应用探析|高速摄像技术在石油基液体中气泡动力学及传质特性实验研究中的应用

1 研究背景

与水基溶液相比，石油基液体具有更低的表面张力和更高的粘度，其气泡动力学和传质特性存在显著差异。对石油基液体中气泡动力学和传质特性研究有助于了解并改良石油基聚合物工业装置的设计。

广西大学化学化工学院研究人员结合基于高速摄像技术的可视化实验方法，观测了气泡形成过程，并对上升气泡进行受力分析，提出适用于石油基液体的新阻力系数，并用实验方法验证。

2 可视化实验设备和仪器

1）空气瓶2）减压阀3）光源4）转捩流量计5）止回阀6）亚克力透明方形水箱，尺寸250×250×400mm 7）溶解氧测量仪8）止回阀9）氮气流量计10）千眼狼高速摄像机（Revealer）11）溶解氧测量仪12）计算机13）减压阀14）氮气瓶

其他实验器材还有：15）不同浓度的环己烷石油树脂溶液作为液相 16）石油密度计，用于测量液相密度 17）旋转粘度计测量液相粘度 18）表面张力计测量液相的表面张力。

图1 可视化实验装置示意图

3 高速摄像可视化实验

1）准备五份质量分数分别为0%，5%，15%，25%，35% 环己烷石油树脂溶液CRPS，具体物理性质如表1。

表1 5种液相溶液的物理性质

2）利用不同内径的喷嘴，调节转捩流量计，对5种粘度的液体分别进行不同气体流速的实验，吹出不同流动状态的气泡。

3）采用千眼狼高速摄像机，以500帧/秒的速度捕获喷嘴产生气泡到气泡上升的瞬态原始图像（如图2a），并使用数字图像处理技术图像相减法去除气泡背景（如图2b），同时使用小波滤波和图像二值化方法过滤图像噪声，并通过Canny算法获取气泡轮廓（如图2c），最后对气泡进行填充（如图2d），针对成对相连的气泡，使用图像分割法提取气泡信息（如图2e）。

图2 捕获的原始气泡图像和处理图像

4）进一步通过计算填充像素面积确定气泡面积，并推导出气泡等效直径。再通过Δt内两幅连续图像中气泡的质心坐标计算出每个气泡的水平速度和垂直速度。

5）采用动态吸氧法进行传质测量，通过千眼狼高速摄像机获得了气泡大小，监测和记录溶解氧浓度的变化，计算气-液质量传递系数。

4 可视化实验部分研究结果

1）气体流速的变化会导致气泡之间的相互作用进而引起气泡流动状态的差异，如图3所示。

2）低气体流速下，50ml/min，气泡以周期性和规律的方式独立在喷嘴处产生，不受相邻气泡相互作用的影响，称之为单泡冒泡，如图3a所示。

3）随着气体流速增加到150ml/min，气泡产生逐渐增大，产生周期逐渐减小，相邻气泡之间的相互作用增强，前一个气泡与喷嘴分离后产生的尾迹会导致下一个气泡加速形成，下一个气泡分离后会与之前气泡一起上升，形成成对冒泡，如图3b，图3c所示。

4）随着气体流速进一步增加至300ml/min，将促进一组四个气泡上升，被称为分组冒泡，如图3d所示。

5）更高的气体流速1000ml/min, 在之前的气泡产生与喷嘴分离后的尾迹影响下，下一个气泡迅速上升并穿透之前的气泡，然后合并并破裂，形成链状气泡，如图3e所示。

6）当气体流速足够高至2000ml/min，呈喷射状态，拖拽效应下，气泡不断合并和破裂，如图3f所示。

图3 液相中不同流速下的气泡流动状态

5 研究结论

1）气泡流动的状态受气体流速和液体物理性质的影响。随着气体流速的增加，气泡流态会发生变化，不同粘度的溶液中，气泡流态并不一致，随着粘度增加，气泡对从非聚结对变为聚结对。

2）气体流量增加，气泡脱落时间缩短，生成尺寸变大。随着液体粘度增加，气泡生成尺寸减小。

3）粘性和表面张力对气泡形成和上升运动过程有重要影响，通过对实验数据的非线性拟合，得到计算石油基液体中阻力系数的新关联。

4）气体流量增加能够促进传质，液体粘度增加会阻碍传质。

基于高速摄像的可视化实验结果，为理解石油基液体中同轴气泡动力学行为和传质特性提供了实验数据，验证了理论模型，对提高石油采收率和优化工业过程具有重要意义。

研究原文详见广西大学研究团队《Experimental Study on Bubble Dynamics and Mass Transfer Characteristics of Coaxial Bubbles in Petroleum-Based Liquids》

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