低溫流體流動可視化研究綜述

王小軍，任小軍，張 鵬，潘雁頻

(1.真空低溫技術與物理重點實驗室，蘭州空間技術物理研究所，甘肅蘭州 730000;2.上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240)

隨著科學技術的不斷進步，低溫流體在航天、醫療設備、大型超導實驗裝置及工業過程等領域的應用正變得越來越普及。以航天領域為例，我國現有長征系列火箭的推力有限逐漸成為制約飛行器尺寸與重量進一步增大的主要瓶頸，而突破這一瓶頸的關鍵在于使用大推力的加注液氫和液氧的液體火箭發動機，所以低溫流體液氫與液氧在制取、儲存、加注與軌道運行等過程中的特性還需要得到進一步的深入研究。另外，低溫流體液氮和液氦常用作衛星及其它空間探測器、醫用核磁共振裝置、核聚變裝置、大型超導磁體裝置的制冷劑。

低溫流體在科學研究中還有其獨特的優點。例如液氦，這是一種特殊的低溫流體，其密度約為水的1/8，動力粘度比水小三個數量級，在實驗室的微小尺度下就可以獲得非常高的流動雷諾數和瑞利數，是進行流體力學實驗研究的理想流體;液氦溫度低于λ點時呈現超流體狀態，可以無粘性地通過毛細孔管和多孔介質;液氦溫度低于λ點時的熱導率很高，甚至比許多高熱導率的材料都大得多，是超導磁體等的良好冷卻劑。液氮等低溫流體的沸點較低，在儲存與運輸過程中極易蒸發，在容器或管道中經常會出現氣液兩相流的情況。由于低溫流體所具有的特點，使得可視化成為研究兩相流體動力學等復雜流動現象重要的技術手段，因此進行低溫流體流動的可視化研究非常必要。與常溫的可視化實驗系統相比，低溫流體以及整個低溫實驗系統的溫度遠小于室溫，對整個系統的布置要求非常高，也對流動的可視化實驗提出了更高的要求。本文介紹了低溫流體流動可視化實驗過程中所采用的一些最新的技術與實驗方法。

1 低溫流動的可視化研究

低溫流體流動可視化實驗研究最基本的方法是在帶有光學觀察視窗的杜瓦中進行，經常通過高亮光源來提供背面光源，通過高速攝相機和微距鏡頭實現圖像的捕捉與記錄。但該種方法受到一些限制:首先，圖像區域的大小受到光學視窗尺寸的嚴重制約，如液氦低溫杜瓦上光學窗口的直徑通常在50 mm以下，液氮杜瓦上的光學視窗直徑可以略大;其次，實驗過程中需要注意杜瓦周圍室溫環境通過光學視窗的紅外輻射而引起的漏熱，在液氦的可視化實驗過程中，需要通過在杜瓦中液氮區域置放紅外過濾器或在液氦的光學視窗上添加紅外反射材料涂層等方法來減少紅外輻射漏熱對實驗的影響。

Bland等［1］最早對紫銅表面上液氮與液氫池沸騰過程中的表面氣泡情況進行了可視化的研究，其使用的相機每秒可拍攝1000幀圖片。在液氮池中，氣泡生長出來之后，球形氣泡不斷增大直至最終在脖頸一半處斷裂而離開加熱表面，該氣泡破裂的過程通常短于1 ms，而整個氣泡長大的時間過程約為200 ms。液氫池沸騰過程中氣泡生長要慢得多，但Bland沒有記錄到完整的加熱表面上液氫氣泡的整個生長過程。

Jin等［2］對不同尺寸和材料水平加熱表面上的液氮池沸騰過程中進行了可視化研究，他用高速相機記錄了整個過程中的氣泡生長情況，并重點研究了氣泡的脫離頻率。Jin所使用的液氮容器是一個不銹鋼制成的中間有真空夾套并且內層外壁包裹有兩層鋁箔的雙層杜瓦，杜瓦上共加工有三個光學視窗，其中兩個在直徑方向上對稱分布，第三個在它們的垂直方向上。他所使用的可視化相機(Falcon 1.4 M100，Dalsa Inc.)為 1.4 兆像素，在 1400 ×1024 的像素分辨率下每秒能記錄100幀圖片。

Kimura等［3］設計了一個非常緊湊的可視化裝置，對微重力環境下飽和超流氦的膜沸騰現象進行了研究。他發現隨著重力減小，加熱導線表面的膜厚度增大，并伴隨著加熱器溫度的升高。他所設計的實驗系統非常緊湊，儲存液氦的杜瓦外面安裝有兩層的防輻射屏，杜瓦上面設計有兩個對稱的直徑為15 mm的光學視窗，這兩個光學視窗由紅外涂層保護的熔融石英板制成。

Zhang和Fu等［4］對0.5和1 mm直徑微管中的液氮垂直和水平流動的流型進行了可視化研究。他們發現管內流型主要為泡狀流、彈狀流、攪拌流和環狀流，此外還觀察到了受限氣泡流、霧狀流、氣泡冷凝與流動波動現象。他們發現氣泡表面張力和微管直徑是影響流型發展與變化的重要因素。他們使用微管的可視化部分由石英玻璃管制成，使用的高速相機(USA，REDLAKE MotionPro X3)在1280×1024像素分辨率下每秒能記錄1000幀圖片，并使用一個微距鏡頭以獲得更好的圖像，光源由LED無閃燈提供。此外，Fu等［5］還解決了低溫流動可視化實驗中布光和放大倍數的難題，巧妙運用棱鏡和鏡子的組合使用同臺高速相機同時獲得了流型正面和側面的圖像，并對流型圖像進行了三維重建，獲得了更精確的可視化結果。在這些可視化實驗研究的基礎上，Fu等［6］還把垂直微管液氮流動過程中氣泡生長、離開與接下來的流型發展的可視化研究結果與fluent模擬實驗的結果進行了對比研究，發現管內的氣泡長大主要受慣性力控制，微管的尺寸對氣泡脫離頻率的影響不大，但對接下來的流型發展過程影響很大。

Hu等［7］對垂直管道中液氮的冷卻過程進行了實驗研究，并對上升和下降流動冷卻過程中管道中的氣液兩相流型進行了可視化觀察，他們發現管道中的垂直流動在某種程度上和微重力情況下的流動狀況相似。并在可視化實驗中使用了高速相機(USA，REDLAKE MotionScope PCI 8000s)進行了石英微管中的可視化觀察。

Jiang和Zhang等［8］對漿氮制備過程中的氣液界面狀況進行了可視化研究。

圖1所示是上述這些研究者進行可視化研究時所獲得的一些典型的低溫流動實驗圖像結果。上述的可視化研究方法已經比較成熟，下一步的發展方向是獲得三維化的低溫流動圖像結果。

圖1 池沸騰與流動沸騰的典型可視化研究結果［2，4］Fig.1 Typical backlight visualization results of pool boiling and flow boiling［2，4］

2 低溫流動可視化研究的拓展

在上述研究方法的基礎上，Rousset等［9］提出了一種新的可視化研究方法，他們在對管道中的超流氦氣液兩相流動進行可視化研究的過程中，把小型數碼相機和LED光源都置于低溫杜瓦內部，從而省卻了在最外層杜瓦上加工光學視窗的麻煩，可大大減小室溫紅外輻射漏熱對實驗的影響。

內窺鏡是一種通過棱鏡和鏡子來傳遞光路的管道光路系統，在低溫流動可視化研究中使用內窺鏡可以把相機放置在遠離流動現場的室溫環境中，能夠獲得很好的可視化圖像。另外，使用LED等作為光源，或者通過光纖束來實現光線的遠程傳遞，也能夠把光源放置于遠離流動現場的室溫環境中。Boutar等［10］曾使用這種方法對超流氦的氣液兩相流動進行可視化研究。最近，Rousset等［9］使用這種新方法對微重力高磁場下液氧加熱表面的沸騰換熱過程進行了可視化研究。他們的實驗過程中使用高磁場來模擬微重力環境，而相機在高磁場環境中無法工作，這是他們使用內窺鏡的重要原因。每個內窺鏡由40 mm直徑的垂直管道支撐，在底部和頂部分別放置有兩塊大約45°傾斜的鏡子來反射光路，這些鏡子可以繞軸輕微轉動，從而可以通過調節室溫區域電纜來調節鏡子傾斜角度以獲得最佳圖像。光源帶來的紅外輻射雖然對照相機拍照沒有影響，但會對液氧沸騰帶來不利影響，因此需要在光源和光纖之間安置一個過濾器來減少這種紅外輻射波長的影響，剩下的小部分紅外能量可由光纖本身吸收，基本保證沒有紅外輻射能量到達液氧沸騰區域。

圖2中所示是Rousset進行液氧沸騰可視化研究所使用內窺鏡和光纖的整個實驗系統，圖3中所示是觀察到的加熱表面上液氧沸騰的圖像結果。

圖2 應用內窺鏡的液氧沸騰可視化研究的光路系統［9］Fig.2 Optical system of liquid oxygen boiling visualization research applying endoscopes［9］

圖3 應用內窺鏡的液氧沸騰實驗的可視化結果［9］Fig.3 Visualization results of liquid oxygen boiling experiment applying endoscopes ［9］

3 基于密度變化的低溫流動可視化研究

通過密度變化引起流體透光率波動而導致的透光量變化來實現流場的可視化是一種傳統的方法。當光照通過區域的流體密度波動引起的光線密度變化較大時，可使用Shadowgraph技術和Schlieren技術來獲得流場的可視化圖像;當光線密度的變化較小時，通常需要使用激光全息干涉技術來產生條紋圖像從而獲得流場的實際情況。

3.1 Shadowgraph 技術

如上面兩式所示為Shadowgraph技術的相關表達式，式中的εy是因為流體介質密度變化而引起的光線偏離Y軸的角度，ρ是流體介質的密度，d是光軸上的距離，K是Gladstone-Dale系數，I是光的振幅。從式(1)中可以看出，密度變化引起的光線相對Y軸的偏離角度與密度在空間方向上的微分成正比。從式(2)中可以看出，光線偏離角度在Y軸方向上的微分可以用光線振幅的微變量來表示，也可以用密度在Y軸方向上的二次微分形式表示。

3.2 Schlieren技術

透明氣體、液體或固體的非均質情況會導致通過流體介質光線透光率的梯度變化，從而引起光線的偏移或折射。圖4中所示為Schlieren技術的典型光路系統，該系統可以把很小的透光率變化進行放大。式(3)中所示為其表達式，式中的F是凸透鏡的焦點，α=1/K，從式中可以看出，光線密度的變化正比于光線的偏移角度，一部分光會因為偏折而被刀刃系統阻斷，因此可以得到光線密度的二維分布結果，該結果可以表示為密度在空間分布上的空間導數形式。該光學系統中的刀刃可以增強光線在縱向和橫向上的偏移，而這兩種偏移都可以通過調節光路系統中的狹縫而在某時間由照相機捕捉到。

圖4 應用Schlieren技術可視化實驗的光路系統［11］Fig.4 Optical system of visualization experiment applying schlieren technique［11］

3.3 激光全息干涉技術

激光全息干涉技術使用脈沖激光作為光源，在獲得可視化圖像的過程中，運用雙曝光的方法記錄圖像。式(4)中所示為激光全息干涉技術中的密度表達式，式中描述的是實驗過程中由于流體密度相對初始密度的變化而引起了不同的干涉條紋出現在圖像上。式(4)中第二項表示激光束之間光學長度變化所引起的流體密度的變化。圖5中所示為典型激光全息干涉實驗的光路系統，系統中的平面凸透鏡和全息板都是重要的部件。

圖5 應用激光全息干涉技術可視化實驗的光路系統［11］Fig.5 Optical system of visualization experiment applying laser holographyinterferometer technique［11］

上述這幾種通過流體介質密度變化獲得流場分布的可視化技術所用的低溫杜瓦與前面相似，如果低溫流體是液氦的話，需要使用紅外反射涂層等來減小紅外輻射漏熱的影響。需要特別注意的是運用Schlieren技術進行可視化研究時，需要使用沒有任何瑕疵或變形的玻璃來制造光學視窗，其他情況下使用普通石英玻璃即可。進行激光全息干涉實驗時，整個實驗系統需要放置在無振動的平臺上，以避免任何部件運動給光學圖像帶來的影響。

Murakami等［12-13］成功運用 Shadowgraph 技術對超流氦中的沸騰現象、二維狹窄通道中過熱HeⅠ和HeⅡ的相界面進行了可視化研究，典型圖像結果如圖6中所示。Nozawa等［14］成功運用Schlieren技術對從飽和壓力到大氣壓范圍內超流氦的各種不同沸騰模式進行了可視化研究，典型實驗結果如圖7中所示。

Iida等［15-16］運用激光全息干涉技術對超流氦中的熱激波、由熱激波所導致的液氦蒸發引起的波動現象、以及超流氦加熱引起的壓力波動進行了成功的可視化研究。Nakano等［16］則利用激光全息干涉技術對超臨界液氮的活塞效應進行了成功的可視化研究，典型的可視化實驗結果如圖8中所示。

圖6 應用Shadowgraph技術的可視化研究結果［12-13］Fig.6 Visualization results applying shadowgraph technique［12-13］

圖7 應用Schlieren技術的可視化研究結果［14］Fig.7 Visualization result applying schlieren technique［14］

圖8 應用激光全息干涉技術的可視化研究結果［15，17］Fig.8 Visualization results applying laser holography interferometer technique［15，17］

4 運用PIV技術的低溫流動可視化研究

PIV(粒子圖像測速)技術是一種對低溫流體流動的流場進行量化可視化研究的有效手段，該技術是在低溫流體中加入一些微小尺寸的懸浮顆粒，通過對這些顆粒的追蹤來獲得整個低溫流體流場的圖像。這些懸浮顆粒需要具備以下特征:首先，能夠在流場中懸浮足夠長的時間以完成整個可視化的實驗研究，因此它們的尺寸需要盡量小，并且懸浮顆粒最好密度與被測流體接近;其次，能夠對流體的流動快速響應，這個特征也要求顆粒尺寸盡量小，微米量級為最好;最后，這些懸浮顆粒需要能夠反射光照輻射，從而使其自身很容易被光學系統追蹤捕捉到，這使得顆粒直徑存在一個尺寸下限，一般不能小于1 μm。為了獲得理想的可視化結果，實驗用懸浮顆粒最好能夠同時滿足上述幾個特征。這些顆粒可以直接購買到，如中空玻璃球形顆粒或PMMA微球形顆粒，已成功在實驗中使用;也可以通過液氦冷卻H2與D2混合物來制取微小的固體顆粒，但缺點是很難制取均勻尺寸的顆粒以及顆粒容易凝聚結團。而實驗中顆粒需要良好地分散到液體中以防止它們凝聚結團，所以在把它們加入液氦之前需要凈化掉雜質氣體。如果使用的是固氫顆粒，氫氣可以在液氦或者氦氣當中冷凝，特別是按1∶100的比例把氫氣稀釋到氦氣中去而制得的懸浮顆粒實驗效果最好，Xu等［18］認為氫的同位素是進行超流氦強迫流動的最佳追蹤顆粒。

運用PIV技術進行超流氦流場可視化研究的實驗系統中通常需要有互相垂直分布的光學視窗，其直徑一般不超過60 mm，同時需要在視窗上加工反射紅外輻射的涂層以及在實驗系統中布置防輻射屏來盡量減小輻射漏熱的影響。實驗系統使用脈沖激光器提供光束，并需要在激光器前面安置一個厚度小于2 mm的圓柱光學棱鏡把激光束轉化為光源。使用高質量CCD高速相機在激光光源的垂直方向上進行流場圖像的記錄，通常還需要一個計時器來觸發同步脈沖激光器和CCD相機。

Xu等［18］設計、建造并測試了一套用來對超流氦中強迫流動進行可視化研究的PIV實驗系統，并設計了一種能夠生成并有效加入氫同位素追蹤顆粒的方法。可視化實驗結果表明相同的熱流密度下伴有追蹤顆粒的超流氦強迫流動與普通流體的流動狀況相似。

Murakami等［19］使用氫及其同位素作為追蹤顆粒，應用PIV技術對超流氦中的噴射流動速度場成功地進行了可視化研究，他們把觀測到的噴射速度輪廓以及空間速度衰減情況與常規粘性流體的紊流圓形噴射流場狀況做了比較研究，并把在噴口喉管區域測得的超流氦速度與利用理論公式預測的常流體的流動狀況作了比較。

Xu和Murakami運用PIV技術進行可視化研究獲得的超流氦流場的圖像結果如圖9中所示。

圖9 應用PIV技術的超流氦可視化實驗結果［18-19］Fig.9 Visualization results of HeⅡapplying PIV techniques［18-19］

除超流氦之外，PIV技術還在常規低溫流體中的流動與傳熱研究等領域也具有較多的應用。

5 結論

低溫流體流動的可視化研究與常溫流體流動相比最大區別在于低溫流體溫度遠低于室溫，對整個實驗系統和光路等的布置有很高的要求，上述低溫流體流動可視化實驗系統中采取的使用小尺寸光學視窗、在光學視窗上加工紅外反射涂層、在實驗系統中安置紅外輻射過濾器和防輻射擋板、運用內窺鏡和光纖把相機與光源置于遠離低溫流體的室溫中等手段，都是為了盡可能地減小外界紅外輻射漏熱對實驗的影響。

超流氦中的瞬態熱物理現象以及超臨界氮中的活塞效應等發生時各物理量的變化都非常小，不容易直接觀測，通過測量流體密度變化所引起的光線強度的波動，運用Shadowgraph、Schlieren與激光全息干涉技術搭建合適的光路系統對這些信號進行放大與顯示，可以獲得令人滿意的可視化實驗結果。

PIV技術是對超流氦的流動現象進行可視化研究的有效手段，同時，PIV技術還在常規流體中的流動研究等領域具有應用前景，需要進行進一步的研究。

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