉速的增加而穩步減小。在該區域，葉輪的高速旋轉形成了穩定的剪切場，這為進入剪切場的源氣泡的破裂提供了足夠的能量。氣泡的破裂由葉輪的旋轉控制，導致氣泡的平均尺寸穩定減小。因此，轉速超過500rpm的區域被認為是穩定區域。
3、實驗結果
本次實驗設計并制作了一臺CSBG原型機，研究其在不同工況下的性能。團隊通過可視化實驗方法和兩相流測量系統驗證了CSBG產生連續大小氣泡的可行性，并得到了CSBG的實驗工作曲線，擬合了平均氣泡尺寸與轉速和氣相流量兩個影響因素之間的關系。
實驗結果表明，CSBG具備在毫米級范圍內產生連續尺寸氣泡的能力；穩定工作區為500~1500rpm范圍，穩定工作區內SMD與轉速的-0.37次方成正比；CSBG的BMD隨氣相表觀流速的增加而增加，穩定工作區內SMD與氣相表觀流速的0.263次方成正比；但與液相表觀速度的關系不顯著。
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