Visualization of the flow around a bubble moving in a low viscosity liquid

R. Lima-Ochoterena and R. Zenit*

Instituto de Investigaciones en Materiales, Universidad Nacional Autónoma de México Apartado Postal 70-360, Cd. Universitaria, México D.F. 04510, México

Recibido el 22 de enero de 2003.
Aceptado el 13 de marzo de 2003.

Abstract

A new technique to visualize the flow around a bubble rising in a low viscosity fluid is presented. With this technique it is possible to observe streak lines of the flow as well as the shape and position of the bubble. The visualization of the streak lines is obtained by open-diaphragm photography of laser-sheet illuminated micro-tracers. The shape and position of the bubble is obtained, in the same photo plate, by simultaneously illuminating the flow with a stroboscopic light. The experiments were performed in a closed acrilic tank of 50 x 50 x 50 cm³, in which bubbles were injected using a capillary tube. Filtered water was used as the working fluid. Pure Nitrogen was used to form the bubbles. Experimental results were obtained for a range of bubble sizes. The size of the injected bubbles was controlled by a fixed volume switch valve. We have identified a change of the bubble trajectory, from rectilinear to zig-zaging, as its volume increases, in accordance with previously reported studies. A characteristic change of the velocity field around the bubble is observed when the trajectory instability appears. We conclude that the point of inflection in the velocity-volume plot is directly related to the appearance of the trajectory instability.

Keywords: Bubbles; terminal velocity; path instability; flow visualization.

Resumen

Presentamos una técnica para la visualización del flujo alrededor de una burbuja que se mueve en un líquido newtoniano de baja viscosidad. Esta técnica nos permite observar las líneas de corriente, así como la forma y posición de la burbuja de manera simultánea. La visualización de las líneas de corriente se logra a través de la fotografía por obturador abierto de micro-partículas trazadoras iluminadas por una hoja láser. La forma y la posición de la burbuja se captan en la misma impresión fotográfica iluminando al flujo, de manera simultánea, con una lámpara estroboscópica. Los experimentos se realizaron en un tanque cerrado de 50 x 50 x 50 cm³, en el cual se inyectaron las burbujas a través de un capilar. Se utilizó agua filtrada y nitrógeno puro para formar las burbujas. Obtuvimos resultados experimentales para el flujo de burbujas de diferentes tamaños. El tamaño de las burbujas se controló, para un mismo capilar, con una válvula de conmutación de volumen constante. Con estas mediciones se identificó la transición de trayectoria, de rectilínea a oscilatoria, para una burbuja en agua, de manera similar a lo reportado con anterioridad en la literatura. La aparición del cambio en la trayectoria está asociada con un cambio importante de la estructura del flujo alrededor de la burbuja. Además, obtuvimos una correlación del punto de inflexión de la curva velocidad-volumen con la aparición de la inestabilidad de trayectoria.

Palabras clave: Burbujas; velocidad terminal; inestabilidad de trayectoria; visualización.

PACS: 47.55.Dz; 47.20.Ky; 47.20.Ft; 47.55.Kf

Acknowledgements

The support of CONACYT grant number J34497U-2 is greatly acknowledged. RLO wishes to acknowledge the PROBETEL-UNAM scholarship program for its support during the completion ofhis thesis.

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