典型水文条件对气泡运动的影响规律研究

刘文鹏

（91404部队，河北 秦皇岛 066001）

气泡上浮运动过程广泛存在于海洋能源与环境、化学工业等众多领域[1-3]，其中存在温差的气泡在上浮过程中会与液体发生非等温传质传热过程，该过程将影响气泡的运动形态与结构等参数。近年来，国内外许多学者对气泡与液体间的传质传热进行了研究，但由于气泡上浮过程较为复杂，多数研究未能综合考虑运动和传质传热这两个因素[4-5]。为此，本文基于气泡受力和半径变化情况，结合气泡边界层的传质和传热方程，构建了气泡运动与传质传热过程的耦合运动模型；同时气泡运动过程将受到海水物性参数的影响，通过建立海洋水文条件与海水物性参数的关系，进而利用MATLAB仿真分析了不同盐度、水温、海浪条件下的气泡运动过程。

1 气泡运动模型的建立与解算

为建立完整的气泡运动模型，需对其所处环境和受力进行简化：（1）气泡始终为球形；（2）气泡只发生体积变化而不发生形变；（3）只研究单个气泡的受力和运动过程，忽略和浮力相差几个数量级的微小力，如Magnus升力等[6]；（4）气泡在海浪场中作为质点处理[7]。

根据以上假设，建立x-z平面直角坐标系，x轴正方向为海浪水平运动方向，z轴正方向为浮力正方向，坐标原点位于海面。由此，可对单个气泡在水中的受力和运动情况进行分析，其中，rb为气泡半径，m；ρl、ρb分别为海水密度和气泡内气体密度，kg/m3；ul、ub分别为海水流速和气泡运动速度，ul=（ulx，ulz），ub=（ubx，ubz），m/s；单位方向向量ax=（1，0），az=（0，1）。

1.1 运动微分方程的建立

影响气泡运动的力主要有以下几种：惯性力、重力、浮力、阻力、虚假质量力和Basset力，气泡的运动方程如下[8]：