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液态泡沫(1iquid foam)是极高气含率的密集气液体系,是典型的复杂系统,广泛存在于化工、石油等工业过程中。泡沫强制渗流(forced drainage)是指以恒定流率输入的液体在重力与毛细管力以及粘滞力的共同作用下,在气泡间隙内的流动过程,是影响泡沫稳定的主要因素之一;渗流波传播规律以及泡沫液体分率的空间分布和时间演变规律不仅是国际理论和应用力学领域中近年来的活跃点,更能为化工、石油等相关领域中的泡沫稳定性控制等提供理论指导。
本工作实验中使用的表面活性剂溶液由去离子水、“金鱼”牌洗涤剂和食用色素按照40∶1∶10的体积比配制而成,通过注射针头注入氮气生成泡沫。我们首先完善了用色素显示泡沫中液体流动的方法,通过一维强制渗流实验确定了液体分率与光透射率的关系:T=0.293+1.038e-29.39φ(0.01<φ<0.13)。我们发现泡沫柏拉图通道内的液体流动符合泊肃叶流动,能量耗散主要发生在柏拉图通道边界上。从控制机制协调的角度我们对泡沫渗流过程中的气泡表面能和流动耗散能进行了理论推导,分析了在渗流过程中这两种能量之间的相互关系。我们发现粘性耗散受液体分率变化的影响很大而表面能很小;当液体分率φ从0.01增加至约0.14时,粘性耗散能增加了近30倍,而表面能仅减小约14%;基于Kelvin cell结构随液体分率演变的准静态假设,我们还分析了表面能和粘性耗散的动态演化规律。
我们模拟了大小为12 cm×14 cm×3 mm的Hele-Shaw cell内两维液态泡沫在8种重力加速度下单点输入强制渗流,发现在竖直和水平方向的渗流波传播位置与时间的关系很好的符合幂函数形式,指数分别为0.536+5.29×10-3g和0.479-7.27×10-3g。
我们实验研究了二维双点输入强制渗流过程中渗流波的传播规律。发现双点输入渗流与单点输入渗流过程明显不同,两股渗流波的运动相互影响。实验发现两输入点中间的泡沫内的渗流波以恒定速度传播,且这个恒定的传播速度与输入点间距成反比;而单个输入点下方渗流波的传播距离与时间满足幂率关系。
本论文提出从控制机制协调的角度来分析渗流过程;改进的显示微流动的实验方法简便易行,且精度高;本文所得结论将有助于丰富泡沫渗流力学理论和复杂系统协调理论。