平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)在液膜厚度波動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究中的應(yīng)用

臧麗葉，田瑞峰，孫蘭昕，朱 蒙 ，羅 騫

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；3.深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司 上海分公司，上海 200241)

垂直自由降膜在先進(jìn)壓水堆AP1000非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)(PCCS)、核能海水淡化系統(tǒng)、蒸發(fā)器汽水分離系統(tǒng)中均有廣泛的應(yīng)用。除具有傳熱傳質(zhì)系數(shù)高、動(dòng)力消耗小等優(yōu)點(diǎn)之外[1]，降液膜的非線性流動(dòng)特征、波動(dòng)不穩(wěn)定性及其在熱效應(yīng)或切應(yīng)力情況下的破斷行為會(huì)影響工業(yè)設(shè)備的性能，例如，汽水分離系統(tǒng)的二次攜帶問(wèn)題、安全殼冷卻系統(tǒng)的局部干涸現(xiàn)象等。因而有必要對(duì)自由下降薄液膜的波動(dòng)特性以及時(shí)空演化規(guī)律[2-4]進(jìn)行深入的研究，如何對(duì)動(dòng)態(tài)波動(dòng)液膜的厚度進(jìn)行精確的實(shí)時(shí)測(cè)量已成為液膜動(dòng)力學(xué)波動(dòng)特性研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

傳統(tǒng)接觸式測(cè)量受液膜表面張力的影響，所用探頭必然會(huì)破壞測(cè)量點(diǎn)的邊界條件以致干擾液膜的流動(dòng)特性，且測(cè)量值僅是較大面積區(qū)域內(nèi)的平均值，精度較低。此外，由于電容式測(cè)量系統(tǒng)的輸出阻抗高，易受外界干擾影響而產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象[5]。傳統(tǒng)的光學(xué)方法大多是通過(guò)對(duì)光線強(qiáng)度的分析來(lái)測(cè)量液膜厚度。以光吸收方法為例，它對(duì)于擾動(dòng)不大的光滑界面比較有效，但對(duì)于表面波動(dòng)的液膜，可能由于光線在液體內(nèi)的多次折射而使測(cè)量值失真[6-7]。

1 激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)的測(cè)量原理

平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)技術(shù)是一種新型無(wú)干擾流場(chǎng)測(cè)試技術(shù)，具有高空間分辨率、快速時(shí)間響應(yīng)、高靈敏度、無(wú)干擾等優(yōu)點(diǎn)[8]。平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)試技術(shù)的基本原理為：熒光物質(zhì)經(jīng)入射激光的照射，吸收特征頻率的光子，由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定，立即退激發(fā)并發(fā)出出射光。這一激發(fā)致光過(guò)程在瞬間完成，一旦停止入射光照射，發(fā)光現(xiàn)象也隨即消失，光強(qiáng)不積累。此外，由于激發(fā)和發(fā)射之間存在著一定的能量損失，出射光的波長(zhǎng)要大于入射激光的波長(zhǎng)且在可見光波段，這一出射光被稱為熒光。利用激發(fā)光與熒光波段不同的特點(diǎn)，可采用濾光片將兩者分離，只檢測(cè)熒光強(qiáng)度以提高測(cè)量精度，并利用CCD攝像機(jī)等設(shè)備對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行采集[9]。

在液膜厚度識(shí)別中，因拍攝時(shí)攝像機(jī)和液膜所流經(jīng)的板壁均是固定的，而變化的只有液膜位置，因而將不同時(shí)刻拍攝的液膜實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行記錄，并利用數(shù)字圖像處理軟件對(duì)采集圖像進(jìn)行分析，可檢測(cè)出液膜厚度的時(shí)序變化。為了精確確定所采集圖像中單位像素相應(yīng)的實(shí)物尺寸，首先對(duì)圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)中選用無(wú)液體波形板干板壁作為標(biāo)定圖像，則激光入射位置處的瞬時(shí)液膜厚度為：

其中：h為無(wú)液體干板壁的實(shí)際厚度，μm；m為板壁厚度圖像的像素點(diǎn)數(shù)；n為激光入射位置處的某時(shí)刻液膜厚度圖像的像素點(diǎn)數(shù)；δ為該時(shí)刻的瞬時(shí)液膜厚度，μm。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)在波形板壁液膜破裂研究的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。其中液膜通過(guò)側(cè)面儲(chǔ)水箱的窄縫漫溢產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)選用最大吸收波長(zhǎng)為555 nm的羅丹明 B作為熒光劑，并采用波長(zhǎng)為532 nm的Nd:YAG激光器作為激發(fā)源，綠色激光連續(xù)輸出。采用Photron FASTCAM SA5高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，在CCD鏡頭前加裝高通濾光片，濾掉強(qiáng)度很大的綠色激光信號(hào)，進(jìn)而只捕獲橙色熒光信號(hào)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2.2 光路設(shè)計(jì)

PLIF技術(shù)測(cè)量液膜厚度的光路為正交型，即入射激光垂直于液膜所在平板，并可通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的位置來(lái)選擇所需測(cè)量點(diǎn)。CCD攝像機(jī)則在與入射激光垂直的平板切線方向進(jìn)行圖像采集，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)中CCD攝像機(jī)從上方進(jìn)行拍攝，以方便光路垂直度的調(diào)節(jié)。

圖2 光路示意圖

提前在實(shí)驗(yàn)流體中溶解某種特定分子結(jié)構(gòu)的熒光染料作為熒光劑，如圖3所示，用一束激光線光源垂直照射板壁上的液膜，由于熒光物質(zhì)的作用，被激光照射位置的液膜呈現(xiàn)橙色，利用高速攝像機(jī)在垂直方向進(jìn)行圖像采集，并在CCD鏡頭前加裝高通濾光片，由于熒光與激發(fā)光的波長(zhǎng)差異，濾光片濾掉了強(qiáng)度很大的綠色激光信號(hào)，拍攝視野中僅剩橙色熒光信號(hào)，如圖4所示，橙色區(qū)域(圖中為淺灰色區(qū)域)與周圍區(qū)域的色彩亮度差異很明顯，邊界清晰可辨，可利用數(shù)字圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)液膜邊界的有效識(shí)別。

為了防止板壁側(cè)面的儲(chǔ)水箱中液體所發(fā)出的熒光對(duì)液膜厚度熒光信號(hào)產(chǎn)生干擾，實(shí)驗(yàn)時(shí)在儲(chǔ)水箱上方貼黑色膠布。實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行，可避免其余光線的干擾，提高所捕獲圖像的清晰度。

圖3 液膜厚度的激光誘導(dǎo)熒光法測(cè)量

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1) 調(diào)節(jié)入射激光和CCD攝像機(jī)的角度，務(wù)必做到入射激光與板壁垂直，相機(jī)拍攝方向與板壁相切。

2) 用CCD對(duì)拍攝區(qū)域進(jìn)行對(duì)焦，并記錄下無(wú)介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)件圖像作為標(biāo)定圖像，此處選擇無(wú)液體干板壁壁厚作為標(biāo)定。

3) 投入羅丹明 B并開啟液膜生成系統(tǒng)，將液體流量調(diào)至預(yù)定值，等待20 min以保證板壁完全潤(rùn)濕，液膜流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。采用稱重法測(cè)量液膜流量。

4) 啟動(dòng)激光器激發(fā)熒光，利用CCD攝影機(jī)捕捉液膜圖像。本實(shí)驗(yàn)采樣頻率定為200 Hz，采樣時(shí)間為3 s。

5) 利用數(shù)字圖像處理軟件進(jìn)行圖像分析。

2.4 數(shù)字圖像處理

使用Image-pro plus數(shù)字圖像處理軟件，進(jìn)行圖像分析。

1) 分析圖片中的元素，確定能反映測(cè)量對(duì)象的圖像圖形

如圖4所示，線激光垂直照射下的液膜在圖像中表現(xiàn)為一個(gè)梯形的橙色區(qū)域，其色彩及亮度與周圍黑色背景形成強(qiáng)烈的反差，有效避免了其余光線在液膜邊界形成的陰影，測(cè)量精度大幅提高。

2) 測(cè)量對(duì)象的邊界檢測(cè)

在兩種不同色彩的邊界上，像素點(diǎn)的色彩與亮度隨位置的變化會(huì)有一較大的變動(dòng)，檢測(cè)這個(gè)小范圍內(nèi)亮度與色彩變化的最大值點(diǎn)并將其作為分界點(diǎn)的閾值，利用邊界微分的原理對(duì)液膜邊界進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別。圖4中梯形狀的輪廓線為檢測(cè)出的液膜邊界。

圖4 數(shù)字圖像處理結(jié)果

3) 測(cè)量圖片中所需圖形的測(cè)量參數(shù)，進(jìn)而得到測(cè)量對(duì)象的測(cè)量數(shù)據(jù)

圖4中梯形的兩平行邊分別代表了液固邊界和氣液邊界，則兩平行邊之間的距離即為液膜的厚度。使用Image-pro plus數(shù)字圖像處理軟件中的測(cè)量工具對(duì)兩邊之間的距離進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，實(shí)際上這里的長(zhǎng)度代表液膜厚度的像素點(diǎn)值。以事先捕捉的無(wú)液體干板壁圖像作為標(biāo)定圖像，則可通過(guò)比例尺得到液膜的實(shí)時(shí)厚度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 平均液膜厚度與雷諾數(shù)

液膜雷諾數(shù)是降液膜流動(dòng)研究的一個(gè)重要參數(shù)，Nusselt首先建立了平衡自由下降液膜的理想層流理論，得到層流假設(shè)條件下的液膜厚度平均值[2]：

本文以采集時(shí)間內(nèi)液膜厚度的算術(shù)平均值作為該雷諾數(shù)下的平均液膜厚度，即：

其中：δi為某一時(shí)刻的瞬時(shí)液膜厚度，μm；N為采樣點(diǎn)總數(shù)。

為了避免液膜波動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，選擇液膜入口附近100 mm處的位置作為測(cè)量點(diǎn)，在不同雷諾數(shù)條件下對(duì)液膜厚度進(jìn)行了測(cè)量，圖5示出平均液膜厚度與雷諾數(shù)的關(guān)系，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Nusselt理想層流理論模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，在雷諾數(shù)小于400時(shí)，兩者吻合較好；當(dāng)雷諾數(shù)大于400時(shí)，由于液膜表面波數(shù)量增多且波動(dòng)幅度也逐漸增大，使平均液膜厚度增加，測(cè)量值要大于層流理論值。

圖5 平均液膜厚度與雷諾數(shù)的關(guān)系

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到液膜平均厚度與雷諾數(shù)間的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：

圖6 液膜厚度實(shí)驗(yàn)值與擬合值的比較

圖6為液膜厚度實(shí)驗(yàn)值與擬合值的比較，可認(rèn)為在12%的誤差范圍內(nèi)，擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式可較好地表示液膜雷諾數(shù)與平均液膜厚度的關(guān)系。充分證明本實(shí)驗(yàn)所采用的平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)在液膜厚度測(cè)量應(yīng)用中的可靠性。

3.2 液膜波動(dòng)的縱向演化

實(shí)驗(yàn)中，液膜厚度的測(cè)量點(diǎn)必須能監(jiān)測(cè)液膜沿板面縱向的波動(dòng)情況，同時(shí)也必須避免邊緣效應(yīng)。以液膜入口為起點(diǎn)，在板壁中央沿縱向分別選取L1=100 mm、L2=130 mm、L3=180 mm位置作為液膜厚度的測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

圖7為液膜雷諾數(shù)為845時(shí)，3個(gè)測(cè)量點(diǎn)處液膜厚度的時(shí)序變化圖與概率密度分布(PDF)曲線[10-11]。L1位置，表面波的數(shù)量很少，波動(dòng)幅度隨時(shí)間基本不變。概率分布集中在一較窄的區(qū)域，波峰位置近似等于液膜厚度的時(shí)均值，波峰高且陡，說(shuō)明此處液膜的波動(dòng)很小，液膜厚度的分散性較小。表明L1位置接近于起波線，表面波剛形成，數(shù)量還未達(dá)到飽和。

L2位置的波形很規(guī)則，基本接近周期波。結(jié)合圖7a和b發(fā)現(xiàn)，L1和L2表面波波幅基本相同，但L2處的表面波數(shù)量卻明顯增加，說(shuō)明從L1到L2，表面波波長(zhǎng)減小，波的傳播頻率增加。與圖7d相比，圖7e概率分布的主峰高度略有下降，在較大的液膜厚度處出現(xiàn)第2波峰，說(shuō)明隨著波動(dòng)的縱向發(fā)展，表面波的數(shù)量增多使較大液膜厚度(此厚度即為表面波幅值)出現(xiàn)的概率增加，但由于波幅基本一致，其PDF特征表現(xiàn)為第2波峰狀。PDF的雙峰特征是周期擬正弦波動(dòng)的顯著特征，可將其作為鑒別表面波波動(dòng)特性的一個(gè)判據(jù)。

L3位置，某些波的波幅遠(yuǎn)大于其余波的，波前很陡且前方分布著一些幅度較小的毛細(xì)波，兩大幅度波之間的液膜表面較平坦，稱為駝峰。與L2表面波數(shù)量相比，L3駝峰波數(shù)量較少，說(shuō)明孤立波的波長(zhǎng)要比周期擬正弦波大得多。概率分布的雙峰特征消失，主峰高度大幅降低，曲線寬度明顯增大且主要表現(xiàn)在較大的液膜厚度處。這表明L3處液膜出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)現(xiàn)象，且各表面波的幅度大小不一，從而導(dǎo)致液膜厚度的分散性大幅增加。

圖7 液膜時(shí)序波動(dòng)與概率密度分布

4 結(jié)論

1) 利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)結(jié)合CCD高速攝像采集系統(tǒng)得到自由下降波動(dòng)液膜的實(shí)時(shí)圖像，通過(guò)數(shù)字圖像處理實(shí)現(xiàn)了液膜厚度的測(cè)量，得到平均液膜厚度的擬合經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。

2) 誤差分析表明平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)的應(yīng)用有效提高了液膜厚度的測(cè)量精度，解決了傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾而導(dǎo)致其準(zhǔn)確性較差的問(wèn)題。

3) 通過(guò)對(duì)液膜波動(dòng)特性的時(shí)序變化及縱向演化分析，發(fā)現(xiàn)液膜厚度PDF的特征差異可作為診斷液膜的波動(dòng)特性的判據(jù)。例如：起始小波動(dòng)的PDF曲線波峰高且尖；周期性波動(dòng)的PDF有明顯的雙峰特征；孤立波動(dòng)的PDF則是在波峰右側(cè)區(qū)域明顯延長(zhǎng)。

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