王 季，王洪彬，劉珺瑞，曲文海，熊進(jìn)標(biāo)

(上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

過(guò)冷沸騰具有較強(qiáng)的換熱能力，但其基礎(chǔ)的沸騰機(jī)理仍不明確。為量化沸騰過(guò)程中氣泡的行為，學(xué)者提出了多種沸騰模型[1-3]。其中微液膜模型[3]認(rèn)為，在氣泡生長(zhǎng)初期，氣泡底部和加熱面之間存在一層很薄的微液層，厚度約為幾微米，微液層的蒸發(fā)熱阻極小，為氣泡生長(zhǎng)提供大量的能量，是氣泡生長(zhǎng)初期體積增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)者。

對(duì)微液膜主要是通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法進(jìn)行研究[4-7]。常用的測(cè)量微液層的方法有激光消光法[8-10]和激光干涉法[11-16]。激光干涉法穩(wěn)定且精度高被廣泛使用。Koffman[11]測(cè)定了水和酒精的微液膜厚度，同時(shí)指出激光干涉法的測(cè)量誤差在5%以?xún)?nèi)。Jung[12]使用了激光干涉法測(cè)量了氣泡底部微液層厚度，研究了常壓下3 ℃過(guò)冷度工況下單氣泡生長(zhǎng)行為。Jung與Kim[13-14]在2018年和2019年研究了常壓下池沸騰中干斑的動(dòng)態(tài)變化和相應(yīng)的溫度分布。Gao[15]研究了常壓下乙醇?xì)馀莸撞课⒁簩尤嘟佑|線(xiàn)和初始微液層厚度，提出了基于時(shí)間的無(wú)量綱液膜厚度模型。Chen等[16]發(fā)現(xiàn)微液層邊緣存在彎曲的月牙結(jié)構(gòu)。雖然已經(jīng)有眾多學(xué)者對(duì)微液層行為進(jìn)行了不同的研究，但對(duì)過(guò)冷沸騰中微液層的研究仍較少，對(duì)其機(jī)理行為的理解和相關(guān)模型的建立仍缺乏大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。

本文使用氧化銦錫(ITO)薄膜作為加熱面，使用激光干涉法和高速相機(jī)實(shí)現(xiàn)過(guò)冷沸騰中單氣泡生長(zhǎng)行為多角度同步可視化實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)量氣泡的接觸直徑、微液層和干斑直徑的變化過(guò)程，同時(shí)對(duì)氣泡的脫離直徑、脫離頻率、接觸直徑等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行同步測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

氣泡生長(zhǎng)周期可分為核化等待、生長(zhǎng)和脫離三部分。在氣泡長(zhǎng)大的過(guò)程中，通過(guò)高速相機(jī)從側(cè)面拍攝氣泡的宏觀行為，可得到氣泡的生長(zhǎng)過(guò)程、等待時(shí)間、脫離直徑、脫離頻率等參數(shù)。針對(duì)底部微液層行為，主要通過(guò)激光干涉法[11-16]進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)裝置主要由直流電源、池沸騰容器、加熱模塊、高速相機(jī)、激光和溫度采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置布置

實(shí)驗(yàn)容器主要分為兩部分，分別是容器本體和加熱模塊。容器尺寸為200 mm×200 mm×200 mm，容器前后上3面設(shè)置視窗，采用鋼化玻璃作為視窗材料，用于高速相機(jī)拍攝和補(bǔ)光。實(shí)驗(yàn)中使用了4根450 W的加熱棒對(duì)去離子水進(jìn)行預(yù)熱，通過(guò)可控硅控制加熱功率，保持水體溫度在設(shè)定溫度。加熱模塊部分使用直徑為30 mm的藍(lán)寶石作為加熱基體，在藍(lán)寶石表面通過(guò)磁控濺射法制備1層ITO薄膜作為加熱面。實(shí)驗(yàn)中使用的藍(lán)寶石厚度為1 mm，ITO膜的厚度為650 nm。ITO表面通過(guò)刻蝕形成單核化點(diǎn)，核化點(diǎn)尺寸約為5.7 μm，刻蝕方案和核化點(diǎn)形貌如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中加熱體被固定在1塊特氟龍基底上，特氟龍塊中心開(kāi)有直徑為10 mm的通孔，實(shí)驗(yàn)中激光從底部通孔內(nèi)入射照亮加熱面，側(cè)面使用LED燈進(jìn)行照明。

圖2 ITO刻蝕示意圖

實(shí)驗(yàn)中使用去離子水作為工作介質(zhì)，為去除水中的不凝結(jié)氣體，在未加熱時(shí)使用氬氣對(duì)去離子水進(jìn)行吹氣從而攜帶走水中的氣體，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將液體燒至沸騰，保持120 min沸騰狀態(tài)，從而確保水中的不凝結(jié)氣體去除干凈。后通過(guò)可控硅控制加熱棒功率，保持水的溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度，穩(wěn)定20 min后，啟動(dòng)直流電源對(duì)ITO膜進(jìn)行加熱。實(shí)驗(yàn)中高速相機(jī)的頻率為7 500 Hz，圖片像素為1 280×800，每個(gè)像素尺寸為20 μm。側(cè)面相機(jī)為單倍鏡頭，底部相機(jī)使用顯微鏡頭，放大倍數(shù)為7。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)兩臺(tái)同步相機(jī)得到的圖像需經(jīng)過(guò)圖像處理對(duì)所需的參數(shù)進(jìn)行提取。主要提取的參數(shù)包括液膜厚度、液膜位置分布、干斑直徑、接觸直徑、氣泡直徑等。

底部相機(jī)拍攝到的干涉條紋圖像處理的過(guò)程分為3步：首先對(duì)原始圖像進(jìn)行去背景、降噪和圖像增強(qiáng)；第2步是對(duì)每條暗條紋的位置進(jìn)行識(shí)別；第3步是計(jì)算相應(yīng)位置處的液膜厚度。其流程如圖3所示。

相機(jī)獲得的原始圖片如圖3a所示，使用圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，處理后的圖片如圖3b所示，通過(guò)灰度識(shí)別算法對(duì)處理后的圖片中的明暗條紋進(jìn)行識(shí)別，可獲得條紋的數(shù)量和位置，圖中共識(shí)別出25條暗條紋和其相應(yīng)的像素點(diǎn)位置，如圖3c所示。

a——原圖像；b——處理后圖像；c——條紋識(shí)別

通過(guò)對(duì)明暗條紋進(jìn)行計(jì)算，可得到液膜厚度，由于暗條紋的對(duì)比度比明條紋更強(qiáng)，因此本實(shí)驗(yàn)中使用暗條紋作為識(shí)別對(duì)象，其厚度計(jì)算公式如下：

(1)

式中：λ為激光波長(zhǎng)；n為水的折射率；m為暗環(huán)序數(shù)。實(shí)驗(yàn)中使用的激光波長(zhǎng)λ為640 nm，通過(guò)式(1)可求出每幀圖片中微液層在不同位置處的厚度分布。

氣泡直徑、干斑直徑和接觸直徑的定義如圖4所示。

圖4 不同階段不同直徑的定義

對(duì)氣泡宏觀直徑使用直接測(cè)量的方法進(jìn)行測(cè)量識(shí)別，如圖5所示。在氣泡生長(zhǎng)過(guò)程中，氣泡形態(tài)從半球形逐漸演變?yōu)榍蛐危詈竺撾x時(shí)為水滴形，因此對(duì)氣泡直徑的測(cè)量亦有多種方式，本文使用直接測(cè)量法。通過(guò)測(cè)量氣泡最大直徑所占的像素值，計(jì)算出其直徑。

圖5 氣泡直徑測(cè)量

接觸直徑和干斑直徑可通過(guò)干涉圖像的測(cè)量得到，也可通過(guò)灰度曲線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，如圖3c中第1條暗條紋對(duì)應(yīng)的位置即為干斑的半徑值，最后1條明條紋對(duì)應(yīng)的位置即為接觸面的半徑值。

2.2 不確定性分析

實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的參數(shù)列于表1。

表1 測(cè)量參數(shù)及不確定度

實(shí)驗(yàn)中采用直徑為1.6 mm的K型Omega鎧裝熱電偶測(cè)量液相溫度，精度為±0.5 ℃；系統(tǒng)壓力采用橫河EJA430E壓力變送器，精度為全量程的0.065%；電流和電壓的精度可達(dá)到0.01 A與0.01 V。氣泡生長(zhǎng)幾何、干涉條紋和干斑尺寸是通過(guò)統(tǒng)計(jì)每幀的像素來(lái)測(cè)量，因此氣泡尺寸的測(cè)量誤差由高速相機(jī)的分辨率決定，側(cè)面氣泡誤差約為1個(gè)像素20 μm，底部圖像誤差為1個(gè)像素3 μm。

ITO膜的加熱面積為CAD直接獲得，其精度可達(dá)到0.01 mm2。熱流密度等于加熱功率和加熱面積的比值，但由于加熱面進(jìn)行過(guò)刻蝕，整體為非均勻加熱，因此實(shí)驗(yàn)中僅計(jì)算名義熱流密度。

在計(jì)算液膜厚度時(shí)，其不確定性由激光測(cè)量方法的誤差、激光波長(zhǎng)的誤差、條紋位置誤差和原圖像處理的誤差疊加而成。激光測(cè)量技術(shù)的系統(tǒng)誤差在5%以?xún)?nèi)，激光波長(zhǎng)的誤差為1.56%，暗條紋位置的確定和原圖像處理帶來(lái)的誤差約為9.4%。根據(jù)誤差傳遞法則，計(jì)算液膜厚度時(shí)所帶來(lái)的的總誤差約為10.7%。

由于刻蝕的邊緣存在缺陷，會(huì)形成天然的核化點(diǎn)，因此在中心氣泡生長(zhǎng)時(shí)，邊緣會(huì)同時(shí)生成氣泡，由于多生長(zhǎng)于ITO的刻蝕處，因此其熱流密度較低，生成的氣泡較小。通過(guò)圖像的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在中心氣泡生長(zhǎng)初期，由于氣泡體積較小，周?chē)鷼馀輰?duì)其無(wú)影響；在中心氣泡生長(zhǎng)后期，其體積較大，會(huì)與周?chē)馀莓a(chǎn)生相互作用力，發(fā)生形變，但此時(shí)處于氣泡脫離階段，微液層已蒸干，因此小氣泡對(duì)液膜行為無(wú)影響，對(duì)氣泡后期形態(tài)有較小的影響，通過(guò)圖像對(duì)比計(jì)算得到其形變量約為8%。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 氣泡行為

通過(guò)側(cè)面布置的高速相機(jī)拍攝氣泡生長(zhǎng)和底部高速相機(jī)拍攝微液層干涉條紋，得到如圖6所示的同步圖像。

圖6 底部干涉圖像和側(cè)面圖像

圖6顯示了氣泡從核化點(diǎn)長(zhǎng)出到脫離的典型過(guò)程，左側(cè)圖片為底部微液層干涉圖像，右側(cè)圖像為側(cè)面相機(jī)拍攝的氣泡生長(zhǎng)圖像。該圖像拍攝的工況為：壓力0.1 MPa，加熱功率6.4 W，過(guò)冷度2 ℃。在0.133 ms時(shí)氣泡從核化點(diǎn)長(zhǎng)出，此時(shí)氣泡尺寸較小；5.33 ms時(shí)底部微液層達(dá)到最大直徑，微液層中間白色區(qū)域?yàn)楦珊詤^(qū)域，從側(cè)面圖像中可得到此時(shí)氣泡直徑也接近最大值，但氣泡形狀近似為半球形；9.33 ms時(shí)微液層大部分已經(jīng)蒸干，同時(shí)微液層形狀不再是標(biāo)準(zhǔn)的同心圓，出現(xiàn)了較為明顯的條紋彎曲，側(cè)面圖像顯示氣泡體積仍在增大，但橫向直徑變化不大，主要是豎直方向上尺寸的增長(zhǎng)，此時(shí)氣泡的形狀逐漸接近圓形；14.67 ms時(shí)底部微液層完全蒸干，在此過(guò)程中氣泡體積不斷增大；24 ms時(shí)，氣泡即將脫離壁面，氣泡形狀轉(zhuǎn)變?yōu)樯习氩壳蛐蜗掳氩垮F形的倒水滴形狀，氣泡與壁面接觸的干涸部分逐漸縮小直至脫離時(shí)刻降為0，周?chē)倪^(guò)冷水對(duì)原氣泡覆蓋區(qū)域進(jìn)行再潤(rùn)濕。

通過(guò)對(duì)氣泡行為的分析，可將氣泡的整個(gè)生長(zhǎng)周期分為生長(zhǎng)和脫離兩部分：在氣泡生長(zhǎng)階段能觀測(cè)到明顯的干涉條紋，氣泡呈現(xiàn)半球形；脫離階段，微液層已經(jīng)干涸，氣泡體積仍在增大，形態(tài)逐漸轉(zhuǎn)為球形和倒水滴形，底部的接觸面積逐漸收縮直至氣泡脫離。

3.2 微液層行為

通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻微液層厚度的計(jì)算，得到如圖7所示的微液層厚度分布圖。

圖7 生長(zhǎng)階段微液層厚度分布

在氣泡生長(zhǎng)階段，微液層最大厚度約為5.7 μm(0.93 ms)。在某一固定時(shí)刻，微液層的厚度隨半徑的增大而增大；隨著氣泡的長(zhǎng)大，微液層最外緣厚度即微液層最大厚度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，原因是在氣泡生長(zhǎng)初期，氣泡體積急速增大，微液層所覆蓋的面積也迅速增大，微液層最外緣厚度迅速增大；到了穩(wěn)定生長(zhǎng)時(shí)期，氣泡體積和形狀較為穩(wěn)定，此時(shí)微液層被逐漸蒸干而變薄，微液層最外緣厚度逐漸降低直至消失。

結(jié)合干涉圖像發(fā)現(xiàn)，氣泡在生長(zhǎng)階段末期，明暗條紋不再規(guī)則，特別是氣泡邊緣，干涉條紋發(fā)生彎折，存在不同位置處的微液層厚度相同的現(xiàn)象。該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[16]中所觀測(cè)到的現(xiàn)象一致。分析圖6中9.33 ms時(shí)的圖像，氣泡干涸區(qū)域在9.33 ms之前為中心向邊緣擴(kuò)散，在9.33 ms時(shí)，氣泡最外緣出現(xiàn)干涸，干涸區(qū)域變?yōu)閺臍馀葜行暮瓦吘壪蛑虚g合并的過(guò)程，如圖8中黃色箭頭所示。因此可推斷氣泡底部微液層確實(shí)存在彎曲結(jié)構(gòu)。

圖8 微液層彎曲結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 氣泡直徑、接觸直徑和干斑直徑

氣泡生長(zhǎng)過(guò)程中，氣泡直徑、接觸直徑和干斑直徑是研究氣泡的重要參數(shù)。為方便數(shù)據(jù)處理，均采用半徑進(jìn)行對(duì)比，三者之間相互關(guān)系如圖9所示。

圖9 不同半徑與時(shí)間的關(guān)系

由于氣泡在生長(zhǎng)時(shí)最大邊緣長(zhǎng)出相機(jī)拍攝視窗，但僅為氣泡最外緣部分，圖像中仍可觀測(cè)到完整的氣泡尺寸。

氣泡生長(zhǎng)過(guò)程中的兩個(gè)階段，即存在微液層的生長(zhǎng)階段和蒸干后的脫離階段時(shí)間近似相等。在氣泡生長(zhǎng)階段，氣泡接觸半徑和干斑半徑均逐漸增大，接觸半徑快速增大后趨于穩(wěn)定，而干斑半徑近似線(xiàn)性增加。當(dāng)微液層蒸干后，氣泡接觸直徑與干斑直徑相等，在穩(wěn)定一段時(shí)間后逐漸減小直至降為0，此時(shí)氣泡脫離加熱壁面。氣泡直徑在生長(zhǎng)初期快速增大，后其值維持穩(wěn)定，從圖6可看出，在5.33 s氣泡直徑達(dá)到最大值之后，氣泡直徑的直接測(cè)量值雖然變化不大，但氣泡的體積仍在增長(zhǎng)，原因是底部微液層的蒸發(fā)和氣泡周?chē)^(guò)熱流體的導(dǎo)熱使得液相不斷蒸發(fā)導(dǎo)致氣泡體積的增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致浮力增大，氣泡逐漸由半球形過(guò)渡為球形。

研究氣泡接觸直徑和氣泡直徑的比值，其關(guān)系如圖10所示。

圖10 氣泡接觸直徑與氣泡直徑的比值

在氣泡生長(zhǎng)初期，接觸直徑與氣泡直徑的比值逐漸增大，在氣泡穩(wěn)定生長(zhǎng)時(shí)，氣泡接觸直徑與氣泡直徑的比值約為0.6。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)使用ITO膜、激光和高速相機(jī)對(duì)池沸騰中單氣泡的生長(zhǎng)行為進(jìn)行了可視化研究，實(shí)驗(yàn)拍攝了單個(gè)氣泡生長(zhǎng)過(guò)程中氣泡底部微液層的生成和消亡過(guò)程，得到了清晰的底部微液層干涉圖像和對(duì)應(yīng)時(shí)刻氣泡的生長(zhǎng)和脫離行為。氣泡生長(zhǎng)過(guò)程可分為底部存在微液層的生長(zhǎng)階段和底部完全蒸干后的脫離階段兩部分，兩階段的時(shí)長(zhǎng)大致相當(dāng)。通過(guò)分析得到以下結(jié)論。

1)在生長(zhǎng)階段，干斑直徑和接觸直徑逐漸增大；在脫離階段，接觸直徑逐漸減小。

2)氣泡接觸直徑與氣泡直徑在生長(zhǎng)期趨勢(shì)相同，穩(wěn)定增長(zhǎng)時(shí)，氣泡接觸直徑與氣泡直徑的比值約為0.6。

3)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在生長(zhǎng)階段后期，微液層邊緣存在彎曲結(jié)構(gòu)。

本研究測(cè)量得到的氣泡行為可為壁面沸騰模型提供數(shù)據(jù)支持，但更廣范圍內(nèi)的應(yīng)用，仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。