1、高速圖像采集系統(tǒng)在微流體可視化實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用
微流體可視化實(shí)驗(yàn)研究是觀(guān)察微觀(guān)尺寸下多相流在微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)演變過(guò)程，通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)可分析多相流演變規(guī)律，揭露相關(guān)微流體研究機(jī)理，而成為科研項(xiàng)目常用的研究方法之一。
微流體可視化實(shí)驗(yàn)研究存在流體細(xì)小、流速快等研究難題，需借助高速圖像采集，才能夠清晰觀(guān)測(cè)到流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和流速。河北水利電力學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)，采用千眼狼高速圖像采集系統(tǒng)對(duì)微細(xì)通道內(nèi)汽液界面瞬時(shí)演變?nèi)^(guò)程記錄回放，獲得了微細(xì)尺度下的蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)汽液界面演變特征，揭露了由蒸汽凝結(jié)誘發(fā)壓力振蕩和水力沖擊的機(jī)理。(更多詳情請(qǐng)見(jiàn)《南京師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》)
2、蒸汽直接接觸凝結(jié)可視化實(shí)驗(yàn)研究
蒸汽直接接觸凝結(jié)在熱質(zhì)傳遞過(guò)程中常伴隨高溫、高壓等特征，存在復(fù)雜的流動(dòng)、傳熱于相變物理機(jī)理，影響著相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，而微細(xì)通道內(nèi)汽液流動(dòng)、傳熱特性更是不同于常規(guī)尺寸研究。
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
河北水利電力學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)搭建了微流體系統(tǒng)可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、過(guò)冷水雙循環(huán)系統(tǒng)、高速圖像采集系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)及 T 型可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成，其中高速圖像采集時(shí)刻控制精確到 1/100 微秒。
T 型可視化實(shí)驗(yàn)段示意圖
實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，科研人員使用千眼狼高速圖像采集系統(tǒng)(1280*1024@5000fps)捕捉蒸汽溫度100℃、蒸汽體積流量550µl/min及過(guò)冷水體積流量14758µl/min等參數(shù)恒定且過(guò)冷水溫度分別為30℃、40℃和50℃工況下，1000ms內(nèi)汽液界面瞬時(shí)演變?nèi)^(guò)程。
1/2.過(guò)冷水30℃
圖1 不同周期內(nèi)的典型汽液界面演變過(guò)程
如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中過(guò)冷水30℃時(shí)，蒸汽自豎直支管入射至水平主管內(nèi)流動(dòng)過(guò)冷水后，汽羽首*入增長(zhǎng)階段(ta=0-0.4ms)。隨著新鮮蒸汽的補(bǔ)充汽羽頭部出現(xiàn)“頸縮”，且汽羽由光滑面演變?yōu)榇植诿?ta=0.6ms)。“頸縮”下部蒸汽區(qū)域瞬間潰滅，與此同時(shí)，“頸縮”上部隨著蒸汽的補(bǔ)充蒸汽區(qū)域繼續(xù)增大(ta=0.8ms)，繼而在ta=1.0ms 時(shí)刻，水平主管與豎直支管相交處出現(xiàn)更為明顯的“頸縮”現(xiàn)象。在ta=1.4ms 時(shí)刻支管正下方區(qū)域的顏色顯著加深，蒸汽泡發(fā)生“整體內(nèi)爆”并分散成數(shù)量極多的微小汽泡。隨后，這些微汽泡群先后經(jīng)歷了多次“頸縮”、局部潰滅、直至*消失的過(guò)程。通過(guò)高速采集畫(huà)面進(jìn)一步觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，即使在相同工況下汽液界面的時(shí)空演變行為也不*一致，表明微細(xì)通道條件下的蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)具有一定的隨機(jī)性。
2/2.過(guò)冷水40℃
圖2 不同周期內(nèi)的典型汽液界面演變過(guò)程
實(shí)驗(yàn)中過(guò)冷水40℃時(shí)，在該工況下汽液界面演變過(guò)程與30℃時(shí)相似，但隨著過(guò)冷水溫度的升高，蒸汽的凝結(jié)速率降低。通過(guò)進(jìn)一步觀(guān)察對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同工況下不同間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液界面波動(dòng)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(qū)域外(tb=1.6ms，ta=1.4ms)，蒸汽區(qū)域的頭部向豎直支管軸線(xiàn)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)延伸(tb=3.8ms)，逆冷水流動(dòng)方向一側(cè)發(fā)生潰滅，順冷水流動(dòng)方向一側(cè)蒸汽區(qū)域繼續(xù)增大且在蒸汽區(qū)域的水平、豎直交接處出現(xiàn)明顯“頸縮”(tb=5.2ms)，隨后“頸縮”左側(cè)水平方向蒸汽區(qū)域與豎直方向蒸汽區(qū)域發(fā)生脫離、潰滅(tb=5.4-6.0ms)。另外，周期b內(nèi)水平主管內(nèi)存在的汽液兩相區(qū)的時(shí)間(tb=0.6-9.6ms)要明顯長(zhǎng)于周期a汽液兩相區(qū)存在時(shí)間(ta=0.6-4.0ms)。
3/2.過(guò)冷水50℃
圖3 不同周期內(nèi)的典型汽液界面演變過(guò)程
實(shí)驗(yàn)中過(guò)冷水溫度50℃時(shí)，汽液界面演變過(guò)程與過(guò)冷水30℃、40℃時(shí)基本相同，不同的是汽羽的增長(zhǎng)時(shí)間(t=0-0.8ms)和汽液兩相區(qū)存在時(shí)間(ta=1.0-5.8ms，tb=1.4-128.0ms)均要長(zhǎng)于前2種工況相應(yīng)的時(shí)間，另外圖3周期a中汽液兩相區(qū)在增長(zhǎng)階段均沿豎直支管方向到達(dá)水平主管內(nèi)壁底部 (ta=0.6-4.4ms)，且部分時(shí)刻出現(xiàn)蒸汽區(qū)域頭部沿豎直支管兩側(cè)方向進(jìn)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(qū)別在于：水平主管出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的純蒸汽區(qū)域的增長(zhǎng)(例如 tb=4.2-108.2ms)，隨后發(fā)生汽液界面波動(dòng)，并在tb=117.8ms 汽液兩相區(qū)面積達(dá)到最大。間歇凝結(jié)后期出現(xiàn)水平主管內(nèi)水平方向的“蒸汽柱”與豎直方向蒸汽區(qū)域進(jìn)行分離(tb=123.8ms)，且分離后水平方向的蒸汽區(qū)域凝結(jié)較為平緩，發(fā)生凝結(jié)的蒸汽區(qū)域顏色較為透明，直至水平主管內(nèi)凝結(jié)完成(tb=123.8-128.0ms)。
4/2.不同工況下各間歇凝結(jié)周期中兩相區(qū)最大面積的變化規(guī)律
通過(guò)對(duì)高速圖像采集系統(tǒng)獲取的圖像分析后發(fā)現(xiàn)，各間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積隨過(guò)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(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積對(duì)比圖
進(jìn)一步觀(guān)察不同工況下汽液兩相區(qū)最大面積的變化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在30℃工況下大多數(shù)間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積在0.2cm²上下小幅度波動(dòng)，部分周期內(nèi)波動(dòng)幅度稍大(第 32至第38個(gè)周期)且最高為0.38cm²。在 40℃工況下大多數(shù)間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積在0.38cm²上下較大幅度波動(dòng)，部分周期內(nèi)波動(dòng)幅度較大(第31至第38個(gè)周期)且最高為0.53cm²。而在 50℃工況下各間歇凝結(jié)周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積變化總體較為平緩，僅第23個(gè)周期出現(xiàn)十分明顯的振蕩變化，且在該周期內(nèi)出現(xiàn)3種工況中最大的汽液兩相區(qū)面積約為1.77cm²。
3、結(jié)論
微流體可視化實(shí)驗(yàn)，采用千眼狼高速圖像采集系統(tǒng)獲取了不同溫度下汽液界面瞬時(shí)圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)圖像分析得出微細(xì)通道條件下汽液界面瞬時(shí)劇烈的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，加劇汽液兩相流動(dòng)的不穩(wěn)定性，掌握不同周期內(nèi)汽液兩相區(qū)最大面積的變化規(guī)律。這一研究，可助力核電、化工、海水淡化等行業(yè)領(lǐng)域相關(guān)熱門(mén)問(wèn)題解決。
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