1、高速成像技術(shù)在液滴沖擊實(shí)驗中的應用

液滴沖擊實(shí)驗廣泛應用于能源動(dòng)力等工程技術(shù)領(lǐng)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(shù)等。在實(shí)驗中，由于液滴沖擊速度過(guò)快，蒸發(fā)氣化反應迅速，普通測量方法無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗需求，因此科研人員采用高速成像技術(shù)對液滴沖擊實(shí)驗進(jìn)行非接觸式、可視化研究，解決了沖擊速度快、水滴蒸發(fā)氣化分析難等問(wèn)題。

華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機械工程學(xué)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(fā)及核化實(shí)驗中，采用千眼狼高速成像技術(shù)對液滴蒸發(fā)時(shí)形態(tài)變化、液滴內部核化點(diǎn)分布以及核化氣泡的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行研究，觀(guān)測到微柱表面不同壁面溫度下液滴沸騰蒸發(fā)等現象特征，探究了液滴沖擊對微柱表面液滴內部核化點(diǎn)分布的影響。

2、實(shí)驗過(guò)程

1/2.實(shí)驗方法

本次實(shí)驗裝置包括液滴蒸發(fā)實(shí)驗臺、溫度控制系統和數據采集系統三個(gè)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(fā)及核化過(guò)程，監測單晶硅表面的溫度。整個(gè)實(shí)驗采用兩臺高速相機，分別在側面對液滴蒸發(fā)過(guò)程的形態(tài)變化進(jìn)行監測，在頂部對液滴內部氣泡核化過(guò)程進(jìn)行記錄。

實(shí)驗介質(zhì)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(gè)壁溫下均進(jìn)行3~5次實(shí)驗。實(shí)驗中，采用高速攝像儀對液滴沸騰演變機理進(jìn)行采集分析，獲得液滴蒸干時(shí)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(shí)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(guò)程

液滴蒸發(fā)主要包括液滴表面自由界面蒸發(fā)和液滴內部固液界面蒸發(fā)兩部分。較低過(guò)熱度或熱通量下，主要以自由界面的蒸發(fā)為主，液滴緩慢蒸發(fā)。在熱通量高或過(guò)熱度大時(shí)，液滴內部固液界面蒸發(fā)速率明顯高于自由界面的蒸發(fā)，液滴蒸發(fā)速度顯著(zhù)提高。定義沸騰強化因子β為：

圖2為恒溫板光滑表面與微柱結構表面上液滴沸騰曲線(xiàn)，當壁溫為50~80℃時(shí)，微柱表面上液滴蒸干時(shí)間要小于光滑表面，β>0。此時(shí)壁面溫度較低時(shí)，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(shí)，微柱結構上氣泡增多且直徑增大，易發(fā)生合并，此時(shí)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(shí)，微柱表面核化沸騰汽化核心增多，且氣泡生長(cháng)速度快，不斷發(fā)生合并、破裂，此時(shí)微柱表面傳熱效率顯著(zhù)高于光滑表面，β>0。

3/2.350℃~110℃液滴蒸發(fā)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(fā)前會(huì )在液滴中心產(chǎn)生一個(gè)較大氣泡。科研人員通過(guò)高速攝像機拍攝畫(huà)面觀(guān)察液滴在不同壁面溫度下的蒸發(fā)現象，研究發(fā)現除中央氣泡外，液滴內部有氣泡生成。

根據圖3(a)、(b)液滴頂部和側面形態(tài)變化圖像可以看出，當壁面溫度在50℃和90℃時(shí)，蒸發(fā)過(guò)程中液滴與壁面的接觸直徑幾乎不變。通過(guò)圖3(c)可以看出，當壁面溫度達到110℃時(shí)，在0～2s時(shí)，液滴內部氣泡不斷生長(cháng)，合并成較大的氣泡。大氣泡擠壓周?chē)后w，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(shí)，氣泡破裂，液膜進(jìn)一步變薄，蒸發(fā)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

選取中央氣泡周?chē)?×6個(gè)微柱為單位面積，得到液滴撞擊加熱固體壁面時(shí)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(shí)驗表明，隨著(zhù)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(gè)/m2；壁面溫度繼續升高時(shí)，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(shí)微柱表面汽化核心密度增幅僅為從50℃升高至70℃時(shí)的1/2。壁溫達到120℃時(shí)，核化氣泡瞬間合并長(cháng)大，無(wú)法捕捉汽化核心。

5/2.80℃~120℃液滴氣泡平均直徑變化規律

如圖5所示，壁溫為80℃時(shí)，液滴內部氣泡至t=20.56s時(shí)未發(fā)生合并，氣泡維持穩定直徑直至液滴蒸干；壁溫為110℃時(shí)，氣泡生長(cháng)至t=1.7s時(shí)開(kāi)始合并；壁溫為120℃時(shí)，氣泡快速長(cháng)大并至t=0.74s發(fā)生合并，液滴呈現劇烈沸騰。

通過(guò)較低過(guò)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(guò)熱度液滴底部沸騰規律。以液滴中心6×6個(gè)微柱面積為研究區域，對壁溫為50~100℃時(shí)液滴底部沸騰氣泡高速圖片進(jìn)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(zhù)壁面溫度的升高，氣泡平均直徑增大；壁溫較低時(shí)，氣泡直徑增長(cháng)緩慢，從50℃升高至90℃，該區域內氣泡平均直徑由52.1μm增長(cháng)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(cháng)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(zhù)增大，氣泡生長(cháng)迅速、易發(fā)生合并，無(wú)穩定氣泡直徑。

6/2.液滴氣泡分布規律

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(jìn)行分析可以發(fā)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(diǎn)：第一，液體向四周迅速鋪展運動(dòng)過(guò)程中，由于微柱的阻擋，在微柱“背風(fēng)”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(guān)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(shí)影響氣泡平均直徑。

3、實(shí)驗結果

本文采用高速成像可視化技術(shù)，對去離子水液滴撞擊微柱結構表面的蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行觀(guān)測，對液滴的蒸發(fā)及內部氣泡的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行圖像分析。實(shí)驗測得不同壁面溫度下液滴蒸干時(shí)間，獲得液滴沸騰曲線(xiàn)；發(fā)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(shí)強化比例最大，達到35.71%；壁溫為90、100、110℃時(shí)，微柱表面無(wú)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(fā)分為兩個(gè)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(shí)長(cháng)顯著(zhù)縮短。液滴內部核化點(diǎn)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。