颗粒击穿气泡时气泡的变形和破裂

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.06.007

摘要/Abstract

摘要：

通过高速摄像机拍摄研究了颗粒击穿半球气泡破碎的演变过程.观察并分析了气泡成型后边缘再生和对流情况、受到颗粒击穿时气泡破碎的概率、以及成孔后的气泡破碎行为.通过量纲分析以及实验研究发现，气泡破碎概率是雷诺数和韦伯数的函数，概率 $P = 1.08 ? R e 0.5 W e 0.25 0.664$ ，且当 $R e 0.5 W e 0.25 > 1 ? 020$ 时，概率升至100%，气泡破碎形成的不稳定性射流数量是奥内佐格数Oh的函数.气泡液膜的卷曲速度随溶液浓度提高而升高，气泡液厚度随浓度提高而减小.

关键词: 气泡边缘再生, 气泡液膜厚度, 气泡破裂, 气泡液膜边缘收缩速度, 膜液滴

Abstract:

The evolution of the particle?induced hemispherical bubble bursting process is invistigated using high?speed camera filming. The edge regeneration and convection after bubble formation， the probability of bubble bursting when subjected to particle penetration， and the bubble bursting behavior after hole formation are observed and analyzed. Through dimensional analysis and experimental research， it is found that the probability of bubble breaking probability is a function of Reynolds number and Weber number. The probability is given by $? P = 1.08 ? R e 0.5 W e 0.25 0.664$ ， and the probability is reaches to 100% when $R e 0.5 W e 0.25$ >1 020. The number of ligaments formed by bubble bursting is a function of the Oh number. The rim receding velocity of the bubble liquid film increases with the concentration of the solution increases and the film thickness decreases with the concentration increases.

Key words: bubble marginal regeneration, bubble liquid film thickness, bubble bursting, the rim receding velocity of bubble liquid film, film droplets

中图分类号:

O 351.2

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图/表 14

图1 实验设备

Fig.1 Experimental equipment

表1 实验溶液代号与物理参数

Table 1 Experimental solution codes and physical parameters

溶液代号	水∶丙二醇∶十二烷基硫酸钠	密度/（kg·m^-3）	黏度/（mPa·s）	表面张力/（N·m^-1）
N_33	322∶10∶1	1 008.3	1.092	0.044 93
N_50	211∶10∶1	1 012.5	1.165	0.042 89
N_100	100∶10∶1	1 025.0	1.323	0.040 85

表2 实验方案

Table 2 Experimental scheme

溶液代号	颗粒直径	气泡直径	颗粒直径/气泡直径	颗粒下落高度/mm（颗粒撞击速度/（m·s^-1））
溶液代号	mm	mm	颗粒直径/气泡直径	颗粒下落高度/mm（颗粒撞击速度/（m·s^-1））
N_33/50/100	6	34	0.176	200（1.98）/400（2.8）
N_33/50/100	8	34	0.235	200（1.98）/400（2.8）
N_33/50/100	10	34	0.294	200（1.98）/400（2.8）

图2 液膜收缩速度处理流程

Fig.2 Liquid film shrinkage speed processing flow

图3 气泡破裂过程液膜孔洞扩张边缘取值

Fig.3 Values of the expansion edge of the liquid film hole during bubble bursting

图4 气泡排水阶段

Fig.4 Bubble drainage stage

图5 N_33溶液气泡破碎后边缘收缩速度随时间变化(图中代号每一部分分别代表溶液代号_颗粒下落高度(mm)_颗粒直径(mm))

Fig.5 Variation of edge retraction velocity with time after bubble bursting of N_33 solution

图6 破碎与非破碎情况对比（a）—颗粒刚接触气泡表面气泡破裂；（b）—颗粒在接触气泡形成悬链面后气泡破裂；（c）—气泡不破碎.

Fig.6 Comparison of bursting and non?bursting situation

图7 破碎概率随雷诺数与韦伯数变化

Fig.7 Variation of bursting probability with Reynolds number and Weber number

图8 第1帧破碎速度与奥内佐格数关系

Fig.8 First frame bursting velocity versus Ornezog number

图9 平均稳态液膜收缩速度（a）（b）—颗粒下落高度200 mm的实验数据与误差棒图；（c）（d）—颗粒下落高度400 mm的实验数据与误差棒图.

Fig.9 Average steady?state liquid film retraction velocity

图10 使用Taylor-Culick公式厚度计算（a）（b）—颗粒下落高度200 mm的实验数据与误差棒图；（c）（d）—颗粒下落高度400 mm的实验数据与误差棒图.

Fig.10 Thickness was calculated using the Taylor-Culick formula

图11 气泡破碎后随时间变化

Fig.11 Variation with time after bubble bursting

图12 Oh与射流个数关系（a）—下降高度200 mm；（b）—下降高度400 mm.

Fig.12 Oh versus number of jets

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