1.Исследование динамики процесса распространения пузырьков
Распространение пузырьков на твердых поверхностях играет важную роль в естественных и промышленных применениях, таких как флотация минералов и самоочищающиеся поверхности. На ранних стадиях распространения линия соприкосновения движется быстро и в небольших масштабах, что представляет собой серьезную проблему для экспериментальных исследований. Исследовательская группа из Китайского горно-технологического университета применила технологию высокоскоростной камеры «Тысяча глаз волка» для отслеживания процесса распространения пузырьков на однородных твердых веществах (тефлон, акрил, стекло, нержавеющая сталь) и гетерогенных твердых веществах (бурый уголь и антрацит). изучение динамического поведения распространения пузырьков и дальнейшее наблюдение закономерностей эволюции морфологии границы раздела газ-жидкость. (Подробнее см. «Исследование динамического поведения процесса распространения пузырьков на основе высокоскоростной динамики»).
2. Экспериментальный метод
Чтобы точно наблюдать процесс динамического распространения отдельного пузырька на твердой поверхности, исследовательская группа создала экспериментальную систему визуализации, как показано на изображении 1. Эта система состоит из резервуара для наблюдения, генератора пузырьков, высокоскоростного получения изображений и источник света. Часть получения изображения состоит из высокоскоростной камеры Revealer, подключенной к компьютеру.
Изображение 1. Принципиальная схема экспериментальной системы.
Отрегулируйте микроинъекционный насос для медленного образования пузырьков со скоростью 1 мкл/мин и постарайтесь сохранить первоначальную форму и размер распространяющегося пузыря, контролируя расстояние между кончиком иглы и твердой поверхностью. Когда пузырь вот-вот коснется твердой поверхности, прекратите впрыск газа. После контакта пузыря с твердой поверхностью он самопроизвольно распространяется. Весь процесс распространения пузырьков фиксируется высокоскоростной камерой со скоростью съемки 9200 кадров в секунду, и каждый эксперимент повторяется трижды. Используйте программное обеспечение для количественной обработки изображений, снятых высокоскоростной камерой, для получения таких параметров, как длина L трехфазной линии распространения пузырька по твердой поверхности, максимальная ширина W и соответствующее ей положение H.
3.Экспериментальный анализ
1/3. Процесс прилипания и распространения пузырьков
После прекращения впрыска газа пузырек на конце иглы из нержавеющей стали в резервуаре для воды медленно контактирует с твердой подложкой по инерции, после чего происходит растекание. На рис. 2 показан процесс контакта и распространения пузырьков на различных твердых поверхностях, где красная и зеленая линии представляют собой базовую линию твердой поверхности и линию соединения геометрического центра пузырька соответственно. После того как пузырек приближается к твердой поверхности, он сначала подвергается процессу оттока жидкости. Когда пленка жидкости между пузырьком и твердым телом разрывается, сразу начинается трехфазный процесс расширения линии. Момент, когда пузырек начинает распространяться по твердой поверхности, выбран t=0 мс. На изображении 2 видно, что пузырьки на подложках из тефлона, нержавеющей стали, акрила и стекла распространяются на большую площадь за очень короткое время, а затем скорость распространения становится медленной, пока не стабилизируется.
Изображение 2. Динамический процесс распространения пузырьков на различных твердых поверхностях.
На изображении 2 (ad) можно наблюдать, что по мере того, как пузырек распространяется по однородной твердой поверхности, в течение t = 0 ~ 15 мс трехфазная линия контакта быстро расширяется, эта стадия известна как фаза быстрого распространения. Впоследствии движение трехфазной линии контакта становится медленным до максимального расширения, стадии, называемой фазой медленного расширения. Из рисунка 2(ef) видно, что по сравнению с вышеупомянутыми четырьмя однородными образцами поверхность образца угля демонстрирует меньшую длину растекания трехфазной линии и значительно большее время растекания, чем другие образцы. Из зеленых пунктирных линий на рисунке 2(af) ясно, что положение геометрического центра пузырька на однородной твердой поверхности постепенно перемещается вверх по мере расширения трехфазной линии, а форма пузыря меняется от изначально сферической. приближение к эллипсоидной форме с усеченным верхним концом. Для гетерогенных материалов, таких как бурый уголь и антрацит, наблюдается небольшое колебание геометрического положения центра пузыря, но общая форма пузыря остается приблизительно сферической.
2/3. Динамика распространения пузырей
Когда пленка жидкости между пузырьком и твердой поверхностью истончается и разрывается, начинает формироваться трехфазная линия контакта. Из-за дисбаланса межфазного натяжения трехфазная линия контакта постоянно расширяется наружу, что приводит к явлениям растекания газовой фазы и вытеснения твердой фазы жидкостью. Чем длиннее линия трехфазного контакта, тем сильнее способность твердой поверхности вытеснять жидкость из пузырька. Эволюция длины распространения L пузырьков на различных однородных твердых поверхностях с течением времени показана на рисунке 3.
Изображение 3. Эволюция длины трехфазной линии (L) на однородной твердой поверхности с течением времени (t), на вставке показан график двойного логарифма.
На изображении выше видно, что процесс движения трехфазной линии включает в себя две стадии: ① Стадия быстрого распространения (t≤15 мс), когда процесс распространения пузырьков по различным твердым поверхностям демонстрирует универсальное самоподобное поведение. , что означает, что трехфазная линия контакта расширяется на большую длину за очень короткое время после разрыва пленки жидкости, и этот процесс не зависит от начальных условий твердой поверхности; ② Стадия медленного распространения (t>15 мс), когда из-за различий в физических и химических свойствах, таких как морфология, химический состав, микроструктура и смачиваемость твердой поверхности, процесс распространения пузырьков имеет свои особенности. Конечная длина распространения трехфазной линии находится в следующем порядке: Тефлон > Нержавеющая сталь > Оргстекло > Стекло.
Изображение 4. Изменение длины трехфазной линии (L) на поверхностях бурого угля и антрацита с течением времени (t), на вставке показан график двойного логарифма.
Эволюция длины трехфазной линии L на поверхности бурого угля и антрацита с течением времени показана на рисунке 4. Кривая эволюции длины трехфазной линии на поверхности бурого угля показывает существенные различия по сравнению с однородными твердыми телами, в то время как эволюция длины трехфазной линии на поверхности бурого угля показывает существенные различия по сравнению с однородными твердыми телами. Характер длины трехфазной линии на поверхности антрацита ближе к однородному твердому телу. Конечная длина трехфазной линии пузырьков, равномерно распространяющихся по поверхности бурого угля и антрацита, примерно на 50% короче, чем в среднем для однородных твердых тел. После нескольких повторных экспериментов движение трехфазной линии на поверхности бурого угля демонстрирует множественные флуктуационные характеристики. Это указывает на то, что время распространения пузырьков на поверхности бурого угля и антрацита как минимум на два порядка больше, чем на поверхности однородных твердых тел, а пузырьки на поверхности бурого угля обладают большей летучестью в фазе медленного распространения.
Изображение 5. Различные видимые углы контакта твердой поверхности
Как показано на рисунке 5, видимые углы контакта на твердых поверхностях следующие: Тефлон > Антрацит > Нержавеющая сталь > Оргстекло > Стекло > Лигнит. Углы контакта капель жидкости на четырех однородных твердых поверхностях следуют той же схеме, что и длина растекания трехфазных линий, а углы смачивания гетерогенных бурого угля и антрацита также соответствуют длинам растекания их трехфазных линий. Это указывает на то, что смачиваемость является важным фактором, влияющим на процесс распространения пузырьков по твердым поверхностям.
Смачиваемость поверхности твердого тела определяется его микроскопической морфологией и химическим составом. Как показано на изображении 6(а), на гладкой и однородной твердой поверхности пузырек сначала вытесняет пленку жидкости между газом и твердым телом, а после разрыва пленки жидкости линия трехфазного контакта постепенно расширяется симметрично наружу до тех пор, пока процесс распространения заканчивается.
Неоднородные твердые поверхности, такие как бурый уголь и антрацит, шероховатые и потрескавшиеся, а при погружении в воду на поверхности или внутри пор остаются пузырьки микро- и наноразмера, как показано на изображении 6(b). Поскольку пленка жидкости между пузырьком и поверхностью образца угля постоянно утончается, пузырек может сливаться с более мелкими пузырьками на поверхности или трескаться, влияя на движение трехфазной линии. Это также могло быть причиной упомянутого ранее небольшого увеличения площади пузырьков на поверхности бурого угля. Кроме того, смесь органических и неорганических веществ на поверхности образца угля приводит к образованию различных гидрофильных/гидрофобных участков, а неровный рельеф поверхности вызывает неоднородную шероховатость, что приводит к эффектам закрепления при движении трехфазной линии, приводящим к асимметричным движение. Таким образом, можно сделать вывод, что совместные эффекты закрепления на поверхности образца угля и слияния пузырьков существенно отличаются от закономерностей движения трехфазной линии на однородной твердой поверхности.
3/3. Деформация границы раздела газ-жидкость в процессе растекания
Изображение 7. Изменение максимальной ширины (W) пузырьков и соответствующих положений (H) в процессе распространения.
По мере расширения трехфазной линии будут меняться как контур, так и геометрический центр пузырька, в первую очередь за счет взаимодействия газовой и жидкой фаз. Максимальная ширина W пузырька, распространяющегося по однородной твердой поверхности, динамически меняется со временем, как показано на рисунке 7 (а). Когда пузырек начинает быстро распространяться по твердой поверхности, максимальная ширина W внезапно уменьшается. На изображении 7(а) после того, как пузырек начинает расширяться, можно наблюдать очевидную вогнутую область, что соответствует быстрому увеличению длины трехфазной линии во время расширения. После того, как W достигает своей нижней точки, процесс быстрого распространения заканчивается, за которым следует стадия медленного распространения. На стадии медленного распространения максимальная ширина W постепенно увеличивается до стабильного значения. На стеклянных и акриловых поверхностях W быстро достигает равновесия, и окончательное изменение W невелико, тогда как на поверхностях из тефлона и нержавеющей стали W требуется больше времени, чтобы достичь равновесия, и окончательное изменение W больше. Эволюция максимальной ширины W пузырька указывает на перемещение трехфазной линии с перераспределением жидкости внутри пузырька.
Эволюция максимальной ширины W пузырьков во время процесса динамического распространения бурого угля и антрацита показана на рисунке 7 (b). Максимальная ширина W пузырьков на поверхности образца угля в процессе обезвоживания колеблется, но в целом имеет тенденцию к увеличению. Это может быть связано с химической структурой и микроморфологией поверхности твердого тела. Чем ниже марка угля, тем больше шероховатость поверхности, а при погружении в воду больше микронаноразмерных пузырьков в поверхностных канавках и газов, адсорбированных в порах. Когда поверхностные микронаноразмерные пузырьки сливаются с растекающимися пузырьками, это может увеличить объем пузырьков, тем самым влияя на их ширину. Таким образом, неоднородность физической или химической структуры поверхности угля вызывает нестабильность в самой широкой части пузырьков при движении трехфазной линии.
В процессе расширения трехфазной линии максимальная ширина W отражает латеральные характеристики пузырька. Чтобы изучить продольные характеристики пузыря, положение H пузыря определяется как расстояние между точкой максимальной ширины и сплошной базовой линией. Для однородных твердых тел положение H пузырька резко уменьшается со временем, а затем постепенно снижается до стабильного значения, что согласуется с характером изменения длины трехфазной линии L и максимальной ширины W пузырька. На поверхностях бурого угля и антрацита изменения положения пузырьков H с течением времени менее выражены, обычно демонстрируя плавное медленное снижение с небольшой амплитудой. Как показано на изображении 8, извлекая линию контура пузырька с помощью программного обеспечения, можно интуитивно заметить, что по мере расширения трехфазной линии позиция H пузырька постепенно перемещается вверх к твердой поверхности, с наибольшим движением вверх на тефлоне. и поверхности из нержавеющей стали, и меньше всего на поверхности из бурого угля и антрацита.
Взаимодействие на границе раздела газ-жидкость меняется по мере расширения трехфазной линии, что тесно связано со смачивающими свойствами поверхности твердого тела. Чем сильнее гидрофобность поверхности твердого тела, тем устойчивее гидратная пленка, тем больше ее способность к расширению, тем дальше смещается пленка жидкости, следовательно, тем дольше расплывание трехфазной линии и тем больше деформация газообразной фазы. жидкостный интерфейс. Однако неоднородные твердые поверхности имеют разные гидрофильные и гидрофобные участки и значительные локальные микроструктурные различия, что приводит к сложным закономерностям в движении их трехфазных линий и эволюции границы раздела газ-жидкость.
4. Экспериментальные выводы.
(1) В процессе распространения пузырьков трехфазная линия в основном претерпевает фазы быстрого и медленного распространения. Фаза быстрого распространения демонстрирует самоподобные характеристики поведения, тогда как медленная фаза находится под влиянием таких свойств, как морфология твердой поверхности, химический состав, микроструктура и смачиваемость.
(2) Смачиваемость твердой поверхности является важным фактором, влияющим на поведение пузырьков при распространении. Неравномерная смачиваемость поверхностей образцов угля является основной причиной того, что их поведение при растекании пузырьков существенно отличается от поведения гомогенных твердых веществ. Длина растекания трехфазных линий на поверхности образцов угля примерно на 501ТР3Т короче, чем на однородных твердых телах, а время растекания как минимум на два порядка больше.
(3) Для однородных твердых поверхностей фаза быстрого распространения трехфазной линии подчиняется степенной модели с показателем степени b = 1/2, в которой преобладают поверхностное натяжение и силы инерции; Фаза медленного распространения подчиняется степенной модели с показателем степени b = 1/10, в которой преобладают силы поверхностного натяжения и вязкости. Для поверхностей образцов угля фаза быстрого распространения трехфазной линии также соответствует степенной модели с показателем степени b=1/2.
(4) При расширении трехфазной линии взаимодействие газовой и жидкой фаз вызывает изменение границы раздела газ-жидкость, особенно на однородных твердых поверхностях. Поверхность образца угля из-за физической или химической структурной неоднородности вызывает эффекты интеграции газа и закрепления, вызывая мелкомасштабные колебания на границе раздела газ-жидкость.
5. Вывод
В этом эксперименте использовалась высокоскоростная камера для визуализации процесса распространения пузырьков, изучения влияния свойств твердой поверхности на поведение пузырьков, исследования механизма движения трехфазной линии и правил развития морфологии границы раздела газ-жидкость. Это закладывает теоретическую основу для более глубокого понимания процессов адгезии частиц и пузырьков и стабильности структур раздела хлопьев частиц и пузырьков.
