水平表面水-酒精混合蒸氣Marangoni瞬態凝結過程的凝結液形態

陳娜娜，王進仕，李勇，夏凱，嚴俊杰

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水平表面水-酒精混合蒸氣Marangoni瞬態凝結過程的凝結液形態

陳娜娜，王進仕，李勇，夏凱，嚴俊杰

（西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

設計搭建了水平表面上凝結實驗系統，利用高速攝像機對水-酒精混合蒸氣Marangoni瞬態凝結過程的凝結形態進行觀察記錄，獲得了初始過冷度、酒精蒸氣濃度及蒸氣流速對凝結形態的影響規律。采用圖像邊緣提取技術對凝結圖像進行處理，統計得到了作為定量表征Marangoni凝結形態參數之一的最大液珠半徑的變化規律。研究結果表明：凝結開始的一段時間內凝結形態變化劇烈，液珠經歷形成、合并及逐漸長大的過程，最終凝結形態基本保持不變，液珠成長時間數量級約為10 s。在凝結的初始階段，當過冷度較大時，膜狀凝結與珠狀凝結同時存在于凝結表面；隨著過冷度降低，小液珠數目增多；過冷度繼續降低，凝結面全部被大量小液珠所覆蓋。隨著初始過冷度降低、酒精蒸氣濃度增高，凝結液珠成長時間增長，液珠的生長速度變慢。蒸氣流速對液珠的成長過程影響相對不明顯。隨著凝結進行，最大液珠半徑從2 mm增大到10 mm的數量級；同一凝結時刻，隨著初始過冷度增加、酒精蒸氣濃度降低，最大液珠半徑逐漸增大。

凝結；表面；凝結形態；二元混合物；最大液珠半徑

引 言

蒸氣接觸到比其壓力所對應飽和溫度低的固體壁面時將發生凝結現象。根據凝結液潤濕壁面的能力不同，蒸氣凝結可分為膜狀凝結和珠狀凝結[1]。珠狀凝結具有數倍于膜狀凝結的凝結表面傳熱系數[2]，是研究者們關注的熱點。盡管研究者在實驗室條件下實現了數萬小時的珠狀凝結，但傳統的珠狀凝結在工業環境中很難長時間維持。水-酒精混合物、氨水等具有正系統特性的二元混合物發生凝結時，形成類似于珠狀的凝結形態，這種凝結被稱為Marangoni凝結或類珠狀凝結（pseudo-dropwise凝結）[3-4]。Marangoni凝結是由于凝結表面存在表面張力梯度，導致表面張力低的部分流體向表面張力高的方向流動，使膜狀液膜出現波動，甚至撕裂，最終形成珠狀或者類似于珠狀的凝結形態。這是一種形成珠狀凝結的新思路，且類珠狀的凝結形態可以長時間維持，因為該種凝結形態是由凝結液自身物性所導致的。

凝結形態研究是揭示凝結機理、解釋凝結換熱特性的重要途徑。國內外學者針對Marangoni凝結形態開展了大量研究。20世紀80年代中后期，日本學者Fujii等[5-8]采用水-酒精作為實驗工質，進行了一系列平板和圓管表面的雙組分混合蒸氣凝結實驗，發現在低酒精濃度下凝結形態為珠狀凝結，在高酒精濃度下為平膜狀，在中間濃度下，凝結形態則呈現不規則的條狀和規則的環狀。2004年，Utaka等[9]總結了較大酒精濃度范圍內的凝結形態分布規律，發現隨著過冷度的增加，凝結形態都要經歷從平膜狀到條狀、條狀到珠狀、珠狀到帶條狀的珠狀、帶條狀的珠狀到平膜狀等一系列的轉變過程。Yang等[10]、胡申華等[11]和Wang等[12]分別研究了豎直凝結面、非等溫豎直凝結面以及具有非均勻溫度梯度的豎直凝結面上的Marangoni凝結，實驗工質均為水-酒精混合蒸氣。在實驗過程中，研究者都發現了多種凝結形態，且凝結形態受表面過冷度、凝結表面溫差、酒精蒸氣濃度、蒸氣流速及壓力等參數影響。Wang等[12]還指出，Marangoni凝結中的珠狀凝結是個動態的周期性過程，液珠的循環周期主要受過冷度、酒精濃度和壓力的影響。馬學虎等[13-14]研究了表面自由能差對豎直壁面上Marangoni凝結形態和凝結傳熱系數的影響，發現隨著表面自由能差的增加，凝結形態由膜狀凝結逐漸轉變為珠狀凝結，同時凝結傳熱系數也增加。此外，該團隊[15-16]還對梯形微通道內酒精蒸氣濃度為2%～60%的Marangoni凝結形態進行了可視化研究，發現了環狀條紋流、環狀條紋滴狀流、翻滾流、噴射滴狀流等流型，且酒精濃度對凝結形態影響較大。

此外，部分學者還對混合蒸氣Marangoni凝結形態進行了定量研究。Fujii等[5]統計了水平管外上部的最大液珠尺寸、最小液珠尺寸，測量得到的最大液珠直徑約為1.5～2.5 mm。Utaka等[17]研究發現最大脫離液珠直徑隨過冷度呈現U形變化，基本不受酒精濃度的影響，其最小值約為1.5 mm。21世紀初，Utaka等[18-20]以水-酒精作為實驗工質，采用紅外線激光吸收法測量了Marangoni凝結過程中凝結液珠的形狀和凝結液膜的厚度。Yang等[10]對凝結液珠尺寸和凝結條紋尺寸進行定量分析，擬合得到了最大液珠直徑和最大條紋寬度的計算公式。胡申華等[21]考慮了宏觀溫差和蒸氣流速對Marangoni效應的影響，擬合得到非等溫凝結表面上的最大液珠脫離半徑經驗公式。李楊[22]定量研究了豎直管外水-酒精混合蒸氣Marangoni凝結過程中，最大脫離液珠半徑和液珠尺寸分布規律。

Marangoni凝結中類珠狀的凝結形態是由凝結液表面張力梯度所導致的，以上針對混合蒸氣Marangoni凝結的研究都是針對豎直壁面或者水平管表面，凝結液表面張力梯度方向與重力作用方向相同，凝結形態均受到重力作用的影響，不能代表Marangoni凝結中僅受Marangoni效應影響的真實凝結形態。本文搭建了Marangoni凝結實驗系統，設計了水平凝結表面，在該種表面上，凝結液表面張力梯度方向與重力作用方向垂直，所形成的凝結形態可以認為僅由Marangoni效應所影響。此外，Marangoni凝結和珠狀凝結類似，其凝結過程是一個動態過程，在豎直凝結面上，存在著液珠的形成、長大、合并以及脫落過程。前人的研究大多將其視為準穩態過程，而未研究凝結瞬態過程中的凝結形態變化規律。因此，本文針對水平表面上水-酒精混合蒸氣Marangoni凝結瞬態過程凝結形態規律開展研究。

1 Marangoni凝結實驗系統及圖像處理技術

圖1為Marangoni凝結實驗系統，系統主要由3部分組成：混合蒸氣凝結循環系統、射流冷卻循環系統以及輔助冷卻循環系統。水-酒精混合蒸氣由蒸氣發生器產生，經上升管進入凝結室，在凝結室被射流冷卻水冷卻凝結，凝結液和尚未凝結的大多數蒸氣進入輔助冷凝器中，殘余混合蒸氣在此完全凝結并冷卻。最后，所有的凝結液流回至蒸氣發生器完成主蒸氣循環。由于凝結實驗是在水平表面上進行的，凝結液不能自動脫離而聚集在凝結表面上，導致凝結發生一定時間后無法持續進行。因此，在凝結表面上設計了一個雨刷器來刷掃凝結面，使凝結能夠持續進行。

圖2為實驗可視化系統。高速攝像機的型號是Phantom V611，固定在實驗件正上方，鏡頭上安裝光源，透過鋼化玻璃對實驗件上的凝結形態進行拍攝記錄。

在珠狀或者Marangoni凝結中，對于凝結液珠數量和尺寸的統計是凝結形態研究的重點，而前人[10-12,17-18]一般采用人工測量和統計的方式，該方法工作量大且存在主觀因素，導致測量結果不確定度增加。2014年，Watanabe等[23]對水蒸氣珠狀凝結過程進行可視化研究時，采用環形光源作為拍攝光源，進行拍攝記錄，取得了較好的效果。因此，本實驗中也采用環形光源作為拍攝光源，采用高速攝像機對凝結形態進行觀察記錄，之后采用本課題組[24]提出的基于環形光源的凝結液珠邊緣提取算法，對凝結液珠的邊緣進行程序提取。該方法通過灰度閾值變換、Canny算子、區域填充及開運算得到邊緣圖像，對邊緣圖像調用連通域函數，得到液珠個數及液珠的光圈半徑，最終轉換計算得到液珠真實半徑。

2 凝結形態隨各影響因素的變化規律

在前人以及本文的實驗過程中，發現酒精蒸氣濃度、初始過冷度和蒸氣流速這3個因素對凝結形態有較大的影響。本文將重點討論以上3個因素對瞬態凝結過程中凝結形態的影響規律。

2.1 瞬態凝結過程凝結形態變化規律

如前所述，本實驗系統凝結表面上裝有雨刷器，為研究凝結形態的瞬態變化過程，雨刷在刷過凝結表面后保持不動。本文將雨刷恰好全部離開凝結表面的時刻定義為液珠成長的初始時刻，此時所對應的過冷度為初始過冷度。如無特別說明，本文提到的過冷度均為初始過冷度。

圖3給出了水-酒精混合蒸氣Marangoni凝結形態瞬態變化的典型過程。從圖3(a)中可看到，初始時刻（=0 s）凝結面上開始有大量大小相近的小液珠生成，隨后小液珠逐漸合并而變大，=0.6 s時凝結面出現較大的液珠，=2.8 s時大液珠已占據約1/4凝結面，隨著液珠不斷合并，至=10.6 s大液珠所占面積已超過凝結面的1/2，但此時仍然有大量小液珠，隨著凝結的進行，整個凝結面在=22.9 s時幾乎完全被液膜所占據，之后凝結形態基本保持不變。圖3(b)為另外一個典型工況下的凝結形態變化過程，其液珠成長過程與圖3(a)中規律相類似。此外，可以看出，混合蒸氣凝結形態瞬態變化過程中，凝結開始后的某一時間段內液珠凝結形態變化劇烈，當液膜占據大部分凝結面后，其凝結形態基本維持不變。因此可以把這段時間定義為液珠成長時間，即凝結形態從開始變化劇烈至最終基本維持不變的時間。研究發現，在本文研究的實驗工況范圍內，凝結液珠的成長時間隨實驗工況變化范圍較大，但其量級都為10 s左右。

2.2 初始過冷度對凝結形態的影響規律

以前的相關研究已經表明，凝結表面過冷度是影響凝結形態和凝結傳熱特性的主要因素。本實驗在保持其他實驗條件不變的情況下，緩慢改變射流冷卻水溫度，進而使得凝結表面的初始過冷度發生變化。

圖4為凝結形態隨初始過冷度的變化。從圖中可以看出，在=0.05 s時，高初始過冷度（?=30.4 K）工況下，凝結表面出現了膜狀凝結與珠狀凝結同時存在的現象，且液膜所占面積較大。隨著初始過冷度降低（?=26.2、13.7 K），液膜所占面積比例減小，小液珠數目開始增多。當初始過冷度繼續降低到7.1 K以下時，所有凝結形態都表現為珠狀凝結，凝結面被大量大小相近的小液珠所覆蓋。

分析低過冷度工況（?=4.7、5.9、7.1 K）凝結形態的變化可以發現，當=13 s時，?=7.1 K工況下，液膜占據凝結面；隨著過冷度降低，?=5.9 K時，小液珠所占面積約為凝結面面積的1/5；?=4.7 K時，1/3的凝結表面被小液珠覆蓋，其余凝結面被大液珠所占據。分析其他時刻（=5、8 s）凝結形態的變化得到類似的結論。隨著初始過冷度降低，液珠成長時間大約從13 s增加到20 s。因此，相同凝結時刻下，隨著初始過冷度的降低，最大液珠半徑越來越小，液珠成長時間增長，液珠長大速度變慢。在其他工況下凝結形態隨初始過冷度的變化規律類似。

2.3 酒精蒸氣濃度對凝結形態的影響規律

在混合蒸氣凝結換熱過程中，水-酒精混合物處于汽液相平衡狀態。不同酒精蒸氣濃度下，由濃度差引起的Marangoni對流強度不同，因此形成的非膜狀凝結形態也必然存在較大的差別。

圖5所示為水-酒精混合蒸氣的凝結形態隨酒精蒸氣濃度的變化規律。從圖中可以看出，當=15 s時，酒精蒸氣濃度為0.5%工況下，最大液珠已經占據一半以上的凝結表面，而酒精蒸氣濃度為5%工況的最大液珠還較小。分析其他時刻，液珠大小隨酒精蒸氣濃度的變化，得到相同的結論：同一凝結時刻下，隨著酒精蒸氣濃度從0.5%增加到5%，最大液珠所占面積基本呈現減小的趨勢。研究不同酒精蒸氣濃度下液珠的成長時間，可以發現：隨著酒精蒸氣濃度增高，液珠成長時間約由15 s增加到25 s。其他工況下凝結形態隨酒精蒸氣濃度的變化規律類似。總的來看，酒精蒸氣濃度越高，液珠成長時間越長，液珠成長速度越慢。

2.4 蒸氣流速對凝結形態的影響規律

蒸氣流速的變化導致凝結液表面受到的蒸氣剪切力發生變化，最終可能使凝結形態發生變化。因此，有必要研究不同蒸氣流速下凝結形態的變化。

圖6所示是水-酒精混合蒸氣凝結形態隨蒸氣流速的變化。從圖中可以看出，=10 s時，不同蒸氣流速對應的凝結表面右側均有較大液珠；=20 s時，一半以上的凝結表面被大液膜覆蓋。對比其他時刻的凝結形態也可以看出，相比于初始過冷度和酒精蒸氣濃度，蒸氣流速對凝結形態的影響并不明顯。

圖6 凝結形態隨蒸氣流速的變化（e∞=0.5%，=31.16 kPa，?=3.0 K）
Fig.6 Condensation modes with vapor velocity (e∞=0.5%，=31.16 kPa，?=3.0 K)

3 最大液珠半徑變化規律

最大液珠半徑是定量表征凝結形態的重要參數之一。通過圖像邊緣提取技術，對水-酒精混合蒸氣Marangoni凝結中的最大液珠半徑進行了定量統計。

圖7所示是最大液珠半徑與凝結形態的對應關系。從圖中可以看出，隨著凝結的進行，凝結液珠由小變大，直至形成大液膜，凝結形態不再發生顯著變化。在此過程中，最大液珠半徑max逐漸增大，初始時刻（=0 s）最大液珠半徑約為2 mm，當大液膜覆蓋大部分凝結表面，最大液珠半徑的數量級達到10 mm。此外，從圖中還可以看出，隨著液珠的長大，其形狀不再是近似圓形，而是呈現不規則的形狀。對于不規則液珠的半徑，本文將其用等面積的圓形液珠的半徑來代替。

圖8給出了最大液珠半徑隨初始過冷度的變化規律。分析=3 s時最大液珠半徑的變化，可以發現，過冷度為7.1、5.9 K時，最大液珠半徑分別約為9.3和9.1 mm，過冷度為4.7、3.2及2.2 K時，最大液珠半徑分別約為7.5、6.3及4.7 mm。可以看出，最大液珠半徑隨初始過冷度的變化而發生改變，隨著初始過冷度降低，最大液珠半徑逐漸減小。

圖9所示為最大液珠半徑隨酒精蒸氣濃度的變化規律。從圖中可以看出，凝結時刻=2 s時，酒精蒸氣濃度為0.5%工況下，最大液珠半徑約為6.5 mm；酒精蒸氣濃度為1%時，最大液珠半徑約為5.3 mm；酒精蒸氣濃度為2%和5%工況所對應的最大液珠半徑分別約為3.2和1.7 mm。酒精蒸氣濃度對最大液珠半徑的影響較大；同一凝結時刻，隨著酒精蒸氣濃度的增加，最大液珠半徑逐漸減小。

圖10所示為最大液珠半徑隨蒸氣流速的變化規律。從圖中可以看出，在液珠生長的前3 s左右的時間內，不同蒸氣流速下，最大液珠半徑隨凝結時間的變化規律基本一致。而且，當蒸氣流速繼續增大到4 m·s-1時，最大液珠半徑隨著凝結的進行有一定程度的波動。對照其凝結形態可知，這是因為蒸氣流速較大時，凝結液珠脫離凝結表面，而原位置處又有新的液珠生成，如此往復。

4 結 論

設計搭建了水平表面上凝結實驗系統，針對水-酒精混合蒸氣Marangoni凝結開展可視化研究，利用高速攝像機觀察記錄凝結形態，采用圖像邊緣提取技術對凝結圖像進行處理，研究了初始過冷度、酒精蒸氣濃度及蒸氣流速對Marangoni瞬態凝結過程的凝結形態和最大液珠半徑的影響，得到以下結論。

（1）在凝結形態瞬態變化過程中，凝結開始的一段時間內凝結形態變化劇烈，凝結液珠經歷形成、合并及逐漸長大的過程，最終形成大的液膜并基本保持不變。液珠成長時間的數量級約為10 s。

（2）凝結初始階段，過冷度較高時，凝結表面出現膜狀凝結與珠狀凝結同時存在的現象，且液膜所占面積較大；隨著過冷度降低，液膜所占面積比例減小，小液珠數目開始增多；過冷度繼續降低，凝結面就會被大量大小相近的小液珠所覆蓋。隨著初始過冷度降低，酒精蒸氣濃度增加，液珠成長時間變長，液珠成長速度變慢。相比之下，蒸氣流速對液珠的成長過程影響不明顯。

（3）隨著凝結進行，最大液珠半徑逐漸增大，初始時刻最大液珠半徑約為2 mm，當凝結形態不再發生顯著變化時，最大液珠半徑達到10 mm的數量級。同一凝結時刻，隨著初始過冷度增加、酒精蒸氣濃度降低，最大液珠半徑逐漸增大。

符 號 說 明

p——蒸氣壓力，kPa r,rmax——分別為液珠真實半徑、最大液珠半徑，mm ?T——初始過冷度，K t——凝結時間，s U——蒸氣流速，m·s-1 we∞——酒精蒸氣質量分數，%

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Characteristics of Marangoni dynamic condensation modes for water-ethanol mixture vapors on horizontal surface

CHEN Nana, WANG Jinshi, LI Yong, XIA Kai, YAN Junjie

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China)

An experimental system was designed and built for condensation on a horizontal surface. Using the high-speed camera, the characteristics of Marangoni dynamic condensation modes for water-ethanol mixture vapors was investigated. The influence of initial vapor-to-surface temperature, ethanol vapor concentration and vapor velocity on the condensation modes was obtained. Using the method of edge detection to process the condensation pictures, the variation of maximum droplet radius, which was considered as an important parameter for quantitatively expressing Marangoni condensation modes, was obtained. The results showed that the condensation modes altered dramatically as condensation started. Then, the generation, merging and growing process of droplets could be observed until the condensation modes nearly kept constant. The order of magnitudes for the droplets growth time was about 10 s. On the beginning of condensation, when the initial vapor-to-surface temperature was high, filmwise and dropwise condensations were all on the surface. The number of droplets increased with the decrease of initial vapor-to-surface temperature. With the initial vapor-to-surface temperature kept decreasing, the surface would be covered by many small droplets. When the initial vapor-to-surface temperature decreased and ethanol vapor concentration increased, the droplets growth time would be longer, the droplets would grow slower. By contrast, the growth of droplets was slightly affected by vapor velocity. The maximum droplet radius increased during the condensation process and it would increase from 2 mm to more than 10 mm. At the same condensation time, the maximum droplet radius increased with the increase of initial vapor-to-surface temperature and decrease of ethanol vapor concentration.

codensation; surface; condensation modes; binary mixture; maximum droplet radius

supported by the National Basic Research Program of China (2015CB251504) and the National Natural Science Foundation of China (51436006, U1261210).

date: 2016-01-08.

WANG Jinshi, wangjinshi@mail.xjtu.edu.cn

TK 124

A

0438—1157（2016）09—3574—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20160031

國家重點基礎研究發展計劃項目（2015CB251504）；國家自然科學基金項目（51436006，U1261210）。

2016-01-08收到初稿，2016-06-01收到修改稿。

聯系人：王進仕。第一作者：陳娜娜（1989—），女，碩士，助理工程師。