微液膜厚度及氣液界面波動特性測量技術(shù)分析

＊張友佳 李華 蘭治科 謝士杰 昝元峰

（中國核動力研究設(shè)計院 四川 610213）

多尺度特性廣泛存在于傳統(tǒng)化工過程中，目前對于各邊界尺度（原子/分子、微粒、設(shè)備單元組件等）已基于傳統(tǒng)理論認知開展了大量的深入研究，而在介尺度范疇內(nèi)的機理研究則相對有限。通常認為，介尺度結(jié)構(gòu)是介尺度問題的研究焦點，具體主要包括材料、界表面結(jié)構(gòu)以及相物質(zhì)的非均勻分布等。在典型的汽液兩相流型中，環(huán)狀流由于其傳熱傳質(zhì)性能突出，在化工石油、航空航天、核能等工業(yè)過程領(lǐng)域中得到應(yīng)用廣泛。由于環(huán)狀流的體積含液率比較低，同時氣相表觀速度較大，在氣相剪切力的作用下，液相緊貼管道內(nèi)壁面流動并形成環(huán)狀液膜，而氣相被環(huán)狀液膜包圍在管道中心流動，并存在夾帶液滴伴隨，形成環(huán)形氣液分界面，在相界面上分布著不同尺度的界面波，而界面波對氣液兩相流傳熱、傳質(zhì)等有重要影響。液膜厚度是氣液兩相流界面波領(lǐng)域研究中的重要參數(shù)，與流型、氣液速度等參數(shù)密切相關(guān)。環(huán)狀流中的液膜厚度及其動力學(xué)特性是兩相流研究的難點與熱點。理論研究分析表明，近壁面液膜（近壁面液膜由微米量級的近壁面微液膜和毫米量級的宏觀大尺度厚液膜所組成）的特性對氣液兩相傳熱有重要影響并決定整個系統(tǒng)的性能及安全邊界[1]。沸騰傳熱尺度分離現(xiàn)象表明，池式沸騰的高熱流密度傳熱與近壁面微液膜的波動特性及微觀動力學(xué)緊密相關(guān)，與宏觀大尺度厚液膜的動力學(xué)無關(guān)[2-3]。因此，精準測量與分析近壁面微液膜厚度及氣液相界面波動特性是深入理解沸騰傳熱與臨界熱流密度物理機理的關(guān)鍵。同時，對于沸騰傳熱與臨界熱流密度預(yù)測模型的改進優(yōu)化具有重要意義。可為氣液兩相流設(shè)備的設(shè)計、安全運行、性能評價與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供試驗數(shù)據(jù)支撐。

液膜厚度及其界面波動特性在化工、能源、流體機械等領(lǐng)域研究中一直是熱點與焦點。在液化天然氣（LNG）生產(chǎn)過程中，低溫制冷劑在繞管式換熱器的殼側(cè)盤管壁面會發(fā)生液膜蒸發(fā)傳熱，而液膜厚度是影響降膜傳熱性能的重要影響因素。在石油管道傳送工質(zhì)過程中，兩相分層流界面波動特性是油水兩相分離與流型轉(zhuǎn)變特性機理研究的關(guān)鍵。在管柱式氣液旋流分離器氣液分離過程中會伴隨氣相攜液現(xiàn)象，而作為旋流液膜重要特征參數(shù)的液膜厚度及其空間分布特性一直是探究氣相攜液誘發(fā)因素及其特征規(guī)律的核心焦點。因此，在介尺度的微觀層面上針對微液膜厚度及其界面波動特性進行精確定量測量與分析成為氣液兩相流動傳熱機理研究領(lǐng)域的核心任務(wù)之一。

微液膜厚度及其氣液界面波動特性的測量方法眾多，總體上可以分為四類：聲學(xué)法、射線法、電學(xué)法和光學(xué)法[4]。本文將對這四類測量方法的測量原理進行簡要說明，并對光學(xué)法的測量范圍、精度、可操作性等指標進行對比分析。

1.聲學(xué)法

聲學(xué)法（即聲波法）測量液膜厚度的原理是基于超聲波在遇到氣液相界面時會發(fā)生反射和能量衰減，通過反射回波來識別液膜厚度及其氣液界面的波動特性。由于超聲波的特性，聲學(xué)法具備高采樣測量頻率（最高可達20MHz）。但由于氣液相界面信號干擾因素多，尤其在沸騰過程中所產(chǎn)生的氣液交混現(xiàn)象會影響液膜厚度的測量精度。此外，由于超聲波的波長遠大于光波長度，對于液膜厚度及其氣液相界面波動特性的測量在空間分辨率上會有所欠缺。因此，聲波法并不適用于沸騰狀態(tài)下波狀微液膜厚度及其氣液相界面波動特性的測量[5]。

2.射線法

射線法的測量原理是當(dāng)射線（中子[6]、γ[7]或X[8]）穿過氣液兩相流系統(tǒng)時會發(fā)生輻射能量衰減，并且射線的輻射強度在液相中的衰減強于在氣相中的衰減。因此，當(dāng)射線束在穿過氣液兩相流系統(tǒng)時，若射線的輻射強度發(fā)生突變時即是測點正好在氣液分界面處。

然而，采用射線法時所需的系統(tǒng)設(shè)備運行復(fù)雜，成本昂貴（測量設(shè)備、防輻射裝置等），限制了射線法的應(yīng)用場合。因此，采用射線法測量液膜厚度及其波動特性在一般工業(yè)過程控制和實驗室場景并不適用。

3.電學(xué)法

電學(xué)法通?？煞譃殡娙莘ê碗妼?dǎo)法兩種測量方法。電容法的測量原理[9]是通過布量在流道兩側(cè)上的電極形成一個電容器，其電容為兩相介電常數(shù)和相含率的函數(shù)，可通過測量電容來計算獲得相含率。大部分常見氣體的相對介電常數(shù)都非常接近于1，而大部分室溫液體，如水、制冷劑等其相對介電常數(shù)比氣體高數(shù)倍。因此，可利用氣液相介電常數(shù)的差異來測量氣液兩相流動液膜的厚度。電容法是一種非侵入式測量方法，具有結(jié)構(gòu)筒單、動態(tài)響應(yīng)速度快、對流場無干擾等特點。但電容法需要利用電容和液膜厚度間的線性關(guān)系來計算獲得液膜厚度。此外，電容法的測量系統(tǒng)輸出阻抗較高，容易受到外界的干擾影響而導(dǎo)致不穩(wěn)定現(xiàn)象。

電導(dǎo)法的測量原理是利用氣液兩相的電導(dǎo)率差異對液膜厚度進行測量?；陔妼?dǎo)法的電導(dǎo)傳感器可根據(jù)電極結(jié)構(gòu)的差異分為貼片式和探針式兩種類型。貼片電極更適用于較薄液膜的測量，而探針電極對不同厚度液膜測量的通用性更好，但精度稍差。電導(dǎo)探針是最常見且使用最廣泛的電導(dǎo)傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單可靠、應(yīng)用條件廣泛、測量可靠性高。在氣液兩相流測量領(lǐng)域，電導(dǎo)探針廣泛應(yīng)用于氣泡演變規(guī)律、液膜厚度、含氣率等重要參數(shù)的測量[10]。電導(dǎo)法簡單可靠、成本較低、通用性較好，但只能實現(xiàn)單點（或有限單點）的局部測量，測量所獲得的被測參數(shù)在局部空間區(qū)域的平均值，精度較低，很難實現(xiàn)全流場的高保真測量，并且電導(dǎo)探針不太適合用于相界面波動劇烈的液膜特性測量。同時，電導(dǎo)探針是一種接觸式測量方法，易受到液膜表面張力的影響，并且會對流場產(chǎn)生侵入干擾，對試驗數(shù)據(jù)的真實性與可靠性有影響。此外，當(dāng)液膜厚度較大時，采用電導(dǎo)探針測量的靈敏度會明顯下降。因此，電導(dǎo)法通常作為其他測量方法的參照方法[11]。

電容法和電導(dǎo)法分別基于液膜厚度與電容、電阻等不同物理參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系來獲得液膜厚度，但是其測量范圖與測量精度容易受液膜波動形態(tài)、傳感器有效截面及探針結(jié)構(gòu)等參數(shù)影響。這限制了電學(xué)法在微液膜及其相界面特性精細化測量領(lǐng)域的應(yīng)用。

4.光學(xué)法

近年來，隨著光學(xué)測量技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，非接觸式的光學(xué)測量技術(shù)在氣液兩相流測量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。光學(xué)測量法的測量原理主要是基于光波穿過不同介質(zhì)及其相界面時所產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象（包括：能量衰減、折射、反射、散射和干涉等）。通常來講，光學(xué)法具有高測量精度和高靈敏度等優(yōu)點，對流場無干擾。常用的光學(xué)測量技術(shù)包括：橢圓光度法[12]、位移聚焦法[13]、熒光成像法[14]、干涉法[15]、界面檢測法[16]、束激光陰影法[17]和光衰減法[4]等，其測量原理及技術(shù)性能對比見表1。傳統(tǒng)的光學(xué)方法大多是通過對光線強度的分析來獲得液膜厚度，這對于擾動不大的光滑相界面比較有效，但對于表面波動較大的液膜，由于光線在液膜內(nèi)發(fā)生多次折射和反射，可能會導(dǎo)致測量結(jié)果失真。

表1 光學(xué)法測量液膜厚度技術(shù)性能對比

平面激光誘導(dǎo)熒光（PLIF）技術(shù)[18]是一種對流場無干擾的光學(xué)測試技術(shù)，具有高空間分辨率、快速時間響應(yīng)，高靈敏度等優(yōu)點。其測量基本原理為：熒光物質(zhì)經(jīng)入射激光的照射后可吸收特征頻率的光子，并由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。而處于激發(fā)態(tài)的分子狀態(tài)不穩(wěn)定，立即退激發(fā)并產(chǎn)生出射光。這一激發(fā)致光的轉(zhuǎn)變過程在瞬間完成，若一旦停止入射光照射，發(fā)光現(xiàn)象隨即消失，光強不發(fā)生積累。由于激發(fā)和發(fā)射之間存在著一定能量的損失，出射光的波長要大于入射激光的波長且在可見光波段，因此稱這一出射光為熒光?；诩ぐl(fā)光與熒光波段不同的特性，可采用濾光片將兩者分離，只檢測熒光強度來提高測量精度，并利用CCD高速攝像機等設(shè)備對熒光信號進行采集。由于攝像機與液膜所流經(jīng)的壁面都是固定不動的，只有液膜厚度會發(fā)生變化。因此，將不同時刻拍攝的液膜厚度實時圖像進行記錄，并利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對所采集的圖像進行后處理分析，即可獲得液膜厚度的時序演變規(guī)律。

采用了位移聚焦法的共軛位移光學(xué)傳感器是基于光譜共聚焦原理[19]，當(dāng)從LED光源發(fā)生器發(fā)出的白光通過光纖耦合器后可近似看作為點光源，白光在經(jīng)過準直和色散物鏡聚焦處理后發(fā)生光譜色散，并在光軸上形成連續(xù)的單色光焦點，且每個單色光焦點到被測物體表面的距離各異。當(dāng)被測物體表面位于共軛位移光學(xué)傳感器的測量范圍內(nèi)時，只有特定波長的光線可在被測物體表面聚焦，由于該特定波長的光線滿足共聚焦條件，可以在被測物體表面發(fā)生反射和折射后返回至光纖耦合器并進入光譜儀。其他波長的光線在被測物體表面無法聚焦，因此最終無法進入光譜儀。進入光譜儀的光線可被解碼后得到光強最大值時的波長，通過內(nèi)部算法可獲得不同目標表面間的距離。光學(xué)位移聚焦法具有良好的層析特性，空間分辨力高，并且對被測物體的物理特性和環(huán)境雜散光不敏感，抗干擾能力強。

采用位移聚焦法技術(shù)的共軛光學(xué)傳感器[20]具有非侵入式測量（不影響流場分布）、高采集率（30kHz，有利于在高熱流密度飽和沸騰條件下捕捉液膜波動特性）、高空間分辨率（納米級）、幾乎不受被測物表面反光特性的影響、極小的穩(wěn)定測量光斑（不影響觀測和數(shù)字圖像后處理）以及測量范圍可調(diào)等優(yōu)勢，適用于微尺度液膜及其波動特性的測量[21]，并且適合工業(yè)化大批量檢測的需要。但由于反射回光最終需要被光譜儀接收這一特性，光譜共聚焦法對被測物體表面的曲面度有一定限制要求。值得注意的是，雖然光學(xué)法普遍測量精度高、測量技術(shù)相對成熟，但光學(xué)測量設(shè)備價格昂貴，對使用環(huán)境要求嚴苛，限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。

5.結(jié)論

本文主要針對液膜厚度及氣液界面波動特性測量技術(shù)展開對比分析，主要結(jié)論如下：

（1）由于在抗干擾能力及空間分辨率上的限制，聲波法不適合沸騰狀態(tài)下波狀微液膜的厚度及界面波動特性測量。（2）射線法可用于微液膜厚度及界面波動特性測量，但由于其系統(tǒng)設(shè)備運行復(fù)雜，且成本昂貴，在工業(yè)過程控制場景的應(yīng)用較難。（3）光學(xué)法和電學(xué)法是氣液兩相流界面波動特性與液膜厚度測量的主要方法。光學(xué)法中的位移聚焦法和熒光成像法適合于氣液沸騰條件下微液膜厚度及氣液兩相界面波動特性的測量。電導(dǎo)法和電容法分別基于液膜厚度與電阻、電容等不同物理參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系來確定液膜厚度，其測量范圖與精度易受液膜波動形態(tài)、傳感器有效截面及探針結(jié)構(gòu)等參數(shù)影響，可作為光學(xué)法的參照測量方法。