1、高速成像技术在液滴冲击实验中的应用
液滴冲击实验广泛应用于能源动力等工程技术领域研究中，如内燃机燃烧室中燃油撞击汽缸壁面、核反应堆安全系统中的喷雾冷却技术等。在实验中，由于液滴冲击速度过快，蒸发气化反应迅速，普通测量方法无法满足实验需求，因此科研人员采用高速成像技术对液滴冲击实验进行非接触式、可视化研究，解决了冲击速度快、水滴蒸发气化分析难等问题。 华北电力大学能源动力与机械工程学院科研老师，在研究去离子水液滴撞击微柱结构表面后的蒸发及核化实验中，采用千眼狼高速成像技术对液滴蒸发时形态变化、液滴内部核化点分布以及核化气泡的动力学过程进行研究，观测到微柱表面不同壁面温度下液滴沸腾蒸发等现象特征，探究了液滴冲击对微柱表面液滴内部核化点分布的影响。 2、实验过程 1/2.实验方法 本次实验装置包括液滴蒸发实验台、温度控制系统和数据采集系统三个部分。数据采集系统是由千眼狼高速摄像仪及分析系统组成，主要用于捕捉液滴蒸发及核化过程，监测单晶硅表面的温度。整个实验采用两台高速相机，分别在侧面对液滴蒸发过程的形态变化进行监测，在顶部对液滴内部气泡核化过程进行记录。 图1 实验台 实验介质采用去离子水，控制液滴体积为6μl，最大误差为1.5%。针尖距离单晶硅板20mm，相应的Weber数为7~12。壁面温度从50℃升高至120℃，每个壁温下均进行3~5次实验。实验中，采用高速摄像仪对液滴沸腾演变机理进行采集分析，获得液滴蒸干时间、液滴直径、汽化核心密度及气泡平均直径等数据信息。其中蒸干时间误差为±20ms；液滴直径、气泡平均直径最大误差为2%；汽化核心密度最大误差为6%。 2/2.液滴沸腾演变过程 液滴蒸发主要包括液滴表面自由界面蒸发和液滴内部固液界面蒸发两部分。较低过热度或热通量下，主要以自由界面的蒸发为主，液滴缓慢蒸发。在热通量高或过热度大时，液滴内部固液界面蒸发速率明显高于自由界面的蒸发，液滴蒸发速度显著提高。定义沸腾强化因子β为： 图2 液滴沸腾曲线图 图2为恒温板光滑表面与微柱结构表面上液滴沸腾曲线，当壁温为50~80℃时，微柱表面上液滴蒸干时间要小于光滑表面，β>0。此时壁面温度较低时，微柱结构上气泡小而稀疏。相对于光滑表面，微柱结构与液滴接触面积更大，传热效率较高。壁温为90~110℃时，微柱结构上气泡增多且直径增大，易发生合并，此时气泡的存在影响固体加热壁面与液体之间的热传导，导致微柱表面上传热效率要等于或小于光滑表面。当壁温升高至120℃时，微柱表面核化沸腾汽化核心增多，且气泡生长速度快，不断发生合并、破裂，此时微柱表面传热效率显著高于光滑表面，β>0。 3/2.350℃~110℃液滴蒸发规律 液滴从20 mm高度滴落，受重力、表面张力等影响，液滴蒸发前会在液滴中心产生一个较大气泡。科研人员通过高速摄像机拍摄画面观察液滴在不同壁面温度下的蒸发现象，研究发现除中央气泡外，液滴内部有气泡生成。 图3 不同壁温液滴蒸发动态规律图像 根据图3(a)、(b)液滴顶部和侧面形态变化图像可以看出，当壁面温度在50℃和90℃时，蒸发过程中液滴与壁面的接触直径几乎不变。通过图3(c)可以看出，当壁面温度达到110℃时，在0～2s时，液滴内部气泡不断生长，合并成较大的气泡。大气泡挤压周围液体，使液滴厚度有所增加。由于微柱结构存在，液滴与壁面接触直径几乎不变，大气泡增加传热热阻，导致固体壁面与液体之间的传热效率降低。液膜降低到一定厚度时，气泡破裂，液膜进一步变薄，蒸发速度加快，液滴在5s内迅速蒸干。 4/2.50℃~110℃液滴汽化核心密度演变 图4 汽化核心密度随壁面温度的变化 选取中央气泡周围6×6个微柱为单位面积，得到液滴撞击加热固体壁面时液滴内部汽化核心密度随壁面温度变化规律，如图4所示。实验表明，随着壁面温度的升高，汽化核心密度增大。壁面温度从50℃升高至70℃，微柱结构内汽化核心密度增大了10938×103个/m2；壁面温度继续升高时，受微柱尺寸及密度的影响，汽化核心数目逐渐达到饱和，80℃升高至110℃时微柱表面汽化核心密度增幅仅为从50℃升高至70℃时的1/2。壁温达到120℃时，核化气泡瞬间合并长大，无法捕捉汽化核心。 5/2.80℃~120℃液滴气泡平均直径变化规律 图5 气泡合并 如图5所示，壁温为80℃时，液滴内部气泡至t=20.56s时未发生合并，气泡维持稳定直径直至液滴蒸干；壁温为110℃时，气泡生长至t=1.7s时开始合并；壁温为120℃时，气泡快速长大并至t=0.74s发生合并，液滴呈现剧烈沸腾。 图6 气泡平均直径 通过较低过热度下液滴内部稳定沸腾气泡直径的对比统计，可表征不同过热度液滴底部沸腾规律。以液滴中心6×6个微柱面积为研究区域，对壁温为50~100℃时液滴底部沸腾气泡高速图片进行分析，获得液滴底部沸腾气泡稳定平均直径，如图6所示。可知，随着壁面温度的升高，气泡平均直径增大；壁温较低时，气泡直径增长缓慢，从50℃升高至90℃，该区域内气泡平均直径由52.1μm增长至54.32μm；壁温从90℃升高至100℃，气泡直径增大速度提高，由54.32μm 增长至58.45μm；但稳定沸腾气泡直径随壁温升高而增大的幅值较低，仅为12.19%。当壁温提高至110、120℃汽化核心密度显著增大，气泡生长迅速、易发生合并，无稳定气泡直径。 6/2.液滴气泡分布规律 图7 液滴内部气泡分布规律 图7(a)为液滴撞击加热微柱表面后液滴内部气泡分布情况。对图片进行分析可以发现，液滴撞击加热微柱结构表面，液滴内部沿径向方向上气泡成核具有方向性规律。如图7(a)中箭头方向所示，以中央气泡为中心，呈辐射状分布，沿径向四周扩散，气泡均分布在微柱沿箭头方向一侧。影响这种分布规律的因素主要有两点：第一，液体向四周迅速铺展运动过程中，由于微柱的阻挡，在微柱“背风”处有气体存留，该位置容易核化[图7(b)]；第二，沿内径方向，液滴厚度逐渐降低，液膜变薄，热流率较高。从图7(a)中可以观察到，沿液滴径向方向，气泡直径逐渐增大。壁面温度为 50~100℃，在液滴中央大气泡附近，气泡平均直径为52.1~58.45μm；远离大气泡区域，气泡平均直径为50~150μm。液滴撞击固体壁面，不仅影响气泡分布，同时影响气泡平均直径。 3、实验结果 本文采用高速成像可视化技术，对去离子水液滴撞击微柱结构表面的蒸发过程进行观测，对液滴的蒸发及内部气泡的动态过程进行图像分析。实验测得不同壁面温度下液滴蒸干时间，获得液滴沸腾曲线；发现相对光滑表面，微柱表面在50、60、70、80、120℃强化相变换热，120℃时强化比例最大，达到35.71%；壁温为90、100、110℃时，微柱表面无强化作用，证明微结构强化传热具有一定应用范围。从液滴直径和厚度的变化可知微柱表面液滴蒸发分为两个阶段：第一阶段，液滴直径不变，厚度变化；第二阶段，液滴厚度接近微柱高度，直径减小。随壁温升高，第一阶段时长显著缩短。液滴内部核化点密度和气泡平均直径随壁面温度的升高均有明显增大的趋势。 4、总结 实验通过搭建可视化实验台，采用高速成像技术对液滴液滴冲击动力学、相变动力学过程中涉及的典型自由界面大变形问题进行了分析研究。千眼狼高速成像技术是科研实验中一种非接触式、可视化、高精度的实验方法，可以帮助科研人员解决实验难题，拓展研究新思路，让我们发现更多新现象，提供新解释。(此文源自华北电力大学陈宏霞博士)
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