1、高速圖像采集系統在微流體可視化實驗研究中的應用
微流體可視化實驗研究是觀察微觀尺寸下多相流在微細通道內流動演變過程，通過可視化實驗可分析多相流演變規律，揭露相關微流體研究機理，而成為科研項目常用的研究方法之一。
微流體可視化實驗研究存在流體細小、流速快等研究難題，需借助高速圖像采集，才能夠清晰觀測到流體運動狀態和流速。河北水利電力學院科研團隊，采用千眼狼高速圖像采集系統對微細通道內汽液界面瞬時演變全過程記錄回放，獲得了微細尺度下的蒸汽直接接觸間歇凝結汽液界面演變特征，揭露了由蒸汽凝結誘發壓力振蕩和水力沖擊的機理。(更多詳情請見《南京師大學報(自然科學版)》)
2、蒸汽直接接觸凝結可視化實驗研究
蒸汽直接接觸凝結在熱質傳遞過程中常伴隨高溫、高壓等特征，存在復雜的流動、傳熱于相變物理機理，影響著相關設備的安全運行，而微細通道內汽液流動、傳熱特性更是不同于常規尺寸研究?！ ?/div>
實驗系統示意圖
河北水利電力學院科研團隊設計搭建了微流體系統可視化實驗臺，由蒸汽發生系統、過冷水雙循環系統、高速圖像采集系統、溫度采集系統及 T 型可視化實驗系統組成，其中高速圖像采集時刻控制精確到 1/100 微秒。
T 型可視化實驗段示意圖
實驗研究過程中，科研人員使用千眼狼高速圖像采集系統(1280*1024@5000fps)捕捉蒸汽溫度100℃、蒸汽體積流量550µl/min及過冷水體積流量14758µl/min等參數恒定且過冷水溫度分別為30℃、40℃和50℃工況下，1000ms內汽液界面瞬時演變全過程。
1/2.過冷水30℃
圖1 不同周期內的典型汽液界面演變過程
如圖1所示，實驗中過冷水30℃時，蒸汽自豎直支管入射至水平主管內流動過冷水后，汽羽首*入增長階段(ta=0-0.4ms)。隨著新鮮蒸汽的補充汽羽頭部出現“頸縮”，且汽羽由光滑面演變為粗糙面(ta=0.6ms)。“頸縮”下部蒸汽區域瞬間潰滅，與此同時，“頸縮”上部隨著蒸汽的補充蒸汽區域繼續增大(ta=0.8ms)，繼而在ta=1.0ms 時刻，水平主管與豎直支管相交處出現更為明顯的“頸縮”現象。在ta=1.4ms 時刻支管正下方區域的顏色顯著加深，蒸汽泡發生“整體內爆”并分散成數量極多的微小汽泡。隨后，這些微汽泡群先后經歷了多次“頸縮”、局部潰滅、直至*消失的過程。通過高速采集畫面進一步觀察發現，即使在相同工況下汽液界面的時空演變行為也不*一致，表明微細通道條件下的蒸汽直接接觸間歇凝結具有一定的隨機性。
2/2.過冷水40℃
圖2 不同周期內的典型汽液界面演變過程
實驗中過冷水40℃時，在該工況下汽液界面演變過程與30℃時相似，但隨著過冷水溫度的升高，蒸汽的凝結速率降低。通過進一步觀察對比發現，相同工況下不同間歇凝結周期內汽液界面波動也存在一定的差異。圖2中周期a除了在豎直支管下方形成與周期b相似的圓柱形蒸汽區域外(tb=1.6ms，ta=1.4ms)，蒸汽區域的頭部向豎直支管軸線兩側對稱延伸(tb=3.8ms)，逆冷水流動方向一側發生潰滅，順冷水流動方向一側蒸汽區域繼續增大且在蒸汽區域的水平、豎直交接處出現明顯“頸縮”(tb=5.2ms)，隨后“頸縮”左側水平方向蒸汽區域與豎直方向蒸汽區域發生脫離、潰滅(tb=5.4-6.0ms)。另外，周期b內水平主管內存在的汽液兩相區的時間(tb=0.6-9.6ms)要明顯長于周期a汽液兩相區存在時間(ta=0.6-4.0ms)。
3/2.過冷水50℃
圖3 不同周期內的典型汽液界面演變過程
實驗中過冷水溫度50℃時，汽液界面演變過程與過冷水30℃、40℃時基本相同，不同的是汽羽的增長時間(t=0-0.8ms)和汽液兩相區存在時間(ta=1.0-5.8ms，tb=1.4-128.0ms)均要長于前2種工況相應的時間，另外圖3周期a中汽液兩相區在增長階段均沿豎直支管方向到達水平主管內壁底部 (ta=0.6-4.4ms)，且部分時刻出現蒸汽區域頭部沿豎直支管兩側方向進行延伸(例如 ta=1.6ms，1.8ms，2.4ms，2.6ms)。而圖3周期b與圖1、圖2的顯著區別在于：水平主管出現長時間的純蒸汽區域的增長(例如 tb=4.2-108.2ms)，隨后發生汽液界面波動，并在tb=117.8ms 汽液兩相區面積達到最大。間歇凝結后期出現水平主管內水平方向的“蒸汽柱”與豎直方向蒸汽區域進行分離(tb=123.8ms)，且分離后水平方向的蒸汽區域凝結較為平緩，發生凝結的蒸汽區域顏色較為透明，直至水平主管內凝結完成(tb=123.8-128.0ms)。
4/2.不同工況下各間歇凝結周期中兩相區最大面積的變化規律
通過對高速圖像采集系統獲取的圖像分析后發現，各間歇凝結周期內汽液兩相區最大面積隨過冷水溫度升高而升高，且振幅隨溫度的升高也有明顯的升高。
不同工況下各周期內汽液兩相區最大面積對比圖
進一步觀察不同工況下汽液兩相區最大面積的變化過程，發現在30℃工況下大多數間歇凝結周期內汽液兩相區最大面積在0.2cm²上下小幅度波動，部分周期內波動幅度稍大(第 32至第38個周期)且最高為0.38cm²。在 40℃工況下大多數間歇凝結周期內汽液兩相區最大面積在0.38cm²上下較大幅度波動，部分周期內波動幅度較大(第31至第38個周期)且最高為0.53cm²。而在 50℃工況下各間歇凝結周期內汽液兩相區最大面積變化總體較為平緩，僅第23個周期出現十分明顯的振蕩變化，且在該周期內出現3種工況中最大的汽液兩相區面積約為1.77cm²。
3、結論
微流體可視化實驗，采用千眼狼高速圖像采集系統獲取了不同溫度下汽液界面瞬時圖像數據，通過圖像分析得出微細通道條件下汽液界面瞬時劇烈的傳熱傳質現象，加劇汽液兩相流動的不穩定性，掌握不同周期內汽液兩相區最大面積的變化規律。這一研究，可助力核電、化工、海水淡化等行業領域相關熱門問題解決。
