近年來,隨著湖庫(kù)、河流的下穿工程、水下管道輸送工程以及海洋的海底資源開發(fā)等活動(dòng)的迅猛發(fā)展,水下工程的主動(dòng)排氣、被動(dòng)泄露以及自然界本身存在的水底有機(jī)物分解后的氣體排放等現(xiàn)象也隨之增多。在這一過程中,存在一個(gè)并未引起廣泛關(guān)注的潛在危險(xiǎn),即:水下氣體在排放至接近水面時(shí),如果在氣泡出露區(qū)域水面存在浮體,則浮體受大量上升氣泡影響可能存在失穩(wěn)或傾覆的危險(xiǎn)。本研究即是在這種背景下,通過理論分析及物理模型試驗(yàn)等方法,對(duì)水下上升氣泡對(duì)水面浮體穩(wěn)定性的影響機(jī)理進(jìn)行研究,以期為未來此類問題的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)防提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。首先,本文進(jìn)行了水中氣泡產(chǎn)生和上浮運(yùn)動(dòng)的理論基礎(chǔ)研究,根據(jù)氣泡的體積對(duì)氣泡進(jìn)行受力平衡的分析,分析了孔口氣泡產(chǎn)生時(shí)所受的幾種力。研究了在氣泡生成的過程中,影響其直徑的主要因素有孔口直徑、氣體流量以及液體的物理性質(zhì)等,并分析了氣泡的形狀及影響因素和氣泡的上浮運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其次,本文進(jìn)行了水下上升氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的試驗(yàn)研究,通過試驗(yàn)得出:在氣體流量一定時(shí),通過改變氣孔內(nèi)徑,氣泡脫孔直徑隨著氣孔內(nèi)徑的增大而變大;在氣孔一定時(shí),通過改變氣體流量,氣泡脫孔直徑隨著氣體流量的增大而變大,而氣泡脫離時(shí)間隨著氣體流量的增大而變短;當(dāng)氣體流量為定值時(shí),氣泡脫孔直徑隨著水溫的升高而變小,氣泡脫離時(shí)間隨著水溫的升高而變短;氣泡在上浮的過程中,僅在剛剛脫離的一瞬間發(fā)生急加速,之后做近似勻速運(yùn)動(dòng),而氣泡的上浮速度與其直徑有關(guān);通過軟件提取氣泡在上浮運(yùn)動(dòng)中不同時(shí)刻的坐標(biāo)點(diǎn),做出氣泡的軌跡線圖,發(fā)現(xiàn)其以“螺旋”狀上升。最后,本文進(jìn)行了水下上升氣泡對(duì)浮體穩(wěn)定性影響的試驗(yàn)研究,通過試驗(yàn)得出:氣體引入液體形成氣泡,會(huì)導(dǎo)致氣液混合物的平均密度降低,影響氣液混合物的平均密度的主要因素是氣體流量;對(duì)于密度相同的正方體浮體,體積越小失穩(wěn)傾角越大,其晃動(dòng)的越劇烈;對(duì)于大小相同的正方體浮體,密度越小失穩(wěn)傾角越大,其晃動(dòng)的越劇烈,但是密度越大吃水深度相對(duì)變化量越大;對(duì)于同一正方體浮體,氣體流量越大浮體失穩(wěn)傾角越大,其晃動(dòng)的越劇烈,吃水深度相對(duì)變化量也越大;對(duì)于同一正方體浮體,在氣體流量一定時(shí),生成的氣泡直徑越大浮體失穩(wěn)傾角越大,其晃動(dòng)的越劇烈。由此可知影響浮體穩(wěn)定性的主要因素是氣體流量、氣泡大小、浮體的體積以及浮體的密度,而當(dāng)氣體流量大到一定量時(shí),可以使浮體下沉。
【學(xué)位單位】：華北水利水電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：U661.3
【部分圖文】：

技術(shù)路線圖

圖 2-1 氣泡在孔口膨脹和脫離Fig. 2-1 Bubble expansion and detachment at orifice的過程中，可以根據(jù)氣泡的體積對(duì)氣泡進(jìn)行受力平衡的有以下四種[37-38]：f ：由氣體、液體之間的密度差產(chǎn)生的，F(xiàn)Vgfg()1 V 為氣泡的體積，1 ，g 分別為液體和氣體的密度。力 F ： 0F d0d 為孔口的直徑。

圖 2-2 氣體體積流量和孔口直徑對(duì)生成氣泡體積的影響2 The influence of gas volume flow rate and orifice diameter on bubble性質(zhì)對(duì)氣泡生成的大小也有影響，這里主要考慮到液體的。液體的表面張力對(duì)氣泡的產(chǎn)生以及縮頸的全過程都能產(chǎn)氣體流量非常小時(shí)其對(duì)氣泡生成體積的影響才更大，當(dāng)氣體表面張力對(duì)氣泡生成體積的影響就忽略不計(jì)了，見圖 2-3。

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本文編號(hào)：2807436