气泡半径和体积分数对含气泡海水声波速度的影响研究
发布网友
发布时间：2022-04-29 23:50
共1个回答
热心网友
时间：2022-06-26 10:39
李灿苹1，刘学伟2，杨丽3，何静2，卢良鑫2
李灿苹（1977－），女，讲师，博士，主要从事散射波地震勘探理论研究及信号处理方面研究，E-mail:canpinglihydx@163.com。
注：本文曾发表于《现代地质》2010年第3期，本次出版有部分修改。
1.广东海洋大学信息学院，广东，湛江 524088
2.中国地质大学地球物理与信息技术学院，北京 100083
3.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州 730020
摘要：通过对含气泡的海水水体声速的研究，得到如下结论：气泡半径与海水深度的关系为随着海水深度变浅，气泡半径逐渐增大。声速与气泡半径的关系为气泡体积分数很小时，随着气泡半径的增大，声速先逐渐增大，然后保持平稳，最后缓慢减小，且声速变化幅度较小；气泡体积分数逐渐增大时，随着气泡半径的增大，声速都逐渐增大，且气泡体积分数不同，声速变化范围不同。声速与气泡体积分数的关系为气泡体积分数较小时，气泡体积分数增加，声速逐渐减小；气泡体积分数较大且气泡半径小于临界半径时，气泡体积分数增加，声速逐渐减小，气泡半径大于临界半径时，气泡体积分数增加，声速先减小后逐渐增大，并且在气泡体积分数逐渐增大的不同阶段，声速的变化范围不同。
关键词：气泡半径；气泡体积分数；天然气水合物；海水；声速
Study on the Bubble Radius and Volume Fraction Impacting on the Acoustic Velocity in Seawater With Bubbles
Li Canpingl, Liu Xuewei2,Yang Li3, He Jing2, Lu Liangxin2
1.School of Information,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524088,Guangdong,China
2.School of Geophysics and Information Technology,China University of Geosciences,Beijing 100083,China
3.Research Institute of Petroleum Exploration&Development-Northwest(NWGI),Petro China.,Lanzhou 730020,China
Abstract:Through studying on the acoustic velocity of seawater with gas bubbles,the conclusion was obtained as follows.The relationship between the bubble radius and the seawater depth was that the bubble radius was bigger as the seawater was shallower.The relationship between the acoustic velocity and the bubble radius was that when the volume fraction of bubble was very little,with the bubble radius becoming larger,the acoustic velocity increased graally at first and then keep unchanged and finally decreased slowly,and the extent of the acoustic velocity variation was not large.When the volume fraction of bubble enhanced graally,with the bubble radius becoming larger,the acoustic velocity increased graally,and the varying range of the acoustic velocity was different if the volumefraction of bubble was varied.The relationship between the acoustic velocity and the volume fraction of bubble was that when the volume fraction of bubble was small,with the volume fraction of bubble enhancing,the acoustic velocity decreased graally.When the volume fraction of bubble was larger and the bubble radius was smaller than the critical radius,with the volume fraction of bubble enhancing,the acoustic velocity decreased graally; When the bubble radius was bigger than the critical radius,with the volume fraction of bubble enhancing,the acoustic velocity decreased at first and then increased graally.Furthermore,in every state of the volume fraction of bubble enhancing the varying range of the acoustic velocity was different.
Key words:bubble radius; volume fraction ofbubble;gas hydrate; seawater; acoustic velocity
0 引言
天然气水合物是一种固态物质，主要赋存于陆地永久冻土带和海底沉积物中。地球上天然气水合物的资源量非常巨大，其中海洋中的天然气水合物占绝大部分，我国南海天然气水合物的资源量达670亿t油当量[1]。2007年4—6月，在南海北部陆坡神狐海域实施了天然气水合物钻探，取得了天然气水合物实物样品[2]。
海底天然气水合物通过孔隙、裂缝等运移通道以气泡的形式溢出到海水中。世界上很多地方已通过摄影、摄像或声学记录仪探明海底逸出气泡的现象，Eberhard J.Sauter[3]等在巴伦支海西缘海底Hakon Mosby泥火山（HMMV）中心北部记录了海底水合物溢出的甲烷气泡的照片。美国德克萨斯A&M 大学大洋钻探机构于2002年用声学记录仪检测出海底水合物溢出甲烷气泡的海水羽状流[4]。S Garcia-Gil de等[5]在海底浅层气逸出区（水面可见到气泡逸出形成的“开锅沸腾”区）发现了海水中气泡形成的声学羽流、云状扰动，在里海沿岸的海底浅层气逸出区记录到了串珠状的反射信号[6]；俄、中鄂霍次克海水合物调查中探测到了水合物分解产生的气泡形成的“火焰”状反射[7]。顾兆峰等[8]在南海地质调查中发现，浅层地震剖面记录到海水中大量分布的斑点状反射。水体中气泡将对地震波产生散射作用，在地震剖面产生响应，成像散射波可以检测到水体中的羽状流。
海水中由于气泡的存在，势必影响海水的声波速度，进而在探测天然气水合物的地震剖面上产生响应。姚文苇[9]研究了气泡对声传播的影响，给出了含气泡介质内声速的表达式，研究了气泡体积分数和声波频率对声速的关系，但对气泡体积分数和气泡半径2个参量对声速的影响没有深入细致地研究。笔者根据姚文苇推导的含气泡的水体速度模型，从气泡体积分数和气泡半径两方面详细探讨了含气泡的海水中声波速度的变化情况。由于天然气水合物的气源成因受控因素多，需要综合多种指标进行判别[10]，本文为进一步深入研究海底天然气水合物的气源奠定基础。
1 含气泡的水体声速
液体中溶入气体及空化过程中产生的气泡，会改变液体内的压力分布[11]，从而使液体的声学特性发生改变。以气泡壁处声压和径向振动速度为边界条件，姚文苇[9]推导出了含气泡介质内声速的表达式：
南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集
式中：cm为气液混合体的声速，m/s; K为液体体积模量，N/m2;Kb为气体体积模量，N/m2；ρ为液体密度，kg/m3；ρb为气体密度，kg/m3；ω为频率，Hz; a为气泡半径，m；σ为液体表面张力， N/m2;R为假定含气泡两相混合区为球形时的半径， m；φ为气泡体积分数，即半径为R的球形区域内气泡所占据的体积分数，当R固定时，此参数由气泡数量和大小共同决定。此公式推导过程中忽略了热传导及其他一些次要因素，并假定含气泡两相混合区所含气泡的半径相等[9]。
公式（1）中K、Kb、ρ、ρb、σ为固定值参量，ω、a、φ和R为给定可变参量，由此，给定上述参量，通过此公式可以计算出不同气泡半径和不同气泡体积分数的含气泡的海水声波速度。
2 气泡半径随海水深度的变化
海底溢出的天然气水合物气泡从海底向上升的过程中，随着压力的减小，气泡半径将会增大，即气泡半径大小与所处的海水深度有关。祝令国[12]在研究尾流气泡声散射规律中给出了气泡半径随深度变化公式：
南海天然气水合物富集规律与开采基础研究专集
此公式假定气泡与周围介质之间不发生热交换现象，并且忽略气体扩散的影响，根据热力学第一定律，PVλ值在气泡运动过程中是一常数，已知气泡在初始深度z0时的半径R0来推知某一深度z时的半径R。式中，海水密度p=1 023 kg/m3；海水表面张力σ＝0.0738 N/m;g=9.8 N/m；海面大气压强P0=1.0135×105Pa；空气的比热比λ=1.4。
根据公式（2），代入以上参量，给出海底溢出气泡的初始深度（1 350 m）和半径大小（2.1×10-3m），可计算出气泡半径随海水深度的变化，如图1所示。
图1所显示的规律和理论相同，即随着海水深度减小，压力减小，气泡半径将变大。根据此规律可以进一步研究不同海水深度下气泡半径对声波速度的影响。
图1 气泡半径与海水深度的关系
3 气泡半径对海水声速的影响
根据文献[3]，由深海海底逸出的天然气水合物气泡半径范围为5.0×10-4～5.0×10-3m，考虑到实际情况下还有一些微小气泡存在，以及研究更微小气泡存在下海水的声波速度变化情况，所以本文将气泡半径的变化范围设定为5.0×10-5～5.0×10-3m。根据公式（1），给定参数值，K =2.34×109N/m2,Kb=1.4×105N/m2,p=1 023 kg/m3,pb=1.29 kg/m2，σ＝7.38×10-2N/m2， ω＝2πf,f=25 Hz,R=1.0 m计算出不同气泡体积分数在半径5.0×10-5～5.0×10-3m范围内声波速度的变化情况，如图2所示。
图2 含气泡海水声波速度与气泡半径的关系
从图2可以看出，在气泡半径5.0×10-5～5.0×10-3m范围内，声速表现出2种模式：一是在气泡体积分数很小时，如图2a和b，随着气泡半径的增大，声速先逐渐增大，然后保持平稳，最后缓慢减小，且声速变化范围较小，仅为2 m/s；二是在气泡体积分数逐渐增大时，如图2c—f，随着气泡半径的增大，声速都逐渐增大，且气泡体积分数不同，声速变化范围不同。
在气泡体积分数较小时，如图2c，随着气泡半径的增大，声速逐渐增大，但声速变化较小，增大幅度为3 m/s，变化范围为186～189m/s；图2 d，随着气泡半径的增大，声速逐渐增大，声速变化较大，增大幅度为12 m/s，变化范围为100～112 m/s。随着气泡体积分数的增大，如图2e，气泡体积分数在10％～40％之间，随着气泡半径的增长，声速明显增大，且幅度较大，约100 m/s，变化范围60～160 m/s；图2f，随着气泡半径的增长，声速增大更加明显，且幅度较大，气泡体积分数在60％～80％之间，变化范围40～280 m/s，气泡体积分数在90％～100％之间，变化范围为0～450 m/s。
图2e—f具有共同特征：即，在半径小于2.0×10-3m时，气泡体积分数大则速度小；在半径大于2.0×10-3m时，气泡体积分数大则速度大；且图2f比图2e中2条线相交的范围相对宽。由此可以总结出，存在一个临界半径rc，即rc=2.0×10-3m。在气泡体积分数较大（5％以上）时，当气泡半径小于临界半径rc时，随着气泡体积分数的增加，声速逐渐降低；当气泡半径大于临界半径rc时，随着气泡体积分数的增加，声速逐渐增大，这是由于当气泡体积分数一定时，随着气泡半径的增大，则气泡数量将减小，进而对海水的声速影响减小，所以随着气泡半径的增大，气液混合体的声速将增大。
4 气泡体积分数对海水声速的影响
由于所探讨的气泡体积分数变化范围较大， 0.0005％～100％，所以将气泡体积分数分成以下5部分分别研究声波速度的变化情况：第1部分是气泡体积分数变化范围为0.0005％～0.005％；第2部分是气泡体积分数变化范围为0.005％～0.05％；第3部分是气泡体积分数变化范围为0.05％～0.5％；第4部分是气泡体积分数变化范围为0.5％～5％；第5部分：气泡体积分数变化范围％1～100％；这5部分气泡体积分数连续变化。
与前面相同，给定公式（1）中的各参数值，并给定气泡半径，半径在0.005％～0.5%m范围内选出，计算出不同气泡体积分数下气液混合体的声速的变化情况，如图3所示。
从图3可以看出，随着气泡体积分数的增加，气液混合体的声波速度形成2种变化模式：一是气泡体积分数小于5％时，在气泡半径5.0×10-5～5.0×10-3m内，随着气泡体积分数的增加，声速都逐渐减小，如图3a—d所示。二是气泡体积分数大于5％时，在气泡半径5.0×10-5～1.0×10-3m范围内，随着气泡体积分数的增加，声速都逐渐减小，如图3e所示；当气泡半径大于临界半径rc=2.0×10-3m时，随着气泡体积分数的增加，声速先减小后逐渐增大，如图3f所示。在气泡体积分数逐渐增大的不同阶段，声速降低的幅度及声速的变化范围不同，具体为：
第1部分 气泡体积分数变化范围为0.0005％～0.005％，如图3a，随着气泡体积分数的增大，声速呈直线下降，降低幅度约350 m/s，变化范围为1 100～1 450 m/s。
第2部分 气泡体积分数变化范围为0.005％～0.05％，如图3b，随着气泡体积分数的增大，声速呈弧线下降，降低幅度较大，约600 m/s，变化范围为500～1 100 m/s。
第3部分 气泡体积分数变化范围为0.05％～0.5％，如图3c，随着气泡体积分数的增大，声速呈弧线下降，降低幅度约300 m/s，变化范围为200～500 m/s。
第4部分 气泡体积分数变化范围为0.5％～5％，如图3d，随着气泡体积分数的增大，声速呈弧线下降，降低幅度较小，约90 m/s，变化范围为100～190 m/s。
第5部分 气泡体积分数变化范围为1％～100％，如图3e，随着气泡体积分数的增大，声速先降低较快，然后缓慢减小，降低幅度约150 m/s，变化范围为0～150 m/s；如图3f，随着气泡体积分数的增加，声速先减小后逐渐增大，变化范围为100～450 m/s。
图3f中，在气泡体积分数变化过程中速度出现先减小后逐渐增大的现象，说明在海水中混入少量气体或在气体中混入少量海水会显著改变原介质的物理属性[13]，其密度、压缩性等物理属性将发生变化，从而引起速度的先减小后增大的变化模式。
图3 含气泡海水声波速度与气泡体积分数的关系
图3a—e中，随着气泡体积分数的增大，海水中声速逐渐降低，是由于液体中声波速度逐渐变成气体声波速度。
5 小结
1）海底溢出的天然气水合物气泡从海底向上升的过程中，气泡半径与海水深度的关系为随着海水深度变浅，气泡半径逐渐增大，气泡半径的改变将对海水声速有影响。
2）气液混合体声速与气泡半径和气泡体积分数有如下关系：
a.气泡半径在5.0×10-5～5.0×10-3m范围内，随着气泡半径的增大，声速表现出2种模式：一是在气泡体积分数很小时，声速先逐渐增大，然后保持平稳，最后缓慢减小，且声速变化范围较小；二是在气泡体积分数逐渐增大时，声速都逐渐增大，且气泡体积分数不同，声速变化范围不同。
b.随着气泡体积分数的增加，声速形成2种变化模式：一是气泡体积分数小于5％时，在气泡半径5.0×10-5～5.0×10-3m范围内，声速都逐渐减小。二是气泡体积分数大于5％时，在气泡半径5.0×10-5～1.0×10-3m范围内，即小于临界半径rc=2.0×10-3m时，声速都逐渐减小；当气泡半径大于临界半径rc=2.0×10-3m时，声速先减小后逐渐增大。在气泡体积分数逐渐增大的不同阶段，声速降低的幅度及声速的变化范围不同。
参考文献
[1]姚伯初，杨木壮，吴时国.中国海域的天然气水合物资源[J].现代地质，2008,22(3）:333-341.
[2]吴能友，梁金强，王宏斌.海洋天然气水合物成藏系统研究进展[J]现代地质，2008,22(3）:356-362.
[3]Eberhard J.Sauter,Sergey I.Muyakshin,Jean-Luc Charlou et al.Methane discharge from a deep-sea submarine mud volcano into the upper water co1umn by gas hydrate-coated methane bubbles[J].Earth and Planetary Science Letters,2006,243:354-365.
[4]Shipboard Scientific Party,Ocean Drilling Program,Leg 204 Preliminary Report,Drilling Gas Hydrates on Hydrate Ridge,Cascadia Continental Margin,7 July-2 September 2002,Texas:A&M University.1 000 Discovery Drive,College Station TX 77845-9547,USA December 2002.
[5]Garcia-Gil S,Vilas F,Garcia-Garcia A.Shallow Gas Features in Incised-Valley Fills(Ria de Vigo,NW Spain):A Case Study[J].Continental Shelf Research,2002,22:2303-2315.
[6]Kruglyakova R,Gubanov Y,Kruglyakov V,et al.Assessment of Technogenic and Natural Hydrocarbon Supply into the Black Sea and Seabed Sediments[J].Continental Shelf Research,2002,22:2395-2407.
[7]栾锡武，赵克斌，Obrov A，等.鄂霍次克海浅表层天然气水合物的勘查识别和基本特征[J].中国科学：D辑， 2008,38(1）:99-107.
[8]顾兆峰，刘怀山，张志珣.浅层气逸出到海水中的气泡声学探测方法[J]海洋地质与第四纪地质，2008,28(2）:129-135.
[9]姚文苇.气泡对声传播影响的研究[J].陕西教育学院学报， 2008,24(1）:107-109.
[10]龚建明，张敏，陈建文.天然气水合物发现区和潜在区气源成因[J]现代地质，2008,22(3）:415-419
[11]刘海军，安宇.空化单气泡外围压强分布[J]物理学报， 2004,53(5):1406-1411.
[12]祝令国.尾流气泡声散射规律研究[J].舰船科学技术， 2009,131(10):64-65,68.
[13]张建生，林书玉，刘鹏，等.船舶尾流气泡幕中的速度[J].中国科学：G辑，2007,37(6）:783-788.
