[发明专利]一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法

说明书

本发明公开了一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法。本发明中尾翼由主翼以及气泡附着侧翼组成，两者之间的夹角为θ；气泡附着于侧翼后，带动尾翼一起沿一定角度斜向上运动，通过控制气泡直径、尾翼形状、尾翼材质、尾翼展弦比k以及夹角θ的不同来调控气泡上升运动轨迹形态和上升速度。本发明中涉及的尾翼制作简便，成本低廉，在实际应用中无需外部能源输入，仅依靠气泡自身的浮力以及侧翼涂层的壁面粘附力，再通过尾翼操控可实现气泡大幅度的自发横向迁移以及上升速度的控制；不同于超疏水平面与丝轨道，通过尾翼操控气泡输运一定程度上保留了气泡的自由度。

技术领域

本发明涉及多相流以及水动力学领域，具体涉及利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法。

背景技术

对在液态流体中气泡的操控于矿物泡沫浮选、鼓泡反应器、污水处理、水力减阻、微流体力学、微型反应堆技术和生物细胞孵化有重要作用。例如在泡沫浮选中，气泡在液相中停留时间和运动历程越长对矿物质附着和浮选越有利；相反在微流控和热交换系统中则需要气泡更快离开液相。利用气泡技术研制的气泡船，多数采用滑行舰艇行，是高性能船型的一种，在运动船舶的船体外表面和水之间，引入空气和排气形成气膜，可以大幅减少运动船舶总阻力。由此可以看出对气泡运动的精准操控对上述诸多工业问题来说非常重要。控制了气泡的运动轨迹就能控制化学反应的位置，反应的速度，提高污水处理的效率等，所以如何控制气泡的运动轨迹成为了这些领域中的关键。

在静止液态流体中，气泡自由上升时轨迹有直线、之字形和螺旋型三种情况，之字形与螺旋型轨迹具有小幅度的周期性左右振荡，气泡的横向迁移幅度较小且速度不稳定，导致气泡的运动范围并不大。

目前为了满足稳定控制气泡的运动轨迹，已有在平面上、丝上制作超亲气轨道来控制气泡上升的研究，但是利用平面以及丝轨道很大程度上限制了气泡运动的自由度，所以在控制气泡运动轨迹的同时，实现气泡自发输运显得尤为重要。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种控制气泡定向输运同时保证气泡上升拥有较大自由度的方法，即利用尾翼控制气泡的运动轨迹与速度。

一种利用尾翼操控气泡自由上升轨迹和速度的方法，具体是：

所述的尾翼由主翼以及气泡附着侧翼组成，两者之间的夹角为θ；气泡附着于侧翼后，带动尾翼一起沿一定角度斜向上运动，通过控制气泡直径、尾翼形状、尾翼材质、尾翼展弦比k以及夹角θ的不同来调控气泡上升运动轨迹形态和上升速度。

与现有技术相比较，本发明的有益效果为：

(1) 本发明中涉及的尾翼制作简便，成本低廉，在实际应用中无需外部能源输入，仅依靠气泡自身的浮力以及侧翼涂层的壁面粘附力，再通过尾翼操控可实现气泡大幅度的自发横向迁移以及上升速度的控制；不同于超疏水平面与丝轨道，通过尾翼操控气泡输运一定程度上保留了气泡的自由度。

(2) 本发明中仅需尾翼即可实现对气泡的控制，适用性强，使用简单。在工程应用中可在尾翼上加装吸附指定物质的特殊设计，将大量该种尾翼投入需要浮选的水域，可通过气泡在不同形状与夹角的尾翼操控下上升轨迹不同的特点对不同物质进行浮选；尾翼可重复使用，节约成本以及人工费用。

（3）本发明的尾翼操控气泡方法在携带生物大分子、污水处理、微塑料处理方面应用前景广泛。

附图说明

图1为尾翼夹角θ、尾翼展弦比k (k = a/b)示意图；