[发明专利]一种利用超亲气丝轨道控制液体中气泡上升的方法

说明书

本发明涉及一种利用超亲气丝轨道控制液体中气泡上升的方法。发明是将超亲气丝轨道通过轨道支座固定安装在液体中，丝轨道表面会均匀覆盖一层微米级的气膜，当液体中的气泡与丝轨道靠近并最终接触时，丝轨道与气泡之间的液膜会发生破裂，并由此吸附气泡，气泡在浮力和丝轨道粘附力的共同作用下开始发生滑移；气泡直径与丝轨道直径比值k的不同可以调控气泡上升运动模式和上升速度。本发明通过调整丝轨道直径及其浸润性实现对气泡上浮形态、轨迹与速度的控制，且所受控制的气泡与丝轨道的接触线为圆环状，比表面积几乎没有衰减，增加了物理/化学反应的接触面积，提高了传质传热效率。

技术领域

本发明涉及多相流技术和水动力技术领域，具体涉及利用超亲气丝轨道控制液态流体中气泡上浮时形态、轨迹和速度的方法。

背景技术

气泡在自由上升过程中会受到浮力、重力等力的作用，这些力使气泡在液体运动过程中发生形变，扰动流场，流场的改变会反作用于气泡，导致气泡在液体中的上升轨迹难以控制。

气泡被广泛应用于石油化工、能源、船舶制作、污水处理等工程设备和技术领域，液态流体中上升气泡的体积大小在矿物泡沫浮选、鼓泡反应器、污水处理、水力减阻和细胞孵化等过程中都起着重要的作用。泡沫浮选时，气泡在液相中停留时间越长，比表面积越大对矿物浮选越有利；相反在微流控和热交换系统中则需要气泡更快离开。在鼓泡反应器中，若分布均匀的气泡，兼具较大速度及比表面积则能够极大地提高鼓泡反应器的反应效率。污水处理中可以通过控制气泡的运动轨迹及气泡的上升速度从而加快污水中微颗粒物的凝结。综上，气泡运动精准操控对上述诸多工业过程而言非常重要，如何确保气泡有大的比表面积的同时控制气泡运动轨迹和速度则成了关键。

虽然可以通过在平面上制作超疏水轨道来控制气泡，但是这种方法控制的气泡与超疏水轨道接触面积大，减小了气泡的比表面积，一定程度上限制了气泡在流体环境中的反应效率。所以如何在控制气泡输运的同时保证气泡拥有较大的比表面积显得尤为重要，另外平面轨道很大程度上限制了气泡运动的自由度，使其传质传热空间自由度受到一定影响。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种控制气泡输运的同时保证气泡拥有较大的比表面积方法，利用超亲气丝轨道在确保气泡有较大的比表面积同时控制气泡的定向、定型输运。

本发明是将超亲气丝轨道通过轨道支座固定安装在液体中，由于轨道的超亲气性，当以合适的速度将丝轨道放置于液体中时，丝轨道表面会均匀覆盖一层微米级的气膜，当液体中的气泡与丝轨道靠近并最终接触时，丝轨道与气泡之间的液膜会发生破裂，并由此吸附气泡，气泡在浮力和丝轨道粘附力的共同作用下开始发生滑移；同时由于气泡与丝轨道的接触线为圆环状，确保了气泡的比表面积几乎没有衰减，并随着气泡直径与丝轨道直径比值k的不同可以调控气泡上升运动模式和上升速度。

所述的k为3～9时，气泡为小变形的球状气泡，在超亲气丝轨道上螺旋上升，此时气泡的速度为0.15～0.30m/s小于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。

所述的k为1.6～3时，气泡为大变形不规则形状气泡，沿超亲气丝轨道旋转上升，速度为0.27～0.32m/s近似于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。

所述的k为1～1.6时，气泡为类橄榄球状气泡，在超亲气丝轨道上双向震荡上升，气泡的速度为0.34～0.37m/s大于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。

所述的k为0.2～1时，气泡在超亲气丝轨道上某一侧小幅度旋转上升，气泡的速度为0.34～0.45m/s大于气泡自由上升的速度0.23～0.33m/s。

所述气泡的等效直径d_eq为1mm～5mm。

所述超亲气丝轨道直径D为0.5mm～5mm。

所述气泡直径与丝轨道直径比值k为0.2～9。