單氣泡生長的高速激光干涉可視化研究

王 季，王洪彬，劉珺瑞，曲文海，熊進標

(上海交通大學 核科學與工程學院，上海 200240)

過冷沸騰具有較強的換熱能力，但其基礎的沸騰機理仍不明確。為量化沸騰過程中氣泡的行為，學者提出了多種沸騰模型[1-3]。其中微液膜模型[3]認為，在氣泡生長初期，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，微液層的蒸發熱阻極小，為氣泡生長提供大量的能量，是氣泡生長初期體積增長的主要貢獻者。

對微液膜主要是通過理論推導和實驗測量方法進行研究[4-7]。常用的測量微液層的方法有激光消光法[8-10]和激光干涉法[11-16]。激光干涉法穩定且精度高被廣泛使用。Koffman[11]測定了水和酒精的微液膜厚度，同時指出激光干涉法的測量誤差在5%以內。Jung[12]使用了激光干涉法測量了氣泡底部微液層厚度，研究了常壓下3 ℃過冷度工況下單氣泡生長行為。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態變化和相應的溫度分布。Gao[15]研究了常壓下乙醇氣泡底部微液層三相接觸線和初始微液層厚度，提出了基于時間的無量綱液膜厚度模型。Chen等[16]發現微液層邊緣存在彎曲的月牙結構。雖然已經有眾多學者對微液層行為進行了不同的研究，但對過冷沸騰中微液層的研究仍較少，對其機理行為的理解和相關模型的建立仍缺乏大量實驗數據的支撐。

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實現過冷沸騰中單氣泡生長行為多角度同步可視化實驗研究，測量氣泡的接觸直徑、微液層和干斑直徑的變化過程，同時對氣泡的脫離直徑、脫離頻率、接觸直徑等相關參數進行同步測量。

1 實驗系統

氣泡生長周期可分為核化等待、生長和脫離三部分。在氣泡長大的過程中，通過高速相機從側面拍攝氣泡的宏觀行為，可得到氣泡的生長過程、等待時間、脫離直徑、脫離頻率等參數。針對底部微液層行為，主要通過激光干涉法[11-16]進行測量。

實驗裝置主要由直流電源、池沸騰容器、加熱模塊、高速相機、激光和溫度采集系統組成，如圖1所示。

圖1 實驗裝置布置

實驗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面設置視窗，采用鋼化玻璃作為視窗材料，用于高速相機拍攝和補光。實驗中使用了4根450 W的加熱棒對去離子水進行預熱，通過可控硅控制加熱功率，保持水體溫度在設定溫度。加熱模塊部分使用直徑為30 mm的藍寶石作為加熱基體，在藍寶石表面通過磁控濺射法制備1層ITO薄膜作為加熱面。實驗中使用的藍寶石厚度為1 mm，ITO膜的厚度為650 nm。ITO表面通過刻蝕形成單核化點，核化點尺寸約為5.7 μm，刻蝕方案和核化點形貌如圖2所示。實驗中加熱體被固定在1塊特氟龍基底上，特氟龍塊中心開有直徑為10 mm的通孔，實驗中激光從底部通孔內入射照亮加熱面，側面使用LED燈進行照明。

圖2 ITO刻蝕示意圖

實驗中使用去離子水作為工作介質，為去除水中的不凝結氣體，在未加熱時使用氬氣對去離子水進行吹氣從而攜帶走水中的氣體，在實驗時，先將液體燒至沸騰，保持120 min沸騰狀態，從而確保水中的不凝結氣體去除干凈。后通過可控硅控制加熱棒功率，保持水的溫度穩定在設定溫度，穩定20 min后，啟動直流電源對ITO膜進行加熱。實驗中高速相機的頻率為7 500 Hz，圖片像素為1 280×800，每個像素尺寸為20 μm。側面相機為單倍鏡頭，底部相機使用顯微鏡頭，放大倍數為7。

2 實驗數據分析

2.1 數據處理

實驗中通過兩臺同步相機得到的圖像需經過圖像處理對所需的參數進行提取。主要提取的參數包括液膜厚度、液膜位置分布、干斑直徑、接觸直徑、氣泡直徑等。

底部相機拍攝到的干涉條紋圖像處理的過程分為3步：首先對原始圖像進行去背景、降噪和圖像增強；第2步是對每條暗條紋的位置進行識別；第3步是計算相應位置處的液膜厚度。其流程如圖3所示。

相機獲得的原始圖片如圖3a所示，使用圖像處理軟件對圖像進行處理，處理后的圖片如圖3b所示，通過灰度識別算法對處理后的圖片中的明暗條紋進行識別，可獲得條紋的數量和位置，圖中共識別出25條暗條紋和其相應的像素點位置，如圖3c所示。

a——原圖像；b——處理后圖像；c——條紋識別

通過對明暗條紋進行計算，可得到液膜厚度，由于暗條紋的對比度比明條紋更強，因此本實驗中使用暗條紋作為識別對象，其厚度計算公式如下：

(1)

式中：λ為激光波長；n為水的折射率；m為暗環序數。實驗中使用的激光波長λ為640 nm，通過式(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

對氣泡宏觀直徑使用直接測量的方法進行測量識別，如圖5所示。在氣泡生長過程中，氣泡形態從半球形逐漸演變為球形，最后脫離時為水滴形，因此對氣泡直徑的測量亦有多種方式，本文使用直接測量法。通過測量氣泡最大直徑所占的像素值，計算出其直徑。

圖5 氣泡直徑測量

接觸直徑和干斑直徑可通過干涉圖像的測量得到，也可通過灰度曲線數據進行提取，如圖3c中第1條暗條紋對應的位置即為干斑的半徑值，最后1條明條紋對應的位置即為接觸面的半徑值。

2.2 不確定性分析

實驗中測量的參數列于表1。

表1 測量參數及不確定度

實驗中采用直徑為1.6 mm的K型Omega鎧裝熱電偶測量液相溫度，精度為±0.5 ℃；系統壓力采用橫河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到0.01 A與0.01 V。氣泡生長幾何、干涉條紋和干斑尺寸是通過統計每幀的像素來測量，因此氣泡尺寸的測量誤差由高速相機的分辨率決定，側面氣泡誤差約為1個像素20 μm，底部圖像誤差為1個像素3 μm。

ITO膜的加熱面積為CAD直接獲得，其精度可達到0.01 mm2。熱流密度等于加熱功率和加熱面積的比值，但由于加熱面進行過刻蝕，整體為非均勻加熱，因此實驗中僅計算名義熱流密度。

在計算液膜厚度時，其不確定性由激光測量方法的誤差、激光波長的誤差、條紋位置誤差和原圖像處理的誤差疊加而成。激光測量技術的系統誤差在5%以內，激光波長的誤差為1.56%，暗條紋位置的確定和原圖像處理帶來的誤差約為9.4%。根據誤差傳遞法則，計算液膜厚度時所帶來的的總誤差約為10.7%。

由于刻蝕的邊緣存在缺陷，會形成天然的核化點，因此在中心氣泡生長時，邊緣會同時生成氣泡，由于多生長于ITO的刻蝕處，因此其熱流密度較低，生成的氣泡較小。通過圖像的對比發現，在中心氣泡生長初期，由于氣泡體積較小，周圍氣泡對其無影響；在中心氣泡生長后期，其體積較大，會與周圍小氣泡產生相互作用力，發生形變，但此時處于氣泡脫離階段，微液層已蒸干，因此小氣泡對液膜行為無影響，對氣泡后期形態有較小的影響，通過圖像對比計算得到其形變量約為8%。

3 實驗結果分析

3.1 氣泡行為

通過側面布置的高速相機拍攝氣泡生長和底部高速相機拍攝微液層干涉條紋，得到如圖6所示的同步圖像。

圖6 底部干涉圖像和側面圖像

圖6顯示了氣泡從核化點長出到脫離的典型過程，左側圖片為底部微液層干涉圖像，右側圖像為側面相機拍攝的氣泡生長圖像。該圖像拍攝的工況為：壓力0.1 MPa，加熱功率6.4 W，過冷度2 ℃。在0.133 ms時氣泡從核化點長出，此時氣泡尺寸較小；5.33 ms時底部微液層達到最大直徑，微液層中間白色區域為干涸區域，從側面圖像中可得到此時氣泡直徑也接近最大值，但氣泡形狀近似為半球形；9.33 ms時微液層大部分已經蒸干，同時微液層形狀不再是標準的同心圓，出現了較為明顯的條紋彎曲，側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，此時氣泡的形狀逐漸接近圓形；14.67 ms時底部微液層完全蒸干，在此過程中氣泡體積不斷增大；24 ms時，氣泡即將脫離壁面，氣泡形狀轉變為上半部球形下半部錐形的倒水滴形狀，氣泡與壁面接觸的干涸部分逐漸縮小直至脫離時刻降為0，周圍的過冷水對原氣泡覆蓋區域進行再潤濕。

通過對氣泡行為的分析，可將氣泡的整個生長周期分為生長和脫離兩部分：在氣泡生長階段能觀測到明顯的干涉條紋，氣泡呈現半球形；脫離階段，微液層已經干涸，氣泡體積仍在增大，形態逐漸轉為球形和倒水滴形，底部的接觸面積逐漸收縮直至氣泡脫離。

3.2 微液層行為

通過對不同時刻微液層厚度的計算，得到如圖7所示的微液層厚度分布圖。

圖7 生長階段微液層厚度分布

在氣泡生長階段，微液層最大厚度約為5.7 μm(0.93 ms)。在某一固定時刻，微液層的厚度隨半徑的增大而增大；隨著氣泡的長大，微液層最外緣厚度即微液層最大厚度呈現先增大后減小的趨勢，原因是在氣泡生長初期，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；到了穩定生長時期，氣泡體積和形狀較為穩定，此時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。

結合干涉圖像發現，氣泡在生長階段末期，明暗條紋不再規則，特別是氣泡邊緣，干涉條紋發生彎折，存在不同位置處的微液層厚度相同的現象。該現象與文獻[16]中所觀測到的現象一致。分析圖6中9.33 ms時的圖像，氣泡干涸區域在9.33 ms之前為中心向邊緣擴散，在9.33 ms時，氣泡最外緣出現干涸，干涸區域變為從氣泡中心和邊緣向中間合并的過程，如圖8中黃色箭頭所示。因此可推斷氣泡底部微液層確實存在彎曲結構。

圖8 微液層彎曲結構示意圖

3.3 氣泡直徑、接觸直徑和干斑直徑

氣泡生長過程中，氣泡直徑、接觸直徑和干斑直徑是研究氣泡的重要參數。為方便數據處理，均采用半徑進行對比，三者之間相互關系如圖9所示。

圖9 不同半徑與時間的關系

由于氣泡在生長時最大邊緣長出相機拍攝視窗，但僅為氣泡最外緣部分，圖像中仍可觀測到完整的氣泡尺寸。

氣泡生長過程中的兩個階段，即存在微液層的生長階段和蒸干后的脫離階段時間近似相等。在氣泡生長階段，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定，而干斑半徑近似線性增加。當微液層蒸干后，氣泡接觸直徑與干斑直徑相等，在穩定一段時間后逐漸減小直至降為0，此時氣泡脫離加熱壁面。氣泡直徑在生長初期快速增大，后其值維持穩定，從圖6可看出，在5.33 s氣泡直徑達到最大值之后，氣泡直徑的直接測量值雖然變化不大，但氣泡的體積仍在增長，原因是底部微液層的蒸發和氣泡周圍過熱流體的導熱使得液相不斷蒸發導致氣泡體積的增長，從而導致浮力增大，氣泡逐漸由半球形過渡為球形。

研究氣泡接觸直徑和氣泡直徑的比值，其關系如圖10所示。

圖10 氣泡接觸直徑與氣泡直徑的比值

在氣泡生長初期，接觸直徑與氣泡直徑的比值逐漸增大，在氣泡穩定生長時，氣泡接觸直徑與氣泡直徑的比值約為0.6。

4 結論

本研究通過使用ITO膜、激光和高速相機對池沸騰中單氣泡的生長行為進行了可視化研究，實驗拍攝了單個氣泡生長過程中氣泡底部微液層的生成和消亡過程，得到了清晰的底部微液層干涉圖像和對應時刻氣泡的生長和脫離行為。氣泡生長過程可分為底部存在微液層的生長階段和底部完全蒸干后的脫離階段兩部分，兩階段的時長大致相當。通過分析得到以下結論。

1)在生長階段，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期趨勢相同，穩定增長時，氣泡接觸直徑與氣泡直徑的比值約為0.6。

3)實驗驗證了在生長階段后期，微液層邊緣存在彎曲結構。

本研究測量得到的氣泡行為可為壁面沸騰模型提供數據支持，但更廣范圍內的應用，仍需進一步驗證。