1、高速成像技術在液滴沖擊實驗中的應用
液滴沖擊實驗廣泛應用于能源動力等工程技術領域研究中，如內燃機燃燒室中燃油撞擊汽缸壁面、核反應堆安全系統中的噴霧冷卻技術等。在實驗中，由于液滴沖擊速度過快，蒸發氣化反應迅速，普通測量方法無法滿足實驗需求，因此科研人員采用高速成像技術對液滴沖擊實驗進行非接觸式、可視化研究，解決了沖擊速度快、水滴蒸發氣化分析難等問題。 華北電力大學能源動力與機械工程學院科研老師，在研究去離子水液滴撞擊微柱結構表面后的蒸發及核化實驗中，采用千眼狼高速成像技術對液滴蒸發時形態變化、液滴內部核化點分布以及核化氣泡的動力學過程進行研究，觀測到微柱表面不同壁面溫度下液滴沸騰蒸發等現象特征，探究了液滴沖擊對微柱表面液滴內部核化點分布的影響。 2、實驗過程 1/2.實驗方法 本次實驗裝置包括液滴蒸發實驗臺、溫度控制系統和數據采集系統三個部分。數據采集系統是由千眼狼高速攝像儀及分析系統組成，主要用于捕捉液滴蒸發及核化過程，監測單晶硅表面的溫度。整個實驗采用兩臺高速相機，分別在側面對液滴蒸發過程的形態變化進行監測，在頂部對液滴內部氣泡核化過程進行記錄。 圖1 實驗臺 實驗介質采用去離子水，控制液滴體積為6μl，最大誤差為1.5%。針尖距離單晶硅板20mm，相應的Weber數為7~12。壁面溫度從50℃升高至120℃，每個壁溫下均進行3~5次實驗。實驗中，采用高速攝像儀對液滴沸騰演變機理進行采集分析，獲得液滴蒸干時間、液滴直徑、汽化核心密度及氣泡平均直徑等數據信息。其中蒸干時間誤差為±20ms；液滴直徑、氣泡平均直徑最大誤差為2%；汽化核心密度最大誤差為6%。 2/2.液滴沸騰演變過程 液滴蒸發主要包括液滴表面自由界面蒸發和液滴內部固液界面蒸發兩部分。較低過熱度或熱通量下，主要以自由界面的蒸發為主，液滴緩慢蒸發。在熱通量高或過熱度大時，液滴內部固液界面蒸發速率明顯高于自由界面的蒸發，液滴蒸發速度顯著提高。定義沸騰強化因子β為： 圖2 液滴沸騰曲線圖 圖2為恒溫板光滑表面與微柱結構表面上液滴沸騰曲線，當壁溫為50~80℃時，微柱表面上液滴蒸干時間要小于光滑表面，β>0。此時壁面溫度較低時，微柱結構上氣泡小而稀疏。相對于光滑表面，微柱結構與液滴接觸面積更大，傳熱效率較高。壁溫為90~110℃時，微柱結構上氣泡增多且直徑增大，易發生合并，此時氣泡的存在影響固體加熱壁面與液體之間的熱傳導，導致微柱表面上傳熱效率要等于或小于光滑表面。當壁溫升高至120℃時，微柱表面核化沸騰汽化核心增多，且氣泡生長速度快，不斷發生合并、破裂，此時微柱表面傳熱效率顯著高于光滑表面，β>0。 3/2.350℃~110℃液滴蒸發規律 液滴從20 mm高度滴落，受重力、表面張力等影響，液滴蒸發前會在液滴中心產生一個較大氣泡。科研人員通過高速攝像機拍攝畫面觀察液滴在不同壁面溫度下的蒸發現象，研究發現除中央氣泡外，液滴內部有氣泡生成。 圖3 不同壁溫液滴蒸發動態規律圖像 根據圖3(a)、(b)液滴頂部和側面形態變化圖像可以看出，當壁面溫度在50℃和90℃時，蒸發過程中液滴與壁面的接觸直徑幾乎不變。通過圖3(c)可以看出，當壁面溫度達到110℃時，在0～2s時，液滴內部氣泡不斷生長，合并成較大的氣泡。大氣泡擠壓周圍液體，使液滴厚度有所增加。由于微柱結構存在，液滴與壁面接觸直徑幾乎不變，大氣泡增加傳熱熱阻，導致固體壁面與液體之間的傳熱效率降低。液膜降低到一定厚度時，氣泡破裂，液膜進一步變薄，蒸發速度加快，液滴在5s內迅速蒸干。 4/2.50℃~110℃液滴汽化核心密度演變 圖4 汽化核心密度隨壁面溫度的變化 選取中央氣泡周圍6×6個微柱為單位面積，得到液滴撞擊加熱固體壁面時液滴內部汽化核心密度隨壁面溫度變化規律，如圖4所示。實驗表明，隨著壁面溫度的升高，汽化核心密度增大。壁面溫度從50℃升高至70℃，微柱結構內汽化核心密度增大了10938×103個/m2；壁面溫度繼續升高時，受微柱尺寸及密度的影響，汽化核心數目逐漸達到飽和，80℃升高至110℃時微柱表面汽化核心密度增幅僅為從50℃升高至70℃時的1/2。壁溫達到120℃時，核化氣泡瞬間合并長大，無法捕捉汽化核心。 5/2.80℃~120℃液滴氣泡平均直徑變化規律 圖5 氣泡合并 如圖5所示，壁溫為80℃時，液滴內部氣泡至t=20.56s時未發生合并，氣泡維持穩定直徑直至液滴蒸干；壁溫為110℃時，氣泡生長至t=1.7s時開始合并；壁溫為120℃時，氣泡快速長大并至t=0.74s發生合并，液滴呈現劇烈沸騰。 圖6 氣泡平均直徑 通過較低過熱度下液滴內部穩定沸騰氣泡直徑的對比統計，可表征不同過熱度液滴底部沸騰規律。以液滴中心6×6個微柱面積為研究區域，對壁溫為50~100℃時液滴底部沸騰氣泡高速圖片進行分析，獲得液滴底部沸騰氣泡穩定平均直徑，如圖6所示。可知，隨著壁面溫度的升高，氣泡平均直徑增大；壁溫較低時，氣泡直徑增長緩慢，從50℃升高至90℃，該區域內氣泡平均直徑由52.1μm增長至54.32μm；壁溫從90℃升高至100℃，氣泡直徑增大速度提高，由54.32μm 增長至58.45μm；但穩定沸騰氣泡直徑隨壁溫升高而增大的幅值較低，僅為12.19%。當壁溫提高至110、120℃汽化核心密度顯著增大，氣泡生長迅速、易發生合并，無穩定氣泡直徑。 6/2.液滴氣泡分布規律 圖7 液滴內部氣泡分布規律 圖7(a)為液滴撞擊加熱微柱表面后液滴內部氣泡分布情況。對圖片進行分析可以發現，液滴撞擊加熱微柱結構表面，液滴內部沿徑向方向上氣泡成核具有方向性規律。如圖7(a)中箭頭方向所示，以中央氣泡為中心，呈輻射狀分布，沿徑向四周擴散，氣泡均分布在微柱沿箭頭方向一側。影響這種分布規律的因素主要有兩點：第一，液體向四周迅速鋪展運動過程中，由于微柱的阻擋，在微柱“背風”處有氣體存留，該位置容易核化[圖7(b)]；第二，沿內徑方向，液滴厚度逐漸降低，液膜變薄，熱流率較高。從圖7(a)中可以觀察到，沿液滴徑向方向，氣泡直徑逐漸增大。壁面溫度為 50~100℃，在液滴中央大氣泡附近，氣泡平均直徑為52.1~58.45μm；遠離大氣泡區域，氣泡平均直徑為50~150μm。液滴撞擊固體壁面，不僅影響氣泡分布，同時影響氣泡平均直徑。 3、實驗結果 本文采用高速成像可視化技術，對去離子水液滴撞擊微柱結構表面的蒸發過程進行觀測，對液滴的蒸發及內部氣泡的動態過程進行圖像分析。實驗測得不同壁面溫度下液滴蒸干時間，獲得液滴沸騰曲線；發現相對光滑表面，微柱表面在50、60、70、80、120℃強化相變換熱，120℃時強化比例最大，達到35.71%；壁溫為90、100、110℃時，微柱表面無強化作用，證明微結構強化傳熱具有一定應用范圍。從液滴直徑和厚度的變化可知微柱表面液滴蒸發分為兩個階段：第一階段，液滴直徑不變，厚度變化；第二階段，液滴厚度接近微柱高度，直徑減小。隨壁溫升高，第一階段時長顯著縮短。液滴內部核化點密度和氣泡平均直徑隨壁面溫度的升高均有明顯增大的趨勢。 4、總結 實驗通過搭建可視化實驗臺，采用高速成像技術對液滴液滴沖擊動力學、相變動力學過程中涉及的典型自由界面大變形問題進行了分析研究。千眼狼高速成像技術是科研實驗中一種非接觸式、可視化、高精度的實驗方法，可以幫助科研人員解決實驗難題，拓展研究新思路，讓我們發現更多新現象，提供新解釋。(此文源自華北電力大學陳宏霞博士)
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