張志友, 金良安, 苑志江, 何升陽(yáng)

(海軍大連艦艇學(xué)院 航海系, 遼寧 大連 116018)

不同鹽度下海水表面張力系數(shù)的表征研究

張志友*, 金良安, 苑志江, 何升陽(yáng)

(海軍大連艦艇學(xué)院 航海系, 遼寧 大連 116018)

為研究不同鹽度下海水表面張力系數(shù)的表征，并精簡(jiǎn)其表面張力系數(shù)的測(cè)定手段，根據(jù)氣泡在海水中的受力情況，建立了海水中的氣泡脫離體積及瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度模型。通過(guò)搭建氣體水下排放試驗(yàn)臺(tái)，使用常壓空氣和6種不同鹽度的海水分別作為實(shí)驗(yàn)的氣相和液相，將氣泡劃分為低雷諾數(shù)緩慢上浮及高雷諾數(shù)快速上浮2種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用高速攝影技術(shù)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，通過(guò)MATLAB編程對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行分析處理，測(cè)定氣泡脫離體積及瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入到所建立的模型中，獲得不同鹽度下海水表面張力系數(shù)表征函數(shù)。結(jié)果表示，當(dāng)氣泡在非射流情況下生成及上浮時(shí)，氣泡處于小半徑慢速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，屬于低雷諾數(shù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，海水鹽度與表面張力系數(shù)擬合效果理想，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好，偏離程度不到2%。

氣泡形成；海水鹽度；生成體積；上升速度

0 引 言

表面張力是多相系統(tǒng)的重要界面性質(zhì)，對(duì)泡沫分離、蒸餾、吸附、濕潤(rùn)等過(guò)程存在著重要影響，且廣泛存在于船舶與海洋結(jié)構(gòu)物、能源與環(huán)境以及化學(xué)工業(yè)等眾多領(lǐng)域[1]。海水中氣泡生成及上升運(yùn)動(dòng)過(guò)程均受到海水表面張力作用[2]?，F(xiàn)有的表面張力系數(shù)測(cè)定95%都是在常壓或沸點(diǎn)條件下進(jìn)行的，測(cè)定方法分為動(dòng)力學(xué)法和靜力學(xué)法，動(dòng)力學(xué)測(cè)定方法復(fù)雜，精度低，致使此類測(cè)定方法成功應(yīng)用實(shí)例少[3]，因此實(shí)際多采用靜力學(xué)測(cè)定法。靜力學(xué)測(cè)定法主要有：毛細(xì)管上升法、懸滴法、滴重法、最大氣泡壓力法等。然而當(dāng)前研究方法均存在一定程度的弊端，如：設(shè)備復(fù)雜，操作麻煩，數(shù)據(jù)處理量大且復(fù)雜，不易控制，測(cè)量讀取難等。

海水表面張力系數(shù)會(huì)隨海水鹽度的改變而發(fā)生變化，通過(guò)傳統(tǒng)簡(jiǎn)易方法難以有效測(cè)定，需要引用先進(jìn)的電子及激光技術(shù)提高測(cè)試精度。陳國(guó)華、Mohammed[4]、張鵬[5]等國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別通過(guò)最大泡壓法及拉脫法進(jìn)行海水表面張力系數(shù)測(cè)量。成娟[6]、Trybula[7]對(duì)表面張力系數(shù)與濃度關(guān)系進(jìn)行了研究。但測(cè)定研究方法操作麻煩，數(shù)據(jù)誤差大，難以準(zhǔn)確測(cè)定。而且傳統(tǒng)的方法只能獲取局部小范圍海域或單一站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍海域的研究，不利于宏觀上的把握。

考慮到當(dāng)前液體表面張力測(cè)量方法的弊端，以及建立不同鹽度下海水表面張力系數(shù)表征函數(shù)的重要性，本文首次提出“基于氣泡上浮運(yùn)動(dòng)方程的液體表面張力系數(shù)測(cè)定方法”。該方法的理論基礎(chǔ)是：氣泡流動(dòng)狀態(tài)與氣液物性條件密切相關(guān)，如氣泡在不同鹽度海水中生成、上升等運(yùn)動(dòng)都會(huì)受海水表面張力系數(shù)、密度等物理性質(zhì)影響[8]，因此針對(duì)氣泡在不同鹽度海水中形成和上升過(guò)程展開研究，建立氣泡在不同鹽度海水中脫離體積及上升瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)速度的數(shù)學(xué)模型。搭建氣體水下排放試驗(yàn)臺(tái)，使用空氣和不同鹽度的海水分別作為實(shí)驗(yàn)的氣相和液相，通過(guò)高速攝影技術(shù)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，使用MATLAB編程軟件對(duì)影像優(yōu)化處理，在不同鹽度條件下，測(cè)定氣泡生成體積及上浮速度，代入氣泡運(yùn)動(dòng)模型中，便可推導(dǎo)得到不同鹽度下海水表面張力系數(shù)表征函數(shù)。此函數(shù)未來(lái)可在大范圍海域推廣應(yīng)用，在宏觀上為海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建設(shè)、海洋環(huán)境特征分析等提供科技支撐。

1 理論分析

氣體在液體中排放上升，經(jīng)歷從孔口處至水面的氣泡生成、上浮、破碎或溶解的整個(gè)物理過(guò)程。氣泡形成、上浮是氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程的重要階段，氣泡脫離體積及氣泡上浮速度是2個(gè)重要參數(shù)。氣泡運(yùn)動(dòng)參數(shù)亦將隨液相物性的改變而一定程度發(fā)生變化。

氣泡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受到的液體曳力及氣泡浮力等都與液體性質(zhì)直接相關(guān)。海水粘度、表面張力系數(shù)、密度等物理性質(zhì)都隨鹽度不同而發(fā)生改變。其中海水密度測(cè)定較精準(zhǔn)且容易，海水粘度系數(shù)的量級(jí)很小，改變可忽略，然而表面張力系數(shù)無(wú)法直接通過(guò)熱力學(xué)微分關(guān)系式從狀態(tài)方程導(dǎo)出，測(cè)定也必須通過(guò)高精度儀器測(cè)量。

1.1 單氣泡脫離體積模型建立

氣體在低流量下形成氣泡時(shí)，在液相中會(huì)以單氣泡形式生成。氣泡生長(zhǎng)經(jīng)歷膨脹和脫離過(guò)程，在膨脹階段中，氣泡上部以等于氣泡半徑變化率的速度運(yùn)動(dòng)，底部與噴孔接觸并保持靜止。此時(shí)氣泡所受的主要作用力為：浮力Fv、氣體動(dòng)量力Fm、粘性阻力Fd、表面張力Fσ、壓差力Fp、附加質(zhì)量力Fi。在膨脹階段結(jié)束時(shí)刻，應(yīng)滿足下面的受力平衡方程[9]，

Fv+Fm=Fd+Fi+Fσ

根據(jù)各力的表達(dá)式，并結(jié)合海水物性與鹽度關(guān)系，整理可得膨脹結(jié)束時(shí)刻氣泡體積V1的表達(dá)式為，

式中，ρl、ρg分別是液相和氣相的密度，g是重力加速度，V=qvt=πd3/6是氣泡體積，qv是氣體的體積流量，d是氣泡直徑，u是氣泡中心運(yùn)動(dòng)的速度，σ為表面張力系數(shù)。

CD是氣泡阻力系數(shù)，由下式計(jì)算，

雷諾數(shù)Re=ρlud/μl，以Re=1000為高低雷諾數(shù)分界點(diǎn)[9]，將氣泡劃分為低雷諾數(shù)緩慢上浮及高雷諾數(shù)快速上浮2種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。μl為液體的動(dòng)力粘度系數(shù)。海水粘度系數(shù)的量級(jí)很小，隨鹽度升高而略微上升，基本可忽略。

1.2 氣泡上升速度模型建立

氣泡在上浮過(guò)程中，作用在氣泡表面上的力決定了氣泡形狀及其上浮速度。當(dāng)氣泡體積不變，以某一穩(wěn)定速度上浮時(shí)，其所受的力僅有浮力和液體粘滯阻力[10]，且兩者達(dá)到平衡，氣泡為球形時(shí)，滿足下式：

大氣泡在上浮過(guò)程中尺寸發(fā)生變化，根據(jù)隨之變化的流動(dòng)形態(tài)特征給出函數(shù)CD=f(Re)的具體表達(dá)式，便得到適用于不同氣泡尺度的瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度vb(式中R為氣泡等效半徑)：

由上式可見，氣相、液相物性，排氣氣體流量和排氣孔直徑參數(shù)都將直接影響氣泡的脫離體積以及氣泡的上升速度。氣體的密度遠(yuǎn)小于液體密度，可以忽略。當(dāng)排放流量及孔徑不變時(shí)，液體物理性質(zhì)直接影響氣泡脫離體積及瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)速度。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)研究目的是得出氣體所形成的氣泡在海水中上升過(guò)程的氣泡脫離體積及瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上升速度。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。利用室溫、常壓下的氣體生成氣泡，并調(diào)整液體鹽度，利用圓柱桶依次反復(fù)盛裝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，氣泡上浮測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置使用自然光光源、高速攝影技術(shù)、圖像處理技術(shù)等方法對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。分別在不同鹽度海水液體中，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門，產(chǎn)生不同大小、不同流量的運(yùn)動(dòng)氣泡源。為方便控制氣體流量，注射器由直流電機(jī)推動(dòng)，經(jīng)測(cè)量其可控速度范圍約為2～40ml/s。利用短曝光時(shí)間高速相機(jī)對(duì)不同氣泡源進(jìn)行測(cè)量分析，研究海水鹽度改變對(duì)氣泡脫離體積及上升速度的影響。

在溫度分別為20.3℃、25.1℃，不同鹽度的海水中進(jìn)行氣泡運(yùn)動(dòng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過(guò)調(diào)整海鹽量，選取海水鹽度范圍為15‰～40‰，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 不同鹽度海水物性參數(shù)Table 1 Seawater physical parameters with different salinities

研究氣泡在不同鹽度的海水中的生成體積及上升速度規(guī)律，并分析其影響因素。

實(shí)驗(yàn)步驟如下:

第1步：數(shù)據(jù)采集。將室溫、常壓下的氣體從注射器經(jīng)進(jìn)氣管緩慢注入不同鹽度海水液體中，形成單氣泡上浮運(yùn)動(dòng)，高速攝像機(jī)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行記錄。

第2步：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及圖像篩選。所獲取氣泡運(yùn)動(dòng)影像通過(guò)電腦屏幕展現(xiàn)，逐幀播放并篩選氣泡脫離體積及瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度圖像。圖像的相鄰兩幀間隔時(shí)間內(nèi)，根據(jù)氣泡質(zhì)心上浮高程計(jì)算氣泡瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度[11]。

第3步：數(shù)據(jù)處理。將篩選的氣泡運(yùn)動(dòng)圖像保存為BMP格式，使用MATLAB程序?qū)ζ溥M(jìn)行灰度及二進(jìn)制轉(zhuǎn)化處理。

氣泡從孔口上升一段距離后，受力達(dá)到平衡，速度將穩(wěn)定不變。距離孔口75mm處，氣泡即可達(dá)到穩(wěn)定上升狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)為確保氣泡有足夠上升高度，在300～400mm范圍內(nèi)進(jìn)行速度測(cè)量。

3 海水表面張力系數(shù)表征函數(shù)的建立

對(duì)6種鹽度海水分別進(jìn)行15組重復(fù)實(shí)驗(yàn)，在靜水條件下，分別測(cè)量計(jì)算氣泡脫離體積及瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度。為排除可能由人為因素造成的粗大誤差，淘汰實(shí)驗(yàn)結(jié)果中起伏較大的數(shù)據(jù)，獲得每組實(shí)驗(yàn)中相近的10組數(shù)據(jù)，并求取平均值以減小隨機(jī)誤差。

每組實(shí)驗(yàn)中所采集的圖像，通過(guò)編程，轉(zhuǎn)換成灰度歸一化圖。圖2所示為處理后的氣泡生長(zhǎng)及上浮過(guò)程的典型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)照片。在圖像處理時(shí)需保持氣泡質(zhì)心位置，以降低氣泡脫離體積及瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度的計(jì)算誤差。

以下每組實(shí)驗(yàn)所取圖像數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果誤差率均低于8%，滿足實(shí)驗(yàn)計(jì)算要求。

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)

(1) 氣泡脫離體積

設(shè)置噴口直徑dh=4mm，此時(shí)氣泡在非射流情況下生成，處于小半徑緩慢運(yùn)動(dòng)，為低雷諾數(shù)上浮過(guò)程。實(shí)驗(yàn)時(shí)氣體體積流量為10ml/s。

在不同鹽度海水中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到氣泡脫離體積，如表2所示。

表2 氣泡在不同鹽度海水中的脫離體積Table 2 The variance of bubble departure volume with different seawater salinities

(2) 氣泡上浮速度

不同尺度氣泡的瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上升速度有所差異，因此針對(duì)此種情況，設(shè)定2種排氣狀態(tài)。氣體噴口直徑dh=1mm，氣體體積流量5ml/s，此時(shí)氣泡上浮處于小半徑緩慢運(yùn)動(dòng)，為低雷諾數(shù)上浮過(guò)程。調(diào)整噴口直徑至dh=4mm，氣體體積流量10ml/s，此時(shí)氣泡處于大半徑快速運(yùn)動(dòng)，為高雷諾數(shù)上浮過(guò)程。根據(jù)氣泡瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度模型，以氣泡半徑7mm為分界，在不同鹽度海水液體中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到氣泡瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表3所示。

表3 氣泡在不同鹽度海水中瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度Table 3 The bubble instantaneous velocity change with seawater salinity

3.2 表征函數(shù)建立

(1) 由脫離體積建立函數(shù)

實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的氣泡脫離體積數(shù)據(jù)代入到氣泡體積模型中，輸入實(shí)驗(yàn)所處環(huán)境初值：空氣密度ρl=1.293kg/m3，所處溫度分別為20.3℃，25.1℃。在不同鹽度海水條件下，表面張力系數(shù)如表4所示。

表4 不同鹽度、溫度條件下海水表面張力系數(shù)Table 4 The surface tension coefficient with various salinities and at different temperatures

將溫度T，鹽度s，表面張力系數(shù)σ進(jìn)行多元線性擬合，獲得擬合曲線為：

該模型擬合和方差僅為0.003733，說(shuō)明數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)較成功，擬合效果好。

(2) 由上浮速度建立函數(shù)

將實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的氣泡上升速度代入氣泡速度模型中，輸入實(shí)驗(yàn)所處環(huán)境初值，所處溫度分別為20.3℃及25.1℃，在不同鹽度海水條件下，表面張力系數(shù)如表5所示。

表5 不同鹽度、溫度條件下海水表面張力系數(shù)Table 5 The surface tension coefficient with various salinities and at different temperatures

將溫度T，鹽度s，表面張力系數(shù)σ進(jìn)行多元線性擬合，獲得擬合曲線為：

該模型擬合和方差僅為0.00496，說(shuō)明數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)較成功，擬合效果好。

將溫度T，鹽度s，表面張力系數(shù)σ進(jìn)行多元線性擬合，獲得擬合曲線為：

該模型擬合和方差為0.2214，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)起伏大，數(shù)據(jù)擬合效果不理想。

由3種擬合公式可以看出，非射流情況下氣泡生成及上浮，當(dāng)氣泡處于小半徑、緩慢流動(dòng)、低雷諾數(shù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)，表面張力影響氣泡表面擴(kuò)張及膨脹，繼而影響氣泡脫離體積；而且表面張力會(huì)影響氣泡形狀，使上浮所受阻力及浮力改變，從而影響上浮速度。因此在氣泡脫離及緩慢上浮的2個(gè)階段，表面張力系數(shù)對(duì)氣泡影響作用明顯，使2個(gè)擬合公式基本吻合，效果理想。且擬合和方差小，數(shù)據(jù)與模型偏離程度低。

然而隨著氣泡半徑增大，中高速上浮時(shí)，氣泡處于高雷諾數(shù)上浮狀態(tài)，氣體體積流量的提高會(huì)出現(xiàn)多次氣相聚并，氣泡脫離體積增大，其形狀相應(yīng)變化為橢球形甚至球帽形。此時(shí)氣泡阻力升高，阻力極大地影響了氣泡上升行為，成為粘性阻力控制體系，表面張力對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)影響減弱。因此在此階段，數(shù)據(jù)起伏大，公式擬合效果不夠理想，擬合和方差大，數(shù)據(jù)偏離程度高。因此不同鹽度下海水表面張力系數(shù)的表征函數(shù)建立中，只采用氣泡低雷諾數(shù)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，而且氣泡緩慢上浮過(guò)程降低了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集難度。

將低雷諾數(shù)時(shí)2個(gè)擬合公式數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，獲得不同鹽度下海水表面張力系數(shù)的表征函數(shù)式為：

為驗(yàn)證影響關(guān)系公式正確性，將文獻(xiàn)[12-13]中鹽度為34‰、35‰、37‰下的海水表面張力系數(shù)與本文模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，誤差率低于2%，其誤差來(lái)源主要為：

(1) 氣體間存在溫度差及濃度差，氣泡在上升過(guò)程中，氣液間存在不等溫傳熱及傳質(zhì)過(guò)程。因此氣泡體積有所減小。

(2)MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行處理后，邊界的獲取存在一定程度偏離。

(3) 模型的建立過(guò)程中，忽略Basset力、壓差力[14]等影響極小的力，以及氣泡某些受力建立在經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上，都會(huì)影響氣泡運(yùn)動(dòng)模型的準(zhǔn)確性。

(4) 本實(shí)驗(yàn)中，使用電子鹽度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，其數(shù)據(jù)讀取精度及可靠性不及高技術(shù)鹽度測(cè)量方法如：微波遙感技術(shù)、光纖傳感技術(shù)等[15]。

(5) 文中通過(guò)選取實(shí)驗(yàn)圖像，進(jìn)行二維化速度計(jì)算，而氣泡速度實(shí)際上是三維矢量，因此在測(cè)量過(guò)程中存在誤差。文獻(xiàn)[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)氣泡半徑大于4mm的氣泡呈直線式上升。因此在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)選取合適生成體積、脫離速度緩慢的氣泡，使其盡量沿直線上浮，可有效降低該部分誤差影響。

本文研究模型可以有效獲得海水鹽度對(duì)表面張力系數(shù)的影響關(guān)系，且計(jì)算測(cè)量方式簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確率較高，測(cè)定便捷。利用計(jì)算式，可求得不同海水鹽度相應(yīng)的表面張力系數(shù)，從而為軍事、化工等諸領(lǐng)域工程應(yīng)用中海水物性改變提供參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

對(duì)實(shí)驗(yàn)采集照片進(jìn)行處理，獲得不同海水鹽度下氣泡脫離體積及瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其代入至氣泡運(yùn)動(dòng)模型中，得到的主要結(jié)論如下。

(1) 氣流流速較低的非射流工況時(shí)，氣泡處于小半徑、緩慢上浮、低雷諾數(shù)流動(dòng)。此時(shí)表面張力極大影響著氣泡脫離體積及瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)上浮速度，因此數(shù)據(jù)可用于不同鹽度下海水表面張力系數(shù)的表征函數(shù)擬合，效果理想，擬合和方差小，數(shù)據(jù)與模型偏離程度低。

(2) 當(dāng)氣泡處于大半徑、快速上浮、高雷諾數(shù)過(guò)程時(shí)，氣泡阻力系數(shù)升高，阻力極大地影響了氣泡上升行為，表面張力對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)影響減弱，因此在此階段，數(shù)據(jù)起伏大，公式擬合效果不夠理想，數(shù)據(jù)不適用。

基于氣泡上浮運(yùn)動(dòng)方程的液體表面張力系數(shù)測(cè)定方法，相較于其他手段，具有測(cè)定儀器簡(jiǎn)便、方法靈活、精度高等特點(diǎn)。此方法能夠獲得海水在不同鹽度下的表面張力系數(shù)方程，該方程可在大范圍海域內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

[1]朱英昊, 康娟, 桑濤, 等. 基于光纖干涉法的液體表面張力系數(shù)測(cè)量及溫度影響研究[J]. 光電子·激光, 2015, (1): 130-134.

Zhu Y H, Kang J, Sang T, et al. Liquid surface tension coefficient measurement and temperature impact based on optical interference method[J]. Journal of Optoelectronics Laser, 2015, (1): 130-134.

[2]Zhang X B, Xiang S J, Cao Q, et al. Effects of surface tension on bubble growth in an extensive uniformly superheated liquid[J]. Chinese Science Bulletin, 2011, 30: 3191-3198.

[3]趙貫甲, 畢勝山, 吳江濤. 表面光散射法液體黏度和表面張力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2015, (1): 36-40.

Zhao J S, Bi S S, Wu J T. Liquid viscosity and surface tension measurement under saturated condition with surface laser light scattering method[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2015, (1): 36-40.

[4]Mohammed I U, Deeni Y, Hapca S M, et al. Predicting the minimum liquid surface tension activity of pseudomonads expressing biosurfactants[J]. Letters in Applied Microbiology, 2015, 60(1): 37-43.

[5]張鵬. 海水表面張力的研究[J]. 山西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011, (4): 44-45.

Zhang P. Study on the surface tension of sea water[J]. Journal of Shanxi Normal University Natural Science Edition, 2011, (4): 44-45.

[6]成娟, 李玲, 劉科. 液體表面張力系數(shù)與濃度的關(guān)系實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)測(cè)試, 2014, (3): 32-34.

Cheng J, Li L, Liu K. Study on the relationship between liquid surface tension and concentration[J]. China Measurement & Test, 2014, (3): 32-34.

[7]Trybula M E, Gancarz T, Gasior W. Density, surface tension and viscosity of liquid binary Al-Zn and ternary Al-Li-Zn alloys[J]. Fluid Phase Equilibria, 2016, 421: 39-48.

[8]Zhang X B, Xiang S J, Cao X L, et al. Effects of surface tension on bubble growth in an extensive uniformly superheated liquid[J]. Chinese Science Bulletin, 2011, 30: 3191-3198.

[9]田恒斗, 金良安, 王涌, 等. 考慮單氣泡運(yùn)動(dòng)特性的艦船尾流氣泡分布研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2011, (9): 1126-1130.

Tian H D, Jin L A, Wang Y, et al. Study on wake bubble distribution based on single bubble motion characteristics[J]. Acta Armamentarii, 2011, (9): 1126-1130.

[10]薛婷, 孟欣東, 張濤. 氣液兩相流中氣泡形態(tài)及運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)提取[J]. 光電子·激光, 2010, (8): 1218-1221.

Xue T, Meng X D, Zhang T. Extraction of bubble shape and motion feature parameters in the gas-liquid two-phase flow[J]. Journal of Optoelectronics Laser, 2010, (8): 1218-1221.

[11]代曉巍, 金良安, 遲衛(wèi), 等. 基于雙向圖像的水中上升氣泡溶解速率分析技術(shù)[J]. 化工學(xué)報(bào), 2011, (2): 315-320.

Dai X W, Jin L A, Chi W, et al. Analysis technique to dissolution rate of rising bubble in water based on two-direction images[J]. CIESC Journal, 2011, (2): 315-320.

[12]Chen B B, Zou D H. Altered seawater salinity levels affected growth and photosynthesis of Ulva fasciata(Ulvales, Chlorophyta)germlings[J]. Acta Oceanologica Sinica, 2015, (8): 108-113.

[13]陳世哲, 劉世萱, 范秀濤, 等. 基于棱鏡模型多次折射法的海水鹽度檢測(cè)系統(tǒng)[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2011, (7): 22-26.

Chen S Z, Liu S X, Fan X T, et al. Seawater salinity measurement system based on prism model multi-refraction[J]. Acta Optica Sinica, 2011, (7): 22-26.

[14]田恒斗, 金良安, 遲衛(wèi), 等. Basset力對(duì)液體中易溶性氣泡運(yùn)動(dòng)的影響[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào), 2011, (4): 680-687.

Tian H D, Jin L A, Chi W, et al. Impact of basset force on the movement of soluble bubble in fluid[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2011, (4): 680-687.

[15]趙勇, 胡開博, 陳世哲, 等. 海水鹽度檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展[J]. 光電工程, 2008, (11): 38-44.

Zhao Y, Hu K B, Chen S Z, et al. Recent development of the seawater salinity measurement technology[J]. Opto-Electronic Engineering, 2008, (11): 38-44.

[16]程文, 周孝德, 郭瑾瓏, 等. 水中氣泡上升速度的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 西安理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 16(1): 57-60.

Chen W, Zhou X D, Guo J L, et al. Experimental study of the velocity of bubble rising in water[J]. Journal of Xi’an University of Technology, 2000, 16(1): 57-60.

(編輯：張巧蕓)

The seawater surface tension coefficient representation with different salinities

Zhang Zhiyou*, Jin Liang’an, Yuan Zhijiang, He Shengyang

(Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian Liaoning 116018, China)

To study the seawater surface tension coefficient representation with different salinities and to simplify the test methods, a practical model for the bubble departure volume and the departure instantaneous velocity is built by analyzing the forces experienced by the bubble in the seawater. The underwater gas emission experimental platform is constructed. It uses the normal pressure air and six kinds of salinity seawater as the experiment’s gaseous phase and liquid phase. And the bubble motions are categorized as slow motion with low Reynolds number and fast motion with high Reynolds number. Experiments with both bubble motions are conducted. The high-speed photography technology is used to record the bubble motion, and the filmed pictures are analyzed by the MATLAB program, so as to obtain the bubble departure volume and the departure instantaneous velocity. Substituting the experimental data into models, the seawater surface tension coefficient representation with different salinities can be acquired. The result shows that, under the non jet generation and flotation condition, the bubble is of small radius and has slow movement with low Reynolds number. The simulation results are in consistency with the measurement with high credibility and low divergence. The error is less than 2%.

bubble formation;seawater salinity;bubble volume;bubble rising velocity

1672-9897(2017)04-0045-06

10.11729/syltlx20160164

2016-10-31;

2017-03-15

海軍國(guó)防預(yù)研課題“水面艦艇隱身技術(shù)”(401040301)

ZhangZY,JinLA,YuanZJ,etal.Theseawatersurfacetensioncoefficientrepresentationwithdifferentsalinities.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(4): 45-50. 張志友, 金良安, 苑志江, 等. 不同鹽度下海水表面張力系數(shù)的表征研究. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(4): 45-50.

U661.1

A

張志友(1989-)，男，遼寧大連人，博士研究生。研究方向：軍事航海安全保障與防護(hù)技術(shù)。通信地址：遼寧省大連市中山區(qū)解放路667號(hào)海軍大連艦艇學(xué)院(116001)。E-mail：zhiyou626@163.com

*通信作者 E-mail: zhiyou626@126.com