表面活性剂溶液中同轴上升双气泡的碰撞行为

摘要

气泡碰撞是气泡流领域的重要科学问题之一．微量的表面活性剂会引起气泡运动行为的显著变化，然而其对气泡-气泡碰撞行为的影响规律却鲜见报道．本研究使用高速摄像观测同轴上升双气泡（N₂气泡，直径均为4.2 mm）在十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶液中的自由上升过程，利用虚拟双目立体视觉系统和气泡三维重构代码精确获取气泡上升过程中的特征参数．实验结果表明，CTAB溶液中气泡的碰撞频率显著高于超纯水，且随CTAB溶液浓度升高而升高．根据实验结果，对气泡碰撞频率与CTAB浓度的关系进行了拟合，得到了关于碰撞频率的经验关联式．实验还观察到两变形气泡碰撞后出现聚并、推动、并排和超越4种现象．统计了上述4种现象在CTAB溶液中出现的频率．进一步对运动行为进行相关性分析，根据滞帽模型的描述，表面活性剂分子在气泡表面的积累抑制了气泡运动在水平方向上的振荡，导致水平方向气泡运动距离大幅变小，从而使得气泡碰撞频率提高，碰撞频率最高可达0.83，远高于超纯水中的0.13．本研究揭示了表面活性剂溶液中两气泡碰撞的新现象，并探讨了碰撞机理，得到了影响气泡碰撞频率的主要因素之一——气泡之间的水平距离，并从单气泡流场分布的角度进行了初步的理论分析.

关键词

气泡 / 气液两相流 / 气泡碰撞 / 表面活性剂 / 气泡聚并 / 表面污染