Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости



Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости
Установка для исследования динамики всплытия пузырькового кластера в жидкости

Владельцы патента RU 2683147:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) (RU)

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.

 

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;

- площадь поперечного сечения перфорации;

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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а точнее к оптическим поляризационным приборам, в которых используется эффект Фарадея, и может использоваться в лабораториях нефтехимических предприятий, контролирующих органов, ВУЗов, НИИ, в технологических линиях нефтеперерабатывающих заводов, а также на нефтебазах в центрах реализации моторных топлив.

Изобретение относится к области устройств, осуществляющих измерения механических свойств материалов, и предназначено для определения площади контакта и наблюдения поверхности образца в процессе его деформации.

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложен способ калибровки и измерения сигнала, а также устройство для обнаружения и/или идентификации целевых бактерий.

Изобретение может быть использовано для контроля сварных швов между двумя термопластическими деталями, соединенными посредством ультразвуковой сварки, в частности, на линиях сборки пластиковых деталей автотранспортных средств.

Изобретение относится к медицине, а именно к офтальмологии, и может быть использовано для оценки гидратации роговицы глаза. Воздействуют на роговицу результирующим излучением с частотой в диапазоне 30-90 ГГц, полученным в результате оптического фотосмешения излучений фазово-синхронизованных полупроводниковых лазерных источников ближнего инфракрасного диапазона.

Использование: для оптического измерения перемещения. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют генерацию данных от оптического измерительного устройства, относящихся к относительному перемещению исследуемого параметра между двумя или несколькими отражающими поверхностями оптического измерительного устройства; предотвращение изменений в данных, в результате изменений в оптическом измерительном устройстве из-за: i) температуры или ii) давления, путем компенсации изменений в оптическом измерительном устройстве.

Изобретение относится к поляризационным приборам. Способ экспрессной оценки доли ароматических углеводородов в светлых нефтепродуктах, при котором через нефтепродукт пропускают поляризованный свет, одновременно воздействуют на него продольным магнитным полем, вектор напряженности которого направлен вдоль распространения линейно поляризованного света, контролируют изменение состояния поляризации прошедшего через исследуемый продукт пучка света и по этому изменению определяют долю ароматических углеводородов, причем свет пропускают через нефтепродукт в прямом и обратном направлениях четное число раз, регистрируют угол поворота плоскости поляризации света αх (эффект Фарадея), сравнивают его с известной величиной угла поворота плоскости поляризации химически чистого толуола, измеренного при тех же условиях напряженности магнитного поля и длины пути света в нефтепродукте, а затем определяют долю ароматических углеводородов в нефтепродукте Vap согласно линейному уравнению Vap=C(αx/αтол.)+D=C KT+D, где αх, αтол.

Изобретение относится к устройствам сканирования возбуждаемого лазерным источником излучения спектра флуоресценции поверхности объекта исследований и представления результата в виде изображений в видимом и ИК-диапазонах.

Изобретение относится к нагревательному устройству для прибора для измерения методом спектрометрии. Данное нагревательное устройство отличается тем, что оно выполнено в виде мягкого оптического элемента (1), который включает в себя мягкую гибкую опору (10) с верхней стороной (10a) и нижней стороной (10b).

Изобретение относится к экологии, лимнологии, океанологии и может быть использовано в качестве устройства для проведения in situ исследований антропогенной загрязненности природных акваторий с морской и пресной водой.

Изобретение относится к способу классификации и/или сортировки посевного материала при помощи терагерцевой спектроскопии с разрешением по времени. Способ содержит следующие этапы: воздействие на зерно посевного материала терагерцевым импульсом; измерение сигнала, создаваемого терагерцевым импульсом после прохождения через зерно посевного материала и/или отражения от зерна посевного материала; определение амплитуды, временной задержки, фазы и/или спектра сигнала, обусловленных этим прохождением и/или отражением; и отнесение зерна посевного материала к определенному классу посевного материала.

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано для определения содержания иона сульфата в почвах сельскохозяйственного назначения. Для этого получают водную вытяжку из почвы, отбирают аликвоту, переносят в другую емкость и добавляют в нее точное количество раствора известной концентрации хлорида бария.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для неинвазивного анализа материала. Раскрыты способ и система для анализа материала (100).

Изобретение относится к солям соединения формулы I с щелочными металлами, замещающими атомы водорода в обеих сульфогруппах , где R означает N-оксисукцинимидильную группу Также предложены способ получения солей и их применение.

Изобретение относится к количественной люминесцентной микроскопии, применяемой в приборах, предназначенных для регистрации взаимодействий между биологическими молекулами, помеченными красителем, флуоресцирующим в видимой или инфракрасной области спектра, и молекулярными зондами, иммобилизованными в ячейках биологического микрочипа.

Изобретение относится к области колориметрии и касается способа определения показателя для характеризации качества настройки цветового тона лака по отношению к цветовому эталону.

Изобретение относится к способу для количественного определения и получения характеристик флюидов, насыщающих пористые геологические материалы, с использованием спектроскопии возбуждения лазерным пробоем (laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS).

Изобретение относится к системе отслеживания с динамическим отношением «сигнал-шум». Технический результат заключается в повышении надежности системы отслеживания в окружении вне помещений и в присутствии других источников электромагнитного излучения.

Изобретение относится к взрывозащищенным газоанализаторам и может быть использовано для измерения концентрации газов, присутствующих в окружающей среде. Сущность: датчик включает корпус (1) со съемной крышкой (2).

Изобретение относится к области аналитической химии и может найти применение в лабораториях, осуществляющих аналитический контроль технологических производств, связанных с получением полистирола.

Группа изобретений относится к пеногенератору для щитовой тоннелепроходческой машины и способу кондиционирования вынимаемого материала грунта в качестве опорной среды для проходческого щита тоннелепроходческой машины.

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.

Наверх