千眼狼高速图像采集系统在微流体可视化实验研究中的应用

　　1、高速图像采集系统在微流体可视化实验研究中的应用
　　微流体可视化实验研究 是观察微观尺寸下多相流在微细通道内流动演变过程，通过可视化实验可分析多相流演变规律，揭露相关微流体研究机理，而成为科研项目常用的研究方法之一。
　　微流体可视化实验研究存在流体细小、流速快等研究难题，需借助高速图像采集，才能够清晰观测到流体运动状态和流速。 河北水利电力学院科研团队 ， 采用千眼狼高速图像采集系统对微细通道内汽液界面瞬时演变全过程记录回放，获得了微细尺度下的蒸汽直接接触间歇凝结汽液界面演变特征，揭露了由蒸汽凝结诱发压力振荡和水力冲击的机理。 （更多详情请见《南京师大学报(自然科学版)》）
　　2、蒸汽直接接触凝结可视化实验研究
　　蒸汽直接接触凝结在热质传递过程中常伴随高温、高压等特征，存在复杂的流动、传热于相变物理机理，影响着相关设备的安全运行，而微细通道内汽液流动、传热特性更是不同于常规尺寸研究。
　　实验系统示意图
　　河北水利电力学院科研团队设计搭建了微流体系统可视化实验台，由蒸汽发生系统、过冷水双循环系统、 高速图像采集系统 、温度采集系统及 T 型可视化实验系统组成，其中高速图像采集时刻控制精确到 1/100 微秒 。
　　T 型可视化实验段示意图
　　实验研究过程中，科研人员使用千眼狼高速图像采集系统（1280*1024@5000fps）捕捉蒸汽温度100℃、蒸汽体积流量550µl/min及过冷水体积流量14758µl/min等参数恒定且过冷水温度分别为30℃、40℃和50℃工况下，1000ms内汽液界面瞬时演变全过程。
　　1/2.过冷水30℃
　　图1 不同周期内的典型汽液界面演变过程
　　如图1所示，实验中过冷水30℃时，蒸汽自竖直支管入射至水平主管内流动过冷水后，汽羽首先进入增长阶段（ta=0-0.4ms）。随着新鲜蒸汽的补充汽羽头部出现＂颈缩＂，且汽羽由光滑面演变为粗糙面（ta=0.6ms）。＂颈缩＂下部蒸汽区域瞬间溃灭，与此同时，＂颈缩＂上部随着蒸汽的补充蒸汽区域继续增大（ta=0.8ms），继而在ta=1.0ms 时刻，水平主管与竖直支管相交处出现更为明显的＂颈缩＂现象。在ta=1.4ms 时刻支管正下方区域的颜色显著加深，蒸汽泡发生＂整体内爆＂并分散成数量极多的微小汽泡。随后，这些微汽泡群先后经历了多次＂颈缩＂、局部溃灭、直至完全消失的过程。 通过高速采集画面进一步观察发现，即使在相同工况下汽液界面的时空演变行为也不完全一致，表明微细通道条件下的蒸汽直接接触间歇凝结具有一定的随机性。
　　2/2.过冷水40℃
　　图2 不同周期内的典型汽液界面演变过程
　　实验中过冷水40℃时，在该工况下汽液界面演变过程与30℃时相似，但随着过冷水温度的升高，蒸汽的凝结速率降低。通过进一步观察对比发现，相同工况下不同间歇凝结周期内汽液界面波动也存在一定的差异。图2中周期a除了在竖直支管下方形成与周期b相似的圆柱形蒸汽区域外（tb=1.6ms，ta=1.4ms），蒸汽区域的头部向竖直支管轴线两侧对称延伸（tb=3.8ms），逆冷水流动方向一侧发生溃灭，顺冷水流动方向一侧蒸汽区域继续增大且在蒸汽区域的水平、竖直交接处出现明显＂颈缩＂（tb=5.2ms），随后＂颈缩＂左侧水平方向蒸汽区域与竖直方向蒸汽区域发生脱离、溃灭（tb=5.4-6.0ms）。另外，周期b内水平主管内存在的汽液两相区的时间（tb=0.6-9.6ms）要明显长于周期a汽液两相区存在时间（ta=0.6-4.0ms）。
　　3/2.过冷水50℃
　　图3 不同周期内的典型汽液界面演变过程
　　实验中过冷水温度50℃时，汽液界面演变过程与过冷水30℃、40℃时基本相同，不同的是汽羽的增长时间（t=0-0.8ms）和汽液两相区存在时间（ta=1.0-5.8ms，tb=1.4-128.0ms）均要长于前2种工况相应的时间，另外图3周期a中汽液两相区在增长阶段均沿竖直支管方向到达水平主管内壁底部 （ta=0.6-4.4ms），且部分时刻出现蒸汽区域头部沿竖直支管两侧方向进行延伸（例如 ta=1.6ms，1.8ms，2.4ms，2.6ms）。而图3周期b与图1、图2的显著区别在于：水平主管出现长时间的纯蒸汽区域的增长（例如 tb=4.2-108.2ms），随后发生汽液界面波动，并在tb=117.8ms 汽液两相区面积达到最大。间歇凝结后期出现水平主管内水平方向的＂蒸汽柱＂与竖直方向蒸汽区域进行分离（tb=123.8ms），且分离后水平方向的蒸汽区域凝结较为平缓，发生凝结的蒸汽区域颜色较为透明，直至水平主管内凝结完成（tb=123.8-128.0ms）。
　　4/2.不同工况下各间歇凝结周期中两相区最大面积的变化规律
　　通过对高速图像采集系统获取的图像分析后发现，各间歇凝结周期内汽液两相区最大面积随过冷水温度升高而升高，且振幅随温度的升高也有明显的升高。
　　不同工况下各周期内汽液两相区最大面积对比图
　　进一步观察不同工况下汽液两相区最大面积的变化过程，发现在30℃工况下大多数间歇凝结周期内汽液两相区最大面积在0.2cm²上下小幅度波动，部分周期内波动幅度稍大（第 32至第38个周期）且最高为0.38cm²。在 40℃工况下大多数间歇凝结周期内汽液两相区最大面积在0.38cm²上下较大幅度波动，部分周期内波动幅度较大（第31至第38个周期）且最高为0.53cm²。而在 50℃工况下各间歇凝结周期内汽液两相区最大面积变化总体较为平缓，仅第23个周期出现十分明显的振荡变化，且在该周期内出现3种工况中最大的汽液两相区面积约为1.77cm²。
　　3、结论
　　微流体可视化实验，采用 千眼狼高速图像采集系统获取了不同温度下汽液界面瞬时图像数据，通过图像分析得出微细通道条件下汽液界面瞬时剧烈的传热传质现象，加剧汽液两相流动的不稳定性，掌握不同周期内汽液两相区最大面积的变化规律。 这一研究，可助力核电、化工、海水淡化等行业领域相关热门问题解决。