低溫流體光-攝同軸同側(cè)可視化裝置設(shè)計(jì)

白 楊 唐 媛 宋 佳 邱利民 張小斌 王建軍

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

1 引言

低溫流體的傳熱與流動(dòng)過程大多涉及相變，低溫冷凝現(xiàn)象在空氣分離、氣體液化、超導(dǎo)、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛存在。低溫流體與常溫流體物性存在的顯著差異導(dǎo)致低溫冷凝與常溫冷凝存在很大的不同，大多數(shù)常溫流體冷凝的傳熱、流動(dòng)關(guān)聯(lián)式以及強(qiáng)化方式很可能不再精確適用于低溫流體［1］。而且常溫冷凝與低溫冷凝的相似比較準(zhǔn)則也十分匱乏，因此有必要對低溫冷凝進(jìn)行專門研究。

低溫流體的冷凝過程屬于有相變的兩相流動(dòng)，其傳熱與流動(dòng)機(jī)理與兩相流動(dòng)流型直接相關(guān)，不同流型下的傳熱與動(dòng)力學(xué)特性相差很大。這些流型信息對獲得精確的傳熱與流動(dòng)關(guān)聯(lián)式至關(guān)重要，因此必須將可視化作為研究低溫冷凝現(xiàn)象的重要手段。

目前應(yīng)用于低溫流體的可視化技術(shù)主要包括3種:CCD攝像法、粒子成像測速(PIV)以及基于密度的可視化方法(如激光全息干涉)［2］。CCD攝像法由于其拍攝效果好、操作簡便以及可以直接獲得直觀圖像的特點(diǎn)，已成為低溫流體可視化研究的主要手段。根據(jù)光源與相機(jī)的相對位置，CCD攝像法的打光方式主要分為背側(cè)打光和同側(cè)打光。同側(cè)打光即光源和攝像儀位于裝置同側(cè)的一種打光方式。同側(cè)打光本身具有一定的局限性，如圖像往往存在高亮光斑、視野內(nèi)光線分布不均以及光源和攝像儀在空間布置上的擁擠等。但很多時(shí)候由于實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)的限制，很難或根本無法通過背側(cè)打光形成合適的光學(xué)通路，只能開設(shè)單光窗的方式進(jìn)行同側(cè)打光。

2 低溫流體的CCD攝像法研究綜述與討論

2.1 低溫流體的背側(cè)打光CCD攝像法研究

背側(cè)打光即光源和攝像儀分別位于同一方向上實(shí)驗(yàn)裝置兩側(cè)的一種打光方式，一般在裝置同一徑向的兩側(cè)都開有光窗，光源和攝像儀分布在裝置外側(cè)。這種方式在合適的光源下可以拍攝出較好的圖像效果且操作相對簡單，是目前采用CCD攝像法進(jìn)行低溫流體可視化研究中應(yīng)用最為廣泛的打光方式。早在1973年，Bland等就采用背側(cè)打光的方式觀察了液氮在紫銅表面上的池沸騰現(xiàn)象［3］。

Jin等對液氮在銅、黃銅和鋁合金等不同材料表面上的沸騰過程進(jìn)行了可視化研究，分析了沸騰表面材料、尺寸以及熱流密度對氣泡脫落頻率的影響［4］，其裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，有真空夾層的雙層杜瓦上開有3個(gè)光窗，高速攝像儀(1.4兆像素CMOS高速相機(jī)，在1 400×1 024的分辨率下可實(shí)現(xiàn)100f/s的拍攝速度)和光源沿著同一直徑方向上分別布置于杜瓦兩側(cè)。圖2是其拍攝到的液氮池沸騰產(chǎn)生的聚合氣泡的生長過程圖像。

Zhang等對內(nèi)徑為0.531和1.042 mm的豎直石英玻璃管內(nèi)氮的兩相流特性進(jìn)行了研究［5］，其裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，同一方向上的杜瓦兩側(cè)開有光窗，光源(LED無閃燈)和高速攝像儀(在1 280×1 024像素下可實(shí)現(xiàn)1 000 f/s的拍攝速度)分別布置于光窗外側(cè)。圖4是其拍攝到的豎直石英玻璃管內(nèi)液氮的兩相流流型圖像，結(jié)果表明:氮在豎直石英玻璃管內(nèi)的兩相流流型主要為泡狀流、彈狀流、攪拌流及環(huán)狀流。

圖1 液氮池沸騰蒸發(fā)可視化實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Visual experimental apparatus for pool boiling in liquid nitrogen

圖2 聚合氣泡的生長過程Fig.2 Growth processes of coalesced bubbles

Rousset等在之前研究的基礎(chǔ)上加以拓展，應(yīng)用內(nèi)窺鏡實(shí)現(xiàn)了高磁場營造的微重力環(huán)境下液氧沸騰現(xiàn)象的可視化研究［6］，解決了高磁場環(huán)境下普通攝像儀不能正常工作的問題。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，內(nèi)窺鏡由40 mm直徑的垂直管道所支撐，兩塊約呈45°傾斜的平面鏡分別布置于底部和頂部以形成反射光路。室溫區(qū)域電纜可以來調(diào)節(jié)平面鏡傾斜角度使其繞軸輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)最佳的拍攝效果。圖6是其拍攝到的微重力環(huán)境下的液氧沸騰圖像。

2.2 低溫流體的同側(cè)打光CCD攝像法研究

同側(cè)打光是光源和攝像儀處于裝置同側(cè)的一種打光方式。同側(cè)打光本身具有一定的局限性，但有時(shí)由于實(shí)驗(yàn)裝置的限制，只有采用同側(cè)打光才能構(gòu)造出合適的光路。尤其是針對低溫流體在平板以及開槽、添加翅片的平板上的流動(dòng)及傳熱特性的研究，由于平板的阻隔，通過背側(cè)打光來進(jìn)行可視化研究往往是不現(xiàn)實(shí)的。圖7是 Jaeseon Lee等［7］采用高速攝像儀(最高拍攝速度可達(dá)120 000 f/s)和氙燈光源(采用光纖將光線聚集在視野范圍內(nèi))獲得的HFE7100在微通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰圖像。

圖3 液氮兩相流流型可視化實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Visual experimental apparatus for two-phase flow patterns of liquid nitrogen

圖4 液氮兩相流的典型流型Fig.4 Typical patterns of two-phase flow of liquid nitrogen

圖8是付鑫等［8］采用精密高速攝像儀(可在1 280×1 024像素下可實(shí)現(xiàn)1 000 f/s的拍攝速度)和大功率LED頻閃燈拍攝得到的液氮在微通道熱沉內(nèi)的兩相流流型圖像。

圖9是Sylwia Szczukiewicz等［9］采用高速攝像儀得到的R245fa在微通道內(nèi)沸騰時(shí)的兩相流流型。

雖然目前已有不少針對低溫流體的單光窗可視化研究，但從圖7、圖8、圖9可以發(fā)現(xiàn)，目前采用同側(cè)打光的單光窗可視化方法得到的圖像中存在明顯的高亮光斑，這些高亮光斑的存在可能會(huì)掩蓋相應(yīng)位置的可視化信息，同時(shí)也加大了可視化圖像處理的難度和工作量。

圖5 液氧核態(tài)沸騰可視化實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Visual experimental apparatus for nucleate boiling of liquid oxygen

此外，在低溫系統(tǒng)中往往采用真空夾層杜瓦來減少漏熱，要進(jìn)行可視化研究就需要開設(shè)兩層低溫光窗。而目前低溫光窗普遍使用的石英玻璃反射率高達(dá)15%—25%，這對單光窗可視化的光源強(qiáng)度提出了更高的要求。而且在單光窗可視化實(shí)驗(yàn)裝置中，光源和攝像儀往往位于光窗的同側(cè)，不僅造成了空間排布的擁擠，也很容易產(chǎn)生視野內(nèi)光線分布不均勻的問題。

圖6 不同重力水平下的氧氣泡尺寸Fig.6 Oxygen bubbles size versus gravity level

圖7 微通道內(nèi)的HFE7100流動(dòng)沸騰流型Fig.7 Flow boiling patterns of HFE7100 in microchannel

圖8 微通道熱沉內(nèi)的液氮兩相流流型Fig.8 Two-phase flow patterns of liquid nitrogen in microchannel heat sink

圖9 微通道內(nèi)的R245fa沸騰流型Fig.9 Boiling flow patterns of R245fa in microchannel

3 面向?qū)ο蟮墓?攝同軸同側(cè)可視化系統(tǒng)

為了解決上述的同側(cè)打光可視化方法存在的問題，Pfotenhauer J M 等［10］和劉亦鵬等［11］都曾嘗試將LED燈浸沒在液氮中來打光，均以失敗告終。本文基于現(xiàn)有的低溫冷凝實(shí)驗(yàn)臺(tái)，搭建了一套面向?qū)ο蟮墓?攝同軸同側(cè)可視化系統(tǒng)以獲得清晰、穩(wěn)定的低溫冷凝可視化圖像。

3.1 低溫冷凝實(shí)驗(yàn)裝置

本文所采用的低溫冷凝實(shí)驗(yàn)裝置［12］由冷凝測試段、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、真空絕熱系統(tǒng)以及同側(cè)打光可視化系統(tǒng)組成，如圖10所示。測試段與再沸器通過蒸汽排出管形成閉合回路。再沸器下端的加熱元件加熱再沸器內(nèi)的液氮使其汽化成為高壓氮?dú)?，氮?dú)饨?jīng)蒸汽排出管進(jìn)入測試段并在測試段內(nèi)部的鋁制平板上發(fā)生冷凝形成液氮，冷凝液向下流動(dòng)返回再沸器中。冷凝過程所需的冷量由儲(chǔ)存在液氮儲(chǔ)池內(nèi)的液氮提供，液氮吸收熱量后通過排氣閥排向室外。液氮儲(chǔ)池在冷凝測試段背側(cè)與其焊接為一體。實(shí)驗(yàn)過程中為保證冷凝的持續(xù)進(jìn)行，需要根據(jù)采集的溫度和液位計(jì)示數(shù)來適時(shí)向液氮儲(chǔ)池和再沸器中充注液氮。

圖10 低溫冷凝實(shí)驗(yàn)裝置Fig.10 Experimental apparatus for cryogenic condensation

為了減少輻射漏熱對冷凝過程的影響，冷凝測試段放置在由真空杜瓦和真空泵組成的真空絕熱系統(tǒng)中。冷凝測試段外表面包覆了多層絕熱材料，并在其頂端布置有防輻射屏以減少輻射漏熱。

為了獲得液氮冷凝的可視化圖像，冷凝測試段沿中軸線均布有3個(gè)直徑為26 mm的低溫光窗低溫光窗。在真空杜瓦相應(yīng)位置處開設(shè)有直徑為160 mm的單光窗。單光窗玻璃表面鍍有反紅外輻射涂層，以最大限度減小由光學(xué)通路造成的向室溫環(huán)境輻射漏熱的增加。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集和記錄溫度、壓力、液位高度以及加熱功率等信息。利用高速攝像儀記錄下來低溫冷凝可視化圖像也通過信號(hào)傳輸線記錄和相應(yīng)軟件在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。

圖11 面向?qū)ο蟮拇蚬庀到y(tǒng)及光路示意圖Fig.11 An objected oriented illumination system and corresponding optical path

3.2 面向?qū)ο蟮目梢暬到y(tǒng)

面向?qū)ο蟮目梢暬到y(tǒng)主要由面向?qū)ο蟮拇蚬庀到y(tǒng)、二維精確定位拍攝系統(tǒng)以及真空杜瓦上的單光窗和測試段低溫光窗組成，如圖11所示。其中單光窗開設(shè)在真空杜瓦的側(cè)壁，直徑為150 mm。在測試段沿程均布了3個(gè)直徑為26 mm的低溫光窗，最高承壓可達(dá)2 MPa。

3.2.1 面向?qū)ο蟮拇蚬庀到y(tǒng)

面向?qū)ο蟮拇蚬庀到y(tǒng)由環(huán)形LED光源和定位工裝以及相應(yīng)的線控開關(guān)和穩(wěn)壓電源組成，為測試段提供穩(wěn)定、均勻以及滿足強(qiáng)度要求的光線。利用二維精確定位拍攝系統(tǒng)調(diào)好攝像儀的水平位置后，可以精確調(diào)節(jié)相機(jī)高度使其分布與3個(gè)環(huán)形光源及相應(yīng)低溫光窗同軸分布，實(shí)現(xiàn)同軸垂直打光和拍攝。

打光系統(tǒng)采用的光源是環(huán)形LED光源，外徑為60 mm，內(nèi)徑為33.5 mm，其LED燈珠與殼體呈60°環(huán)形陳列排布。環(huán)形光源的額定電壓為24 V、額定功率為2.6 W，可以通過真空杜瓦外的線路開關(guān)控制通斷以及通過改變穩(wěn)壓電源來調(diào)節(jié)亮度。為減少光源散熱量對低溫冷凝實(shí)驗(yàn)臺(tái)的影響，環(huán)形光源只在需要拍攝低溫冷凝圖像時(shí)才打開。光源產(chǎn)生的熱量向背側(cè)傳遞，并通過銅絲絨和銅導(dǎo)線導(dǎo)向液氮儲(chǔ)池。

定位工裝由不銹鋼薄板制成，采用“幾”字型的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。工裝凸出的豎直壁上均勻開設(shè)了3個(gè)直徑為3 mm通孔，通過連接件與環(huán)形LED光源相固定，使光源分別與3個(gè)低溫光窗同軸分布從而實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮拇蚬?。工裝末端開設(shè)了兩個(gè)直徑為9 mm的通孔，通過連接件與測試段相固定。

3.2.2 二維精確定位拍攝系統(tǒng)

二維精確定位拍攝系統(tǒng)由高速攝像儀和雙軸滑塊模組以及相應(yīng)的連接件和基座組成，圖12是除基座外的系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)采用的高速攝像儀拍攝速度可達(dá)1200 f/s，連續(xù)可調(diào)，曝光時(shí)間2 ms。系統(tǒng)采用的鏡頭是遠(yuǎn)距鏡頭，焦距為356 mm，最大可實(shí)現(xiàn)2.25的放大倍率。高速攝像儀通過“L”型連接件與雙軸滑臺(tái)模組可拆卸固定。

圖12 二維精確定位系統(tǒng)示意圖Fig.12 A two-dimensional imaging system to get precise location for high speed camera

雙軸滑臺(tái)模組由型短行程滑臺(tái)和長行程滑臺(tái)構(gòu)成，長、短行程滑臺(tái)利用連接件垂直固定。通過轉(zhuǎn)動(dòng)長行程滑臺(tái)頂部的手輪，可以精確控制高速攝像儀的垂直高度對不同光窗的視野范圍進(jìn)行拍攝。通過轉(zhuǎn)動(dòng)短行程滑臺(tái)頂部的手輪，可以精確控制高速攝像儀與冷凝發(fā)生表面的距離?；_(tái)的重復(fù)定位精度可達(dá)0.02 mm，保證了每次調(diào)節(jié)后拍攝的視野范圍基本不變?；_(tái)模組下端通過連接件與厚重的水平基座可拆卸固定，以防止其發(fā)生偏移。此外，滑臺(tái)模組的長、短行程滑臺(tái)均有配套的行程鎖，可以在高速攝像儀位置調(diào)節(jié)完成后鎖緊避免滑臺(tái)由于重力的作用使攝像儀位置產(chǎn)生偏移。

4 面向?qū)ο蟮膯喂獯翱梢暬椒ǖ某醪津?yàn)證

為了檢驗(yàn)面向?qū)ο蟮膯喂獯翱梢暬到y(tǒng)的拍攝效果，進(jìn)行了低溫冷凝實(shí)驗(yàn)并獲得了低溫冷凝的可視化圖像。實(shí)驗(yàn)開始前首先對真空腔體抽真空，用氮?dú)馔瓿芍脫Q后向儲(chǔ)液池和再沸器底部充入液氮。打開并控制加熱元件保持功率恒定，一定時(shí)間后打開環(huán)形LED光源。調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源輸出電壓使光源達(dá)到合適的亮度，調(diào)節(jié)滑臺(tái)模組使高速攝像儀位于最佳位置并記錄下低溫冷凝過程。

圖13是采用面向?qū)ο蟮膯喂獯翱梢暬椒ㄅ臄z得到的不同冷凝溫差下的低溫冷凝可視化圖像，清晰、穩(wěn)定地反映出了不同工況下的豎直平板上液氮的冷凝流型。從圖13可以看出，本文提出的面向?qū)ο蟮目梢暬桨覆捎霉庠磧?nèi)置、攝像儀外置，有效地改善了以前的單光窗可視化方法中存在的有高亮光斑和光線分布不均等問題。首先，面向?qū)ο蟮膯喂獯翱梢暬桨钢械?個(gè)環(huán)形LED光源分別對應(yīng)3個(gè)低溫光窗進(jìn)行打光，使光線聚集在低溫光窗的視野范圍內(nèi)，有效改善了單一光源打光時(shí)光線不能有效聚集在視野范圍內(nèi)的問題。環(huán)形光源中LED燈珠與殼體呈60°的陣列設(shè)計(jì)進(jìn)一步將光源投射的光線集中在低溫光窗視野范圍內(nèi)，有效地提高了單位面積的通光量。其次，LED光源采用的環(huán)形設(shè)計(jì)可以使光源投射的光線相對均勻的分布在測試段，有效改善了采用以往單光窗可視化方法存在的光線分布不均勻以及存在高亮光斑的問題，同時(shí)也在光源的中空區(qū)域?yàn)楦咚贁z像儀留有充足的拍攝視野。而光源內(nèi)置、攝像儀外置的方式和光源的環(huán)形設(shè)計(jì)也在保證垂直打光和垂直拍攝的同時(shí)，解決了以往單光窗可視化方法中光源和攝像儀在空間排布上的擁擠。

圖13 不同冷凝溫差下的液氮豎直平板冷凝流型Fig.13 Condensation flow patterns of liquid nitrogen on vertical plate at different condensation temperature

5 結(jié)論

(1)低溫流體的流型等可視化信息對于流動(dòng)與傳熱特性的機(jī)理研究有十分重要的作用。很多時(shí)候由于裝置結(jié)構(gòu)的限制，光板和經(jīng)過特殊處理的平板(開槽或添加翅片)上的可視化研究尤為顯著，很難通過背側(cè)打光形成合適的光學(xué)通路，只能采用單光窗可視化方法。目前已有的單光窗可視化方法往往存在可視化圖像有高亮光斑、光線分布不均以及光源和攝像儀在空間布置上的擁擠等問題。

(2)提出了一種面向?qū)ο蟮膯喂獯翱梢暬椒ú⒋罱丝梢暬到y(tǒng)。該方法采用環(huán)形光源內(nèi)置、高速攝像儀外置的同軸布置方式，借助雙軸滑軌實(shí)現(xiàn)精確定位，有效解決了以往單光窗可視化方法中存在的圖像有高亮光斑等諸多問題，可以獲得清晰、穩(wěn)定的可視化圖像，為低溫流體的單光窗可視化分析與測量奠定了基礎(chǔ)。

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