[发明专利]一种水体中气泡沿直线上浮的控制方法

说明书

本发明公开了一种水体中气泡沿直线上浮的控制方法。本发明在平行于重力方向的平面内，布置具有一定倾角的直线超疏水轨道，除了超疏水轨道区域，其它平面区域为非疏水表面，当水体浸没超疏水轨道后，气泡在自身浮力或向上曳力的作用下触碰超疏水轨道时，气泡在直线超疏水轨道上迅速铺展，并被稳定吸附在直线超疏水轨道上，在流体曳力和浮力的作用下沿直线超疏水轨道做直线运动，同等气泡直径下，通过改变轨道的宽度、倾角可调节气泡沿轨道直线上升的速度；同等宽度轨道下，改变气泡大小同样可调节气泡的上升速度。本发明无能量输入，仅依靠气泡自身浮力，所受曳力及壁面黏附力等因素作用，实现对气泡上浮轨迹与速度的控制。

技术领域

本发明涉及水或水溶液中气泡直线运动轨迹的控制，简单来说就是控制气泡在水中上浮的速度及直线上浮轨迹，属于多相流和节能技术领域。

背景技术

气泡在液体中的运动是气液两相流中的典型问题,气液两相流动是多相流研究中的一个重要方向，气泡在液体中运动时会受到浮力，重力等力的作用，这些力使气泡在液体中发生运动，扰动流场，而流场又反作用于气泡，气泡受流场扰动的作用，使之在液体中的运动非常复杂，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操控对矿物泡沫浮选、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而言至关重要。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。若气泡上升过程中均匀分布，兼具较大速度及比表面积则能够充分释放鼓泡反应器的反应效率，在精细化工领域，气泡可以作为催化剂控制化学反应的速率，同时气泡也可以作为催化剂的载体，通过控制气泡的运动轨迹以达到控制化学反应发生位置的目的。在石油化工工艺中，发泡是一种普遍现象，例如原油蒸馏、焦化、丙烷脱沥青等都伴随则发泡问题，发泡会造成处理链的减少，装置运行不正常或产品不合格，所以如何消除其中的气泡成为了解决发泡现象的重中之重。而在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。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。

发明内容

针对鼓泡反应器、矿物泡沫浮选、污水处理等工业生产中，水体中的气泡在一定Re数范围内，因为重力、浮力、曳力等因素的影响，其自由上升轨迹呈螺旋型，甚至于出现弹跳现象，其气泡轨迹都是非直线，上升速度难以控制，本发明提出一种可以有效控制水体中气泡沿直线上浮及其上浮速度的方法。

为了实现上述目的，实现人为的控制气泡沿直线上浮及气泡上浮的速度，本发明的技术方案是：在平行于重力方向的平面内，布置具有一定倾角的直线超疏水轨道，除了超疏水轨道区域，其它平面区域为非疏水表面，当水体浸没超疏水轨道后，气泡在自身浮力或向上曳力的作用下触碰超疏水轨道时，由于超疏水轨道的超亲气性，气泡在直线超疏水轨道上迅速铺展，并被稳定吸附在直线超疏水轨道上，在流体曳力和浮力的作用下沿直线超疏水轨道做直线运动，同等气泡直径D下，通过改变轨道的宽度W、倾角α可以有效调节气泡沿轨道直线上升的速度，同等宽度轨道下，改变气泡大小同样可以调节气泡的上升速度。

所述气泡为任意气泡。

所述超疏水轨道宽度W为0.1～5D。

所述的轨道倾角为0～90°。

所述的超疏水轨道其水滴水平接触角为150～180°。

所述的超疏水基底壁面可以为玻璃、金属、亚克力及其它亲水工程材料。

所述的超疏水轨道厚度小于0.1mm。

所述的流体可以为牛顿或者非牛顿流体。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：