開孔金屬泡沫內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的可視化

吳浩，索夢善，陶星曉，車志釗，孫凱，陳銳，王天友

（1天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；2拉夫堡大學(xué)航空和汽車工程系，英國拉夫堡LE11 3TT）

開孔金屬泡沫是一種由“韌帶”結(jié)構(gòu)連接而成的多孔材料，其在保留基體材料性質(zhì)的同時(shí)具有更輕的重量。開孔金屬泡沫可通過鑄造、發(fā)泡、燒結(jié)、氣相沉淀、3D打印等多種方式加工而成[1]，通過靈活調(diào)節(jié)其孔徑、孔隙率等參數(shù)可實(shí)現(xiàn)不同的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和機(jī)械性能。開孔金屬泡沫孔隙率可達(dá)90%以上，具有較高的滲透率，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于能源、化工等領(lǐng)域[2-5]。在能源領(lǐng)域，金屬泡沫可作為燃料電池流道，為反應(yīng)物的供給和產(chǎn)物水的排出提供通路，許多研究已經(jīng)證明金屬泡沫可以顯著提升燃料電池的功率密度[6-10]。在化工領(lǐng)域，金屬泡沫可作為催化劑載體[11-13]，其較高的比表面積可以顯著提升反應(yīng)物與催化劑的接觸面積，連通的孔隙結(jié)構(gòu)可以成為反應(yīng)物和產(chǎn)物的良好通路，反應(yīng)物的強(qiáng)化傳輸和產(chǎn)物的快速排出有助于加速反應(yīng)的進(jìn)行。深入認(rèn)識(shí)金屬泡沫內(nèi)氣液兩相流動(dòng)規(guī)律有助于進(jìn)一步促進(jìn)金屬泡沫在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。

多孔材料內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的試驗(yàn)研究方法主要可以分為兩類：一類是以核磁共振[14-16]、中子成像[17]、X射線成像[18-20]等為代表的非侵入式成像手段，這些方法可實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)特性的分析，但其時(shí)間分辨率較低，無法捕捉到氣液兩相流動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程；另一類是光學(xué)可視化方法，該類方法時(shí)間分辨率高，能夠?qū)崿F(xiàn)兩相流動(dòng)的動(dòng)態(tài)捕捉。多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)特性的光學(xué)可視化研究主要有兩種層面：一種是孔隙尺度層面的流動(dòng)特性研究，另一種是整塊多孔介質(zhì)內(nèi)宏觀流動(dòng)特性的研究。對(duì)于前者，研究人員通常使用僅包含幾個(gè)或幾十個(gè)規(guī)則的孔隙結(jié)構(gòu)的人造多孔介質(zhì)模型作為試驗(yàn)對(duì)象，這些簡化的人造多孔介質(zhì)模型通常由透明材質(zhì)制作而成，常見的包括柱群多孔介質(zhì)和微珠填充多孔介質(zhì)模型。結(jié)合折射率匹配和PIV（particle image velocimetry）技術(shù)，研究人員對(duì)其內(nèi)部流場進(jìn)行了光學(xué)試驗(yàn)拍攝[21-25]，從孔隙尺度層面獲取了多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動(dòng)信息。對(duì)于后者，研究人員通常利用包含數(shù)百乃至上千個(gè)孔隙結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)二維多孔介質(zhì)模型進(jìn)行研究。準(zhǔn)二維多孔介質(zhì)是當(dāng)多孔介質(zhì)的厚度遠(yuǎn)小于長度與寬度時(shí)抽象出來的模型。

基于準(zhǔn)二維多孔介質(zhì)的方法，許多研究人員就多孔介質(zhì)中的兩相流動(dòng)規(guī)律開展了試驗(yàn)研究[26-28]。Lenormand等[26]使用非潤濕流體（空氣）在蝕刻網(wǎng)絡(luò)中以非常低的流速推動(dòng)潤濕流體（石蠟油），研究發(fā)現(xiàn)注入的流體形成的結(jié)構(gòu)呈分枝狀，枝狀結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)為1.80

上述以簡化的人造多孔介質(zhì)為對(duì)象的研究雖能獲取較為清晰的流動(dòng)信息，但簡化的人造多孔介質(zhì)在結(jié)構(gòu)上與真實(shí)多孔介質(zhì)相距甚遠(yuǎn)，大多只能作為理論分析的驗(yàn)證。作為特定結(jié)構(gòu)下的特定結(jié)果，其試驗(yàn)結(jié)果很難反映真實(shí)多孔材料，特別是泡沫材料這種特殊多孔介質(zhì)內(nèi)部的兩相流動(dòng)信息。因此，基于真實(shí)、復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)下的多孔介質(zhì)內(nèi)的光學(xué)可視化研究具有重要意義。然而，受限于試驗(yàn)條件等因素制約，基于真實(shí)多孔材料內(nèi)流動(dòng)特性的光學(xué)可視化研究目前依舊缺乏。利用光學(xué)可視化手段研究金屬泡沫內(nèi)氣液兩相流動(dòng)，雖然成像效果會(huì)受金屬“韌帶”的影響，但是當(dāng)其孔隙率極高、在透光方向上的厚度足夠薄時(shí)，可以在允許少量的“韌帶”對(duì)拍攝圖像干擾的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬泡沫中氣液兩相流動(dòng)的觀察。2019年，F(xiàn)ly等[31]在尺寸為40mm×10mm×1.6mm的金屬泡沫薄層中利用染色水呈現(xiàn)液態(tài)水在金屬泡沫中的狀態(tài)，揭示了金屬泡沫中少量的液態(tài)水在空氣吹掃下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。Fly等的研究表明，利用光學(xué)可視化手段研究金屬泡沫中氣液兩相宏觀流動(dòng)特性具有可行性。

目前，金屬泡沫的可視化研究主要關(guān)注局部流動(dòng)特性的分析[31-32]，缺乏對(duì)氣液兩相宏觀流動(dòng)特性的研究。本文基于準(zhǔn)二維多孔介質(zhì)的方法，采用光學(xué)可視化手段對(duì)大尺寸金屬泡沫薄層中氣液兩相流動(dòng)進(jìn)行研究，并分析泡沫孔徑、空氣和水的流速對(duì)金屬泡沫中兩相流動(dòng)過程的影響，以期進(jìn)一步加深對(duì)開孔金屬泡沫內(nèi)兩相流動(dòng)的認(rèn)識(shí)。

1 試驗(yàn)設(shè)置與圖像處理

1.1 金屬泡沫

試驗(yàn)中選用了30PPI、50PPI、75PPI、110PPI（pores per inch，即每英寸孔隙數(shù)）4種泡沫鎳，這4種泡沫鎳的平均孔徑分別為1020μm、710μm、460μm、210μm，通過選用不同孔徑的泡沫鎳以研究泡沫孔徑對(duì)其內(nèi)部兩相流動(dòng)的影響，4種泡沫的局部細(xì)節(jié)如圖1所示。其中1020μm、710μm、460μm泡沫鎳的原始厚度為3mm，210μm泡沫鎳的原始厚度為1.6mm，試驗(yàn)前將這4種泡沫鎳均壓縮至相同厚度1mm。壓縮前后泡沫鎳的參數(shù)信息見表1。試驗(yàn)中4種泡沫鎳的尺寸均為280mm×100mm×1mm。

表1 泡沫鎳樣品參數(shù)

圖1 不同孔徑的泡沫鎳

1.2 試驗(yàn)?zāi)M單元

本文制作的試驗(yàn)?zāi)M單元如圖2(a)所示，在兩個(gè)透明的丙烯酸平板之間嵌入一片厚度為1mm的金屬泡沫薄層，為密封金屬泡沫的邊緣，采用1mm厚的硅膠墊包圍泡沫鎳。如圖2(b)所示，新鮮空氣（或液態(tài)水）從入口處泵入模擬單元，然后推動(dòng)模型內(nèi)的水（或空氣）移動(dòng)，最后從出口處流出。

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3為試驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖。為了避免重力的影響，金屬泡沫模擬單元水平放置于燈箱底座上，燈箱內(nèi)放置LED照明板，燈箱頂部開設(shè)一矩形窗口并鑲嵌毛玻璃。該燈箱為試驗(yàn)提供一個(gè)均勻的背景光源，用于照亮金屬泡沫模擬單元。金屬泡沫模擬單元的入口與注射泵相連，該注射泵以受控的流速將空氣或水注入模擬單元中。一個(gè)差壓傳感器與模擬單元的進(jìn)出口管道相連，用于測量模擬單元中的流動(dòng)壓差，壓差數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡（NI USB-6361）進(jìn)行采集。試驗(yàn)中使用了兩個(gè)不同量程的差壓傳感器（量程分別為0～6kPa和0～20kPa），前者用于小空氣流量時(shí)的壓差測量（10mL/min、100mL/min），后者用于大空氣流量時(shí)的壓差測量（1000mL/min）。為了匹配壓差數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的時(shí)間，采用了一個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生器（Quantum 9214），其兩個(gè)脈沖信號(hào)輸出端口分別控制圖像和壓差數(shù)據(jù)的采集。

圖3 金屬泡沫內(nèi)氣液兩相流動(dòng)可視化試驗(yàn)系統(tǒng)

一個(gè)CMOS相機(jī)（FLIR，Grasshopper GS3-U3-123S6C）置于模擬單元的正上方，試驗(yàn)中該相機(jī)為每幅圖像提供了3780×1350像素陣列，圖像的空間分辨率約為每像素74μm。試驗(yàn)中同樣背景光源亮度、染色水濃度配比及浸潤狀態(tài)下，光線穿過不同孔徑浸滿染色水的金屬泡沫后亮度并不一致。對(duì)于每種孔徑的金屬泡沫需要單獨(dú)調(diào)節(jié)各自的相機(jī)設(shè)置參數(shù)及鏡頭參數(shù)。試驗(yàn)所用鏡頭為Tokina定焦鏡頭（MACRO 100mm F2.8 D），對(duì)于1020μm、710μm孔徑的金屬泡沫所用光圈大小為16，對(duì)于460μm、210μm孔徑的金屬泡沫所用光圈大小為11。在所有的試驗(yàn)中，除液/氣驅(qū)替試驗(yàn)部分最小水流速（1mL/min）下采用了2幀/s的拍攝幀率，其他所有試驗(yàn)環(huán)節(jié)相機(jī)幀率均為50幀/s。

1.4 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)主要采用兩種兩相流動(dòng)方式，即氣/液驅(qū)替（空氣驅(qū)替液態(tài)水）與液/氣驅(qū)替（液態(tài)水驅(qū)替空氣）。在氣/液驅(qū)替環(huán)節(jié)，試驗(yàn)初始狀態(tài)下，染色水充滿整個(gè)金屬泡沫模擬單元，將內(nèi)部空氣逐漸排除。試驗(yàn)中空氣分別以Qair=10mL/min、100mL/min、1000mL/min 3種流量勻速泵入金屬泡沫中。液/氣驅(qū)替環(huán)節(jié)以水作為侵入相。試驗(yàn)前采用熱風(fēng)槍將金屬泡沫充分烘干，使其在試驗(yàn)初始狀態(tài)下保持干燥。試驗(yàn)中染色水分別以Qw=1mL/min、10mL/min、100mL/min、1000mL/min 4種流量泵入金屬泡沫中。試驗(yàn)所用染色水由純凈水和深色墨水以25∶1的配比混合而成。所有試驗(yàn)均在室溫（25℃±1℃）下開展，此時(shí)空氣的動(dòng)力黏度為μair=0.0184mPa·s，染色水的動(dòng)力黏度為μw=0.89mPa·s，空氣與染色水之間的表面張力系數(shù)為σw=0.072N/m。

1.5 圖像處理

如圖4所示，本研究中氣/液驅(qū)替和液/氣驅(qū)替試驗(yàn)過程中均會(huì)出現(xiàn)部分驅(qū)替現(xiàn)象，本文將其分別稱為部分排水現(xiàn)象、部分浸潤現(xiàn)象。對(duì)于氣/液驅(qū)替環(huán)節(jié)，圖像中會(huì)出現(xiàn)3種顏色差異明顯的區(qū)域，如圖4(a)所示，分別是對(duì)應(yīng)于完全排水部位的白色區(qū)域、對(duì)應(yīng)于部分排水部位的淡紫色區(qū)域、對(duì)應(yīng)于完全浸潤部位的深紫色區(qū)域。對(duì)于液/氣驅(qū)替環(huán)節(jié)，圖像中同樣可能會(huì)出現(xiàn)3種顏色差異明顯的區(qū)域，如圖4(b)所示，分別是對(duì)應(yīng)于完全浸潤部位的深紫色區(qū)域、對(duì)應(yīng)于部分浸潤部位的淡紫色區(qū)域、對(duì)應(yīng)于干燥部位的白色區(qū)域。為分析上述3種區(qū)域在圖像中面積占比隨時(shí)間的演變關(guān)系，本文需要對(duì)每幅圖像中不同的區(qū)域進(jìn)行分割，并計(jì)算各個(gè)區(qū)域的面積大小。

圖4 部分驅(qū)替現(xiàn)象示例

值得注意的一點(diǎn)是，試驗(yàn)圖像中部分驅(qū)替部位由于其局部含水量的不同會(huì)呈現(xiàn)不同深淺的淡紫色，但是由于金屬泡沫骨架的干擾，無法對(duì)部分驅(qū)替部位的含水量進(jìn)行標(biāo)定，研究中忽略部分驅(qū)替部位具體的含水量，將所有部分驅(qū)替部位視作一個(gè)整體。因此本文僅考慮3種情況：完全排水區(qū)域、部分排水區(qū)域、完全浸潤區(qū)域（或完全浸潤區(qū)域、部分浸潤區(qū)域、干燥區(qū)域）。

為實(shí)現(xiàn)從原始圖像中提取出不同的區(qū)域，需要對(duì)圖像進(jìn)行分割處理。本文采用基于Otsu法的多閾值分割算法實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的分割處理。Otsu法又叫大津法或最大類間方差法。它是在灰度直方圖的基礎(chǔ)上用最小二乘法原理推導(dǎo)出來的，具有統(tǒng)計(jì)意義上的最佳分割閾值。Otsu法常被用于對(duì)圖像進(jìn)行單閾值劃分，本文通過兩次使用Otsu法，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的多閾值分割。在使用該算法將圖像初次分為兩個(gè)類之后，對(duì)需要進(jìn)一步分割的類，再次使用Otsu法對(duì)這個(gè)類進(jìn)一步分割，得到該類內(nèi)的最佳閾值。以下內(nèi)容為采用Otsu法計(jì)算最佳分割單閾值的過程。

級(jí)別i的像素?cái)?shù)由Ni表示，總像素?cái)?shù)由N=N0+N1+N2+…+N255表示。處于級(jí)別i的像素的概率為pi=Ni/N（pi≥0）。假設(shè)本文通過閾值k將像素劃分為兩個(gè)類別C1和C2。C1表示灰度級(jí)別為[0,…,k]的像素，C2表示具有灰度級(jí)別為[k+1,…,255]的像素。然后，通過式(1)～式(4)分別給出類出現(xiàn)的概率和類平均水平。

及

原始圖片的總平均水平由式(5)給出。

可以通過式(6)方法計(jì)算圖像預(yù)分割部分的平均灰度值之間的方差。

因此，可以通過式(7)確定最佳閾值k。

通過兩次使用Otsu法，可以得出對(duì)圖像進(jìn)行分割的兩個(gè)閾值k1和k2，進(jìn)而采用如下方法對(duì)圖像的不同區(qū)域進(jìn)行分割：首先將原始圖像灰值化得到灰度圖像，然后以小閾值k1、大閾值k2作為分割閾值，將所有灰度值小于k1的像素的灰度值設(shè)為0，將所有灰度值介于k1與k2之間的像素的灰度值設(shè)為128，將所有灰度值大于k2的像素的灰度值設(shè)為255，由此便可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的分割。圖5所示為采用上述圖像分割方法，對(duì)本研究中的一張圖像的不同區(qū)域進(jìn)行分割的效果圖，圖5(b)所示分割后的圖像中黑色部位對(duì)應(yīng)于圖5(a)中的深紫色區(qū)域，藍(lán)色部位對(duì)應(yīng)于圖5(a)中的淡紫色區(qū)域，紅色區(qū)域?qū)?yīng)于圖5(a)中的白色區(qū)域。

圖5 圖像分割前后對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金屬泡沫中氣/液驅(qū)替兩相流動(dòng)

2.1.1 氣流速度對(duì)兩相流動(dòng)界面形態(tài)的影響

在多孔介質(zhì)中當(dāng)一種流體驅(qū)替另一種與其不相溶的流體時(shí)，兩種流體分界面的形態(tài)取決于黏性作用力與毛細(xì)作用力之間的競爭關(guān)系[29]。流體流速會(huì)顯著影響?zhàn)ば宰饔昧εc毛細(xì)作用力的相對(duì)大小，進(jìn)而顯著影響兩相界面的形態(tài)。本節(jié)中通過改變空氣流量分別為10mL/min、100mL/min和1000mL/min，對(duì)比不同空氣流速下金屬泡沫中空氣驅(qū)替染色水的過程。

研究發(fā)現(xiàn)，在空氣吹掃液態(tài)水的過程中，氣液界面會(huì)形成復(fù)雜的枝狀結(jié)構(gòu)，如圖6所示。圖中流動(dòng)方向?yàn)閺南碌缴?。紅色方框標(biāo)識(shí)的圖像對(duì)應(yīng)了空氣初次突破金屬泡沫出口端的時(shí)刻，每幀圖像中深紫色部位表征染色水完全浸潤的部位，白色和淡紫色部位分別表征空氣吹掃后形成的完全排水部位和部分排水部位。低空氣流速下，枝狀結(jié)構(gòu)朝各個(gè)方向生長，甚至包括與流動(dòng)相反的方向。枝狀結(jié)構(gòu)的分枝數(shù)目較少，結(jié)構(gòu)較為緊湊，呈團(tuán)塊狀。此外，枝梢的延伸以間歇性突破的形式發(fā)生，在枝狀結(jié)構(gòu)生長的過程中，其枝梢每次向前延伸時(shí)會(huì)同時(shí)突破多個(gè)孔隙，并且在每個(gè)枝梢完成突破后，緊接著會(huì)伴隨一個(gè)短暫的停滯期，這在1020μm、710μm孔徑的金屬泡沫中清晰可見，這一現(xiàn)象類似于經(jīng)典的“海恩斯跳躍”（Haines jumps）現(xiàn)象[33-35]。當(dāng)枝狀結(jié)構(gòu)最前沿的枝梢生長處于停滯期時(shí)，枝狀結(jié)構(gòu)其他部位會(huì)朝向其他方向生成出新的枝梢，這樣的現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致后期的枝狀結(jié)構(gòu)在側(cè)面方向的寬度明顯比早期的枝狀結(jié)構(gòu)的寬度大，如圖6(a)所示。但是隨著空氣流速的增大這一現(xiàn)象會(huì)逐漸消失，即大流速下前后期枝狀結(jié)構(gòu)的側(cè)向?qū)挾认嗖畈淮螅鐖D6(b)、(c)所示。這種枝梢的間歇性突破式生長行為是由于氣流壓力的積累，即枝梢局部氣流的壓力在枝梢生長的停滯期內(nèi)會(huì)逐漸增大，直至下一次突破的發(fā)生。

圖6 1020μm孔徑金屬泡沫中不同空氣流量下空氣驅(qū)替液態(tài)水的過程

隨著空氣流速的增大，枝狀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化，由低流速下的較為凝聚的團(tuán)塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⒌臉渲睿种?shù)目增多。此時(shí)，枝狀結(jié)構(gòu)的生長是一個(gè)連續(xù)的過程，并且主要朝向氣流方向生長。參照前人對(duì)多孔材料中枝狀結(jié)構(gòu)的分類方式[28]，本文將小空氣流速和大空氣流速下的枝狀結(jié)構(gòu)分別歸類為毛細(xì)指狀（capillary fingering）結(jié)構(gòu)和黏性指狀（viscous fingering）結(jié)構(gòu)，如圖7所示，相較于毛細(xì)指狀結(jié)構(gòu)，黏性指狀結(jié)構(gòu)明枝狀分支數(shù)目更多，形態(tài)更分散。

圖7 毛細(xì)枝狀結(jié)構(gòu)和黏性枝狀結(jié)構(gòu)

此外，研究發(fā)現(xiàn)在空氣突破金屬泡沫出口端前后，驅(qū)替速度會(huì)發(fā)生顯著變化，因此空氣突破金屬泡沫出口端時(shí)刻是驅(qū)替過程重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。為了直觀呈現(xiàn)驅(qū)替過程在空氣突破金屬泡沫出口端前后時(shí)刻的變化，借助圖像處理手段，本研究對(duì)每組試驗(yàn)獲取的批量圖像中完全浸潤部位的面積占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。以每組試驗(yàn)圖像中每一幀圖像上完全浸潤部位的面積占比為縱坐標(biāo)，并以時(shí)間為橫坐標(biāo)，繪制了圖8所示的曲線。選定空氣從金屬泡沫一端侵入時(shí)刻作為各組試驗(yàn)的起始點(diǎn)（t=0），同時(shí)將空氣突破金屬泡沫出口端的時(shí)刻以黑點(diǎn)的形式分別標(biāo)記在對(duì)應(yīng)的曲線上。當(dāng)空氣流速為10mL/min時(shí)，驅(qū)替過程主要由一個(gè)快速驅(qū)替階段組成，驅(qū)替過程從空氣開始侵入金屬泡沫時(shí)刻開始，在突破時(shí)刻之后基本停止，殘余的液態(tài)水浸潤部位面積基本不再變化。這是因?yàn)楫?dāng)空氣流速較低時(shí)，空氣與液態(tài)水之間的剪切力與空氣運(yùn)動(dòng)慣性力的合力比毛細(xì)作用力小，在空氣突破金屬泡沫出口端后，后續(xù)通入的空氣無法驅(qū)替分布在枝狀結(jié)構(gòu)兩側(cè)殘余的液態(tài)水流動(dòng)，因此后續(xù)通入的空氣主要沿著前期通入的空氣形成的路徑通過金屬泡沫。隨著空氣流量的增大，對(duì)應(yīng)于本研究中的100mL/min、1000mL/min的空氣流量，空氣與染色水之間的剪切力及空氣運(yùn)動(dòng)的慣性力隨之增大，空氣驅(qū)替液態(tài)水流動(dòng)的過程在空氣突破金屬泡沫出口端后仍在繼續(xù)進(jìn)行，但速度有所下降。驅(qū)替過程主要由兩個(gè)階段組成，一個(gè)是快速排水期，另一個(gè)是緩慢排水期，不同階段的分界點(diǎn)對(duì)應(yīng)于空氣突破金屬泡沫出口端的時(shí)刻。

圖8 不同空氣流速下完全浸潤部位的面積占比隨時(shí)間的變化

2.1.2 泡沫孔徑對(duì)兩相流動(dòng)的影響

金屬泡沫內(nèi)部的兩相流動(dòng)過程受到泡沫的強(qiáng)烈影響。選定4種不同孔徑的泡沫鎳，其孔徑分別為1020μm、710μm、460μm、210μm，詳細(xì)參數(shù)見表1。試驗(yàn)中，在4種孔徑泡沫中均觀察到部分排水現(xiàn)象，且部分排水的程度隨著孔徑的減小而增大。如圖9所示，隨著金屬泡沫孔徑的減小，試驗(yàn)圖像中表征部分排水部位的淺紫色區(qū)域在總排水部位中面積占比逐漸增大，部分排水現(xiàn)象越來越顯著，這主要是因?yàn)榻饘倥菽诤穸确较蛏闲纬傻亩鄬涌紫督Y(jié)構(gòu)。如圖10所示，同樣厚度的泡沫，孔徑越小，在厚度方向上形成的孔隙層數(shù)越多，空氣在厚度方向上侵入的路徑選擇越多，部分排水現(xiàn)象也就越明顯。當(dāng)金屬泡沫的孔徑減小后，枝狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)同樣發(fā)生了顯著的變化，小孔徑金屬泡沫中形成的枝狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)更加凝聚。

圖9 不同孔徑金屬泡沫中空氣驅(qū)替液態(tài)水的發(fā)展過程

圖10 不同孔徑金屬泡沫中空氣流通路徑截面

2.1.3 進(jìn)出口壓差分析

試驗(yàn)中通過匹配圖像和泡沫進(jìn)出口壓差數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析流動(dòng)過程。圖11為在各組試驗(yàn)過程中金屬泡沫流道模擬單元進(jìn)出口間的壓差，空氣剛開始侵入金屬泡沫的時(shí)刻對(duì)應(yīng)t=0，如圖中方形黑色點(diǎn)標(biāo)記；紅色空心圓點(diǎn)標(biāo)記表征空氣剛好突破金屬泡沫出口端的時(shí)刻。壓差曲線上保留了從壓差開始上升直至空氣開始入侵金屬泡沫這一階段的數(shù)據(jù)。

從圖11中可以看出，模擬單元進(jìn)出口的壓差隨著入侵空氣流量的增大而增大，隨著泡沫金屬孔徑的減小而增大。低空氣流速下，在空氣開始入侵金屬泡沫前一段時(shí)間內(nèi)，進(jìn)出口的壓差先上升達(dá)到一個(gè)峰值，然后緩慢下降，直至空氣開始侵入金屬泡沫。與此相對(duì)應(yīng)的過程是，空氣推動(dòng)進(jìn)氣管道內(nèi)的液態(tài)水流過進(jìn)氣管與模擬單元的接口位置。模擬單元的進(jìn)出口管道與模擬單元垂直，這使得進(jìn)氣管與模擬單元內(nèi)的流道呈90°拐角，液態(tài)水在拐角處流動(dòng)的阻力要比空氣在拐角處流動(dòng)的阻力更大，因此當(dāng)空氣將水從拐角處推出后，模擬單元的進(jìn)出口壓降會(huì)有一個(gè)小幅下降的過程。

圖11 試驗(yàn)過程中金屬泡沫模擬單元進(jìn)出口壓差

在相同的空氣流量下，在空氣臨近侵入金屬泡沫的時(shí)刻，不同孔徑的金屬泡沫模擬單元進(jìn)出口的壓差并不相同，且隨著孔徑的減小而增大。這是因?yàn)榭諝庠谇秩虢M液態(tài)水的金屬泡沫過程中存在一個(gè)壓力閾值。只有當(dāng)進(jìn)出口間的壓差超過這個(gè)壓力閾值，空氣才能侵入金屬泡沫。壓力閾值的大小隨金屬泡沫孔徑的減小而增大。此外，與各自驅(qū)替過程的時(shí)間長度相比，大空氣流量下，壓差下降周期所占比例較大，并顯著高于小空氣流量情況。

2.2 金屬泡沫中液/氣驅(qū)替兩相流動(dòng)

在多孔介質(zhì)中，液體驅(qū)替空氣的界面隨著流體流速的增大會(huì)從毛細(xì)指狀結(jié)構(gòu)過渡到穩(wěn)定驅(qū)替的結(jié)構(gòu)，Lenormand等[28]在水銀驅(qū)替空氣的試驗(yàn)中觀察到該現(xiàn)象。當(dāng)入侵流體換成液體，即液態(tài)水驅(qū)替空氣的過程，改變不同的液態(tài)水流速和泡沫孔徑，其兩相界面形態(tài)也會(huì)顯著發(fā)生變化。如圖12所示，試驗(yàn)中，液氣界面近似呈現(xiàn)錐形，隨著水流速的增大，界面錐角增大、長度減小，液氣界面趨于規(guī)則平整。這與傳統(tǒng)多孔介質(zhì)中液體驅(qū)替空氣的界面隨著液體流速的增大趨向穩(wěn)定的現(xiàn)象一致。此外，如圖13所示，對(duì)于1020μm、710μm、460μm 3種孔徑的金屬泡沫，孔徑越小，液氣界面錐角越小，即孔徑越小，液氣界面趨于不規(guī)則；當(dāng)孔徑為210μm時(shí)，液氣界面的形態(tài)呈枝狀，不再呈錐形。

圖12 460μm金屬泡沫中不同水流量下液態(tài)水驅(qū)替空氣的過程

圖13 不同孔徑金屬泡沫中液態(tài)水驅(qū)替空氣的過程

相較于空氣驅(qū)替液態(tài)水的過程中金屬泡沫中出現(xiàn)明顯的部分排水現(xiàn)象，在液態(tài)水驅(qū)替空氣的過程中，僅在選定的最小孔徑的金屬泡沫（210μm）中出現(xiàn)比較明顯的部分驅(qū)替現(xiàn)象，且水的流速越小，部分驅(qū)替現(xiàn)象越明顯，如圖14所示。

圖14 210μm金屬泡沫中不同水流量下液態(tài)水驅(qū)替空氣的過程

3 結(jié)論

基于準(zhǔn)二維多孔介質(zhì)的研究方法，以大尺寸金屬泡沫薄層為研究對(duì)象，搭建了金屬泡沫可視化試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了不同流體流速、不同泡沫孔徑條件下金屬泡沫內(nèi)兩相流動(dòng)的可視化試驗(yàn)，探究了金屬泡沫薄層內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的特性。得到如下結(jié)論。

（1）氣/液驅(qū)替流動(dòng)方面 隨著空氣流速的增大，氣液兩相的界面形態(tài)由毛細(xì)指狀結(jié)構(gòu)過渡到黏性指狀結(jié)構(gòu)。隨著金屬泡沫孔徑的減小，部分排水現(xiàn)象愈加顯著。此外，在空氣臨近侵入金屬泡沫的時(shí)刻，進(jìn)出口管道間的壓差隨著金屬泡沫孔徑的減小而變大。

（2）液/氣驅(qū)替流動(dòng)方面 氣液兩相界面在試驗(yàn)中近似呈錐形，隨著水流速的增大，界面錐角增大，氣液界面趨于平整。隨著泡沫孔徑減小，氣液界面錐角減小。僅在選定的最小孔徑的金屬泡沫中出現(xiàn)較為明顯的部分驅(qū)替現(xiàn)象，且水的流速越小，部分驅(qū)替現(xiàn)象越明顯。