基于激光誘導(dǎo)熒光法的空泡份額測(cè)量

王嘯宇，譚思超*，李少丹，岳沖

(哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱150001)

摘要：激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)作為可視化實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中的新技術(shù)，在核反應(yīng)堆熱工水力研究中得到了越來越廣泛的運(yùn)用。將激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)應(yīng)用于氣液兩相流空泡份額的測(cè)量中，介紹了激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量空泡份額的原理，描述了激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量空泡份額的具體實(shí)施方法，說明了圖像數(shù)據(jù)的處理方法，并將該測(cè)量空泡份額方法用于氣液兩相流實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究，在不同工況下進(jìn)行了豎直通道內(nèi)兩相流空泡份額測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測(cè)得的空泡份額與理論預(yù)測(cè)結(jié)果符合較好。運(yùn)用該方法能對(duì)流場(chǎng)內(nèi)的空泡份額分布進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，且不會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成干擾。

關(guān)鍵詞：空泡份額；測(cè)量技術(shù)；激光誘導(dǎo)熒光法；兩相流

中圖分類號(hào)：TL334 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-08-18;修回日期：2014-10-24

基金項(xiàng)目：核安全與仿真技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(HEUFN1305)；黑龍江省青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(1254G017)

作者簡(jiǎn)介：王嘯宇(1991—)，男，湖北襄陽人，碩士研究生，核能科學(xué)與工程專業(yè)

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2051

*通信作者：譚思超，E-mail: tansichao@hrbeu.edu.cn

Measurement of Void Fraction

Based on Laser Induced Fluorescence Method

WANG Xiao-yu, TAN Si-chao*, LI Shao-dan, YUE Chong

(FundamentalScienceonNuclearSafetyandSimulationTechnologyLaboratory,

HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:The laser induced fluorescence method, as a new technique in the field of visualization experiment field, has received more and more attention to the nuclear reactor thermal-hydraulic research. The laser induced fluorescence method was applied in the measurement of void fraction of gas-liquid two-phase flow. The principle of the void fraction measurement based on laser induced fluorescence method was introduced, and the detail procedure of this measurement technique was described, then the method of picture image data processing was presented to get the void fraction information. An experimental investigation based on planar laser induced fluorescence was conducted to measure the void fraction in vertical rectangular pipe. By comparing the void fraction measured by the laser induced fluorescence method with the theoretical analysis result, it is found that the void fraction fits well with the predicted value. Therefore, the laser induced fluorescence method can be well applied in the continuous measurement of void fraction, with which the flow field will not be disturbed.

Key words：void fraction; measuring technique; laser induced fluorescence method; two-phase flow

氣液兩相流的空泡份額會(huì)直接影響到核動(dòng)力裝置的流動(dòng)傳熱特性，是核反應(yīng)堆熱工水力研究的重點(diǎn)之一。而且反應(yīng)堆冷卻劑的空泡份額還會(huì)影響反應(yīng)堆的反應(yīng)性控制特性，進(jìn)而影響反應(yīng)堆的操控，因此，空泡份額的測(cè)量對(duì)核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行有著重要的意義。

測(cè)量空泡份額的方法較多，最簡(jiǎn)單的空泡份額測(cè)量方法就是用速關(guān)閥的方法[1-2]，通過快速關(guān)閉閥門將流體阻滯在一段管道中，再通過測(cè)量這段管道中氣液兩相的體積來獲得空泡份額。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但速關(guān)閥會(huì)對(duì)流動(dòng)造成較大影響，是一種介入式的測(cè)量方法。除了速關(guān)閥的方法外也可用阻抗法測(cè)量空泡份額[3]。阻抗法[4]主要基于氣相與液相具有不同的電阻率與電容率，通過測(cè)量流體的阻抗來獲得空泡份額。阻抗法可測(cè)量動(dòng)態(tài)變化的空泡份額，但其信號(hào)響應(yīng)速度慢，存在一定局限性。此外，光纖探針在測(cè)量空泡份額方面取得了很好的成果[5-7]。這種方法利用了液相和氣相對(duì)光的折射率不同的基本原理，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力好，但該方法易漏掉小氣泡，閾值選取經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，且測(cè)量的是局部空泡份額。除此之外，射線衰減法[8-9]也可用來測(cè)量空泡份額，射線衰減法利用X或γ射線通過氣相和液相時(shí)衰減規(guī)律的不同來推斷流體的空泡份額。這種方法的響應(yīng)速度很快，但該方法并不能精確獲取整個(gè)通道截面上的空泡分布情況，且由于放射源的操作控制及防護(hù)具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，限制了其應(yīng)用場(chǎng)合。

由于以上傳統(tǒng)的空泡份額測(cè)量方法都存在一定的局限性，不能實(shí)現(xiàn)全流場(chǎng)的無干擾實(shí)時(shí)測(cè)量，本文提出平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)量空泡份額的方法，并將其應(yīng)用于豎直管道兩相流的空泡份額測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。

1激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量空泡份額原理及方法

1.1測(cè)量原理

激光誘導(dǎo)熒光(LIF)的原理[10-11]是，某些染色劑被特定波長(zhǎng)激光照射后，會(huì)激發(fā)出波長(zhǎng)更長(zhǎng)的熒光。由于熒光與入射光的波長(zhǎng)相差較多，通過光學(xué)濾鏡可分離開入射光與熒光。圖1示出螢光素鈉的吸收光譜與發(fā)射光譜，若入射激光波長(zhǎng)選為470 nm，而光學(xué)濾鏡的通過波帶選取480～600 nm，則熒光能透過濾鏡，而激光不能透過濾鏡。激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量空泡份額正是利用了這種入射光與熒光波長(zhǎng)上的差別進(jìn)行的測(cè)量。

圖1　螢光素鈉的吸收光譜與發(fā)射光譜 [10] Fig.1　Absorption and emission spectra of sodium fluorescence [10]

圖2　LIF測(cè)量空泡份額原理 Fig.2　Principle of LIF method for measurement of void fraction

向氣液兩相流體中加入染色劑后，染色劑溶于液相，而氣相不含染色劑。故在入射激光平面的照射下，液相發(fā)出熒光，氣相不發(fā)光。通過光學(xué)濾鏡，將入射激光過濾掉，剩下的則是發(fā)射的熒光。因此對(duì)激光平面進(jìn)行拍攝，根據(jù)圖像的明暗就能得到截面的空泡份額以及空泡的位置(圖2)。

1.2測(cè)量系統(tǒng)

基于激光誘導(dǎo)熒光法的空泡份額測(cè)量系統(tǒng)由高速攝影儀、光學(xué)濾鏡、激光器、柱面鏡、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

圖3　測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 Fig.3　Schematic of measurement system

在圖3中，激光器發(fā)射的光線通過柱面鏡后形成激光平面，與氣液兩相流的流道相交，形成測(cè)量截面。通過光學(xué)濾鏡后方的高速攝影儀拍攝到測(cè)量截面的圖像后，對(duì)圖像經(jīng)過技術(shù)處理，即可根據(jù)圖像得到所測(cè)截面的空泡份額。

圖4　圖像還原處理 Fig.4　Photo reduction processing

1.3圖像處理方法

在實(shí)際測(cè)量中，為防止攝像機(jī)視野被流道上方氣泡遮擋，攝像機(jī)放置在流道側(cè)上方位置。由于高速攝像機(jī)并不是正對(duì)截面拍攝，所拍攝的圖像與實(shí)際的圖像相比會(huì)發(fā)生畸變，因此需對(duì)拍攝圖像進(jìn)行還原處理。圖像還原時(shí)，首先建立實(shí)際圖像和拍攝畸變圖像坐標(biāo)系，并設(shè)置若干參考點(diǎn)；然后通過實(shí)際圖像與畸變圖像上的參考點(diǎn)位置，推算畸變模型；再根據(jù)畸變模型對(duì)畸變圖像進(jìn)行修正，即可將拍攝畸變的圖像還原。裁剪后的還原圖像能恢復(fù)拍攝截面的真實(shí)情況，如圖4所示。

為使圖像中氣相與液相區(qū)分明顯，根據(jù)灰度值對(duì)圖像進(jìn)行多次的二值化處理，即可得到激光平面上的二值化圖像，如圖5所示。處理后的二值化圖中明亮區(qū)域表示原圖像中灰度較小的區(qū)域，此區(qū)域熒光強(qiáng)度較小，即為氣相部分；黑暗區(qū)域代表液相部分。

圖5　拍攝截面二值化圖像 Fig.5　Two-value image of laser illuminated section

二值化圖像的像素灰度值只有0和255，設(shè)每張圖像灰度為255的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)為N255，灰度為0的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)為N0，根據(jù)空泡份額的定義：

(1)

可算得激光平面的空泡份額。式中：α為空泡份額；A″為氣相截面積；A′為液相截面積。采用高速攝影儀連續(xù)拍攝，即可得到截面含氣率的時(shí)間響應(yīng)曲線。

2空泡份額測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在兩相流領(lǐng)域中，單氣泡流動(dòng)的研究較為成熟，因此本文中進(jìn)行了豎直通道內(nèi)單氣泡流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，用以驗(yàn)證激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量空泡份額的可行性。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，實(shí)驗(yàn)中氣泡由氣泵產(chǎn)生，從通道底部由進(jìn)氣孔通入。分別在進(jìn)氣孔孔徑為3 mm和8 mm的工況下進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在孔徑為3 mm的工況下，選擇了4組氣泡圖像進(jìn)行處理；在孔徑為8 mm的工況下，選擇了5組氣泡圖像進(jìn)行了處理，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6中，由于各氣泡穿過截面持續(xù)的時(shí)間不同，圖中橫坐標(biāo)為歸一化時(shí)間t，t=0.0代表氣泡剛好和激光平面接觸；t=1.0代表氣泡剛脫離平面。當(dāng)氣泡剛上升到激光平面以及快要脫離拍攝截面時(shí)，由于測(cè)量系統(tǒng)光學(xué)特性的限制，拍攝圖像明暗難以分辨，空泡份額無法測(cè)量，但氣泡穿越激光平面的主要過程能測(cè)量。

圖6　各工況下的空泡份額 Fig.6　Void fractions in different conditions

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

研究[12]表明，小氣泡保持球形形狀，大氣泡變成球帽形，從小氣泡到大氣泡過渡過程中氣泡形狀取決于外部流體性質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)的兩類工況下，氣泡形態(tài)差異較大，因此分開討論。

3.1理想氣泡的空泡份額分析

本實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)形狀為球體，豎直上升，且形狀不隨氣泡的上升而變化的氣泡為理想氣泡，如圖7所示。圖7中，R為氣泡半徑，h為氣泡穿過激光平面的距離，則氣相截面積可表示為：

(2)

圖7　理想氣泡示意圖 Fig.7　Schematic of ideal bubble

當(dāng)氣泡直徑較小時(shí)，可認(rèn)為氣泡穿過激光平面過程中速度v不發(fā)生變化，h與穿過激光平面的時(shí)間T成正比，即：

h=vT

(3)

將式(3)代入式(2)，可得：

(4)

當(dāng)氣液總截面積一定時(shí)，α∝A″，因此，可得到理想氣泡的空泡份額隨時(shí)間的變化，如圖8所示。

圖8　理想氣泡的空泡份額隨時(shí)間的變化 Fig.8　Void fraction of ideal bubble vs. time

圖9　小氣泡上升中的形態(tài) Fig.9　Morphology of small rising bubble

3.2小進(jìn)氣孔工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)進(jìn)氣孔孔徑為3 mm時(shí)，產(chǎn)生氣泡的直徑較小，氣泡形狀近似為球形，如圖9所示。圖中左、右兩圖分別代表前、后時(shí)刻流道內(nèi)的3個(gè)氣泡的流動(dòng)畫面，對(duì)比兩圖可發(fā)現(xiàn)，3個(gè)氣泡均豎直向上移動(dòng)，且形態(tài)幾乎不隨時(shí)間變化。因此，該工況下氣泡截面含氣率的變化與理想氣泡一致。

由于氣泡的大小與多種因素有關(guān)，即使在相同的孔徑下，每次產(chǎn)生的氣泡直徑也不相同，為對(duì)不同直徑的氣泡進(jìn)行比較，對(duì)圖6a進(jìn)行了歸一化處理，如圖10所示。

圖10　歸一化空泡份額隨時(shí)間的變化 Fig.10　Normalized void fraction vs. time

在圖10中，將理想氣泡的空泡份額變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的空泡份額進(jìn)行了對(duì)比，可看出，各氣泡的空泡份額隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致，且數(shù)值也符合較好。由于實(shí)際氣泡在上升中會(huì)不可避免地發(fā)生變形，且上升軌跡不是嚴(yán)格豎直，因此在部分測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的空泡份額與理想氣泡偏差較大，但總體上來看，此工況下實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的空泡份額與理想氣泡的空泡份額趨勢(shì)符合很好。

圖11　大氣泡上升中的形態(tài) Fig.11　Morphology of big rising bubble

3.3大進(jìn)氣孔工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)進(jìn)氣孔孔徑為8 mm時(shí)，由于氣泡的直徑較大，故雖然氣泡仍能在一定程度上近似于理想氣泡，但氣泡形狀不再為球形，與圖9中氣泡形態(tài)明顯不同，如圖11所示。圖中左、右兩圖分別代表前、后時(shí)刻流道內(nèi)兩個(gè)氣泡的流動(dòng)畫面，對(duì)比兩圖可發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)氣泡在上升過程中形狀都在不斷變化，且發(fā)生了一定的橫向移動(dòng)。因此，氣泡在穿越激光平面時(shí)其空泡份額雖仍能大致程度上符合理想氣泡的空泡份額的變化規(guī)律，但由于氣泡的變形，空泡份額會(huì)發(fā)生波動(dòng)。

圖6b中各氣泡的空泡份額大致趨勢(shì)都是先上升再下降，與理想氣泡相似；部分氣泡的空泡份額在達(dá)到最大值后先下降后上升，這是由于氣泡在上升過程中的變形翻轉(zhuǎn)所導(dǎo)致，這也與實(shí)驗(yàn)中觀察到氣泡的形態(tài)相符合。

3.4結(jié)果討論

在本實(shí)驗(yàn)中，不同工況下運(yùn)用激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量的空泡份額均與預(yù)測(cè)值符合較好。由于激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量空泡份額與通道布置方式以及通道內(nèi)氣相和液相的流動(dòng)情況無關(guān)，因此本方法也適用于其他流動(dòng)形式的兩相流空泡份額的測(cè)量。

由于本實(shí)驗(yàn)中未在流道內(nèi)設(shè)置傳感器，故測(cè)量過程不會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成干擾。此外激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測(cè)量空泡份額的方法可與其他激光診斷技術(shù)(如激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)溫、激光PIV測(cè)速等)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)流道內(nèi)空泡份額分布、溫度分布、速度分布等同時(shí)測(cè)量，有助于核反應(yīng)堆熱工水力多參數(shù)的耦合研究，這也是本方法相對(duì)于傳統(tǒng)空泡份額測(cè)量方法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

另外，本實(shí)驗(yàn)中的氣相是通氣孔產(chǎn)生的單氣泡，而當(dāng)流道內(nèi)氣泡較多時(shí)，激光會(huì)被前方氣泡遮擋，為后方氣泡空泡份額的測(cè)量帶來一定的干擾，因此本方法在多氣泡的空泡份額測(cè)量的適用性有待進(jìn)一步探究。

4結(jié)論

本文提出了將激光誘導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于空泡份額測(cè)量的方法，并對(duì)該方法的適用性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量得到的空泡份額與理論預(yù)測(cè)值符合較好，該方法適用于氣液兩相空泡份額的測(cè)量。由于其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，該測(cè)量方法具有良好的應(yīng)用與發(fā)展前景。

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