叶片表面超亲水和超疏水特性对二次水滴形成影响的研究

周 骛， 蔡小舒， 吉 肖

（上海理工大学 颗粒与两相流测量研究所，上海200093）

叶片的水蚀破坏是低压汽轮机，尤其是核电低压汽轮机运行中普遍存在的问题，严重影响其运行的安全性、可靠性和效率.目前，解决汽轮机水蚀问题的措施主要分为两大类：第一类是主动防御型，积极采用各种内部除湿技术［1］达到防水蚀的目的，如空心导叶抽吸、静动叶表面槽道除湿、吹扫及加热除湿法和隔板除湿装置等，但上述方法存在结构复杂或形成气动损失等局限；第二类是被动防御型，主要是提高叶片表面的抗水蚀能力［2］，如对易受水蚀破坏区域加装司特立合金，进行电火花或激光局部或全面强化淬硬等，但这些方法并没有减少汽轮机内二次水滴的数量以及降低蒸汽的湿度，且防御型材料造价昂贵.因此，有必要进一步探索减轻水蚀破坏的新方法，即从主动防御型的角度考虑减小二次水滴的尺寸或减少二次水滴的数量等措施，从而减轻叶片的水蚀.

造成叶片水蚀破坏的原因是湿蒸汽所携带的水滴对叶片形成冲刷.蒸汽在高速流动膨胀时会凝结形成尺寸很小的一次水滴，部分一次水滴沉积在静、动叶栅上形成水膜，水膜在叶片尾缘被高速汽流撕裂和破碎，形成二次水滴.一次水滴粒度一般不大于1～2μm，与主汽流的跟随性较好，基本不对叶片产生水蚀；二次水滴直径可达数十至数百微米［3－4］，由于惯性大且汽轮机内级间的轴向间隙小，二次水滴到达动叶时不可能被加速到主汽流的速度，并且流动方向与主汽流方向不同，从而以很大的相对速度和一定的负攻角撞击动叶片进汽边的吸力面，对叶片造成侵蚀［5］.

除了受被冲刷叶片的机械性能和表面性能的影响外，二次水滴的特性参数也是影响水蚀的重要因素，主要包括二次水滴粒径、速度和撞击角度［6－7］.而二次水滴的形成过程与水膜在叶片表面的形成、流动及在尾缘的脱离等密切相关，叶片材料的浸润性能又通过表面张力和固液间黏附力对水膜特性产生重要影响.

笔者提出通过改变静叶片界面特性来影响水膜的特性，从而减小二次水滴的粒径以减轻水蚀的新设想.通过试验研究普通表面、超疏水表面和超亲水表面的水膜在气流作用下在叶片尾缘破裂形成水滴的特性，以模拟汽轮机内静叶片表面水膜破裂形成二次水滴的过程.同时，搭建了水滴试验台，并采用单帧单曝光图像法［8］测量了水滴直径和速度，研究不同界面特性对所形成水滴的粒径和速度的影响.

1 超亲水表面和超疏水表面特性

试样叶片与水的界面特性可以通过接触角的大小来表征.接触角是指在固－液－气三相的交界处，由固－液界面经过液体内部至气－液界面所形成的夹角.通常，固体表面与水的接触角大于90°时，称之为疏水表面，小于90°时称之为亲水表面.当固体表面与水的接触角大于等于150°时，又称为超疏水表面，小于等于15°时则称为超亲水表面.

超亲水和超疏水表面由于具有特殊的浸润性能，在液体输送、涂料、防水、建筑和医用材料等领域均有着重要的应用，近年来已成为学者研究的热点.超亲水表面一般通过光催化TiO2或ZnO等材料形成［9］，能使水在表面快速铺展、迅速蒸发，防止水滴在表面上黏结停留，从而具有防雾功能或自清洁效果.自然界中则通过形成超疏水表面来达到自清洁功能，最典型的如荷叶、昆虫翅膀及水鸟的羽毛等，其表面众多的微纳结构减少了固液接触面积，从而可以显著增强表面的疏水性.由此推测，具有自清洁效果的表面可以减少溪流的汇集，降低形成大水滴的概率，因此笔者就叶片与水的界面特性对二次水滴形成特性的影响进行研究，以探索减轻汽轮机低压叶片水蚀破坏的新方法.

2 试验系统

为研究超亲水、普通和超疏水这3种表面上水膜在尾缘破裂形成水滴的过程，并对其粒径和速度进行测量，搭建了水滴试验台，实物照片如图1（a）所示.试验台包括水滴形成系统和测量系统，前者又分为风路系统和水路系统两大部分.风路系统主要由离心风机、低速风洞、试验段和空气流量计构成，风机转速通过变频调速器控制.试验段管道设计为渐缩喷管，如图1（b）所示，为了保证掠过试样模拟叶片表面气流的稳定性，该管道的收缩段主要集中在前半部分，叶片安装于稳定段，采用螺栓固定.试验段管道采用有机玻璃制造，垂直于光路的壁面设计为平面，以避免拍摄图像失真.水路系统由水箱、水泵、液体流量计、叶片下表面的水室和连接管道组成.水箱中的水通过水泵增压，通过液体流量计调节和计量后，采用叶片小孔渗水法在试样模拟叶片表面形成水膜，即在叶片下表面设置水室，并在叶片和水室之间开小孔，如图1（b）所示，利用水泵将水通过小孔挤压到叶片上表面形成水膜.在高速空气作用下，叶片表面的水膜在叶片尾缘被撕裂破碎形成水滴.

采用最直观、可靠的颗粒测量方法——图像法来捕捉水膜从叶片表面剥离和破碎的过程，并对水滴的粒径和速度进行测量和统计.测量系统包括LED光源（50W）、远心变焦镜头（Navitar 1－6232，放大倍率0.7～4.5）、CMOS相机（UI－5240CP－MGL，全幅帧率为50帧／s，分辨率为1 280×1 024，曝光时间为0.009～2ms可调）和计算机.选择背光拍摄方案，采用最小曝光时间获得“冻结”的水滴投影轮廓，处理得到水滴的等投影面积直径.采用单帧单曝光方法［8］测量水滴速度，即通过适当延长曝光时间以获得水滴的运动轨迹，后经图像处理得到速度大小.

图1 水滴形成测量试验台及试样Fig.1 Experimental setup for droplet formation and measurement

为比较不同界面特性对二次水滴形成的影响，准备了3种不同界面特性的试样模拟叶片：表面经过抛光处理的普通试样模拟叶片、表面喷涂超亲水涂层的超亲水试样模拟叶片、表面经超疏水处理的超疏水试样模拟叶片.采用SL200B标准型光学接触角仪对上述3种表面进行测量，上述3种表面叶片与去离子水的接触角分别为94°、12°和150°，如图2所示，后2种叶片表面分别达到了超亲水和超疏水表面的条件.

水膜被撕裂破碎形成二次水滴主要发生在叶片尾缘，因此影响二次水滴的叶型参数主要包括叶片尾缘几何进气角α2和尾缘楔形角γ2.为便于研究，将试样模拟叶片简化成纵向截面为三角形的薄片，薄片顶角为5°，与一般叶片尾缘楔形角接近.试样安装和外形如图1（b）和图1（c）所示.水从试样的小孔渗出后，沿气流方向形成水膜流向试样模拟叶片尾缘.

图2 不同试样模拟叶片表面的接触角Fig.2 Surface contact angle of different simulation blades

3 数字图像处理

3.1 图像预处理

图像预处理是后续各项处理的基础，对研究目标进行适当的预处理（如灰度转换、图像分割、图像填充或去噪等）有利于后续图像的处理和识别.

试验拍摄获得的典型水滴图片如图3（a）所示，为256级灰度图片.由于采用背光拍摄，水滴在图像中呈黑色，背景光源为白色（图中排列整齐的亮点即为LED灯珠）.预处理时首先对图像进行灰度转换，如图3（b）所示.

图像分割可以把表示目标具体情况的、性质不同的和在不同区域中的目标分离出来，然后形成数字特征.阈值法是一种最简单有效的图像分割法，即利用特定的阈值来区别图像物体和背景，它又可以分为全局阈值方法和局部阈值方法.笔者选取应用广泛的最大类间方差法（OTSU 法）［10］和Bernsen方法［11］进行比较，结果如图3（c）和图3（d）所示，可见采用全局阈值的OTSU法对光照不均匀、噪声干扰较小图像的分割效果明显较差，而采用局部阈值的Bernsen方法可以较好地适应光照不均匀带来的影响，但右下角局部光照十分不均匀部分的信息仍旧有较大损失.因此，需要在Bernsen方法的基础上考虑一种新的阈值分割方法，来处理水滴的图像，以达到保留最大信息量的目的.

由于这些信息的丢失均是由于光照极度不均匀造成的，而对于同一个光源来说，它在整个空间的亮度是连续的.如果将一张图片分割成多张，单个小图片上的亮度将趋于均匀，分割个数越多，光照越均匀.因此，首先对试验中拍摄到的图像进行预处理，然后将其平均分割成多个小图片，对其逐个进行改进Bernsen方法的灰度图像分割处理，再将灰度图像分割处理后的图像拼接在一起，得到如图3（e）所示的结果.对比传统灰度分割方法处理后的图像可明显发现，图3（e）中水滴的信息得到更大程度的保留，虽然其中噪点较多，影响水滴的粒度统计，但是后期可以通过去噪处理去除.

由于水滴的透光性，在水滴图像的中间部分会形成光源的影像（即“亮点”），在上述二值化处理后将形成较大空洞，直接影响了水滴信息的提取，需要进行填充，填充结果见图3（f）.此外，数字图像的边缘部分存在较大部分噪声以及不完整的颗粒影像，图像中间部分也存在较多微小噪声，去除噪声后结果见图3（g）.应用类似的处理方法，水滴的运动轨迹原图及处理后的图像如图4所示.

图3 水滴“冻结”图像处理Fig.3 Processing of‘frozen’droplet image

图4 水滴运动图像处理Fig.4 Processing of moving droplet image

3.2 粒度与速度信息提取

含有水滴影像的数字图像在经过预处理后，水滴“冻结”的影像或运动轨迹已经被识别出来，接下来要对所需信息进行提取.对于粒度测量，首先标记连通区域，其次统计各个连通区域的像素个数，结合测量系统标定的放大倍率获得水滴等面积直径.对于水滴的速度，假设轨迹形状为椭圆形，椭圆长轴长即对应运动轨迹长度，结合曝光时间可以获得水滴的运动速度.

4 结果与分析

4.1 试验条件

3种不同表面的试验条件相同，水的质量流量均保持在10－3kg／s，液体有效附着面积为7.04×10－3m2，单位面积叶片上水的质量流量为1.42kg／（m2·s）.风速由风机变频调速器调节，频率调节范围为0～50Hz，试验中选取30Hz、35Hz、40Hz、45Hz和50Hz共5个测量点，测得相对应的出口风速分别为30.3m／s、35.4m／s、40.8m／s、46.5 m／s和50.0m／s.温度为室温25℃左右、压力为标准大气压.

试验时，通过调节变频调速器使风机工作在所需的转速范围内，待风机风速稳定后，打开水泵开关，调节流量阀来控制水的质量流量，使其处于所需范围内.

4.2 超亲水表面和超疏水表面尾流

二次水滴的形成过程实际上是水膜或溪流在叶片尾缘脱离时尾流在高速汽流作用下破碎变形的过程.因此，水膜或溪流在叶片尾缘脱离时尾流的形态对二次水滴的形成起着十分重要的作用.图5和图6分别给出了超亲水表面和超疏水表面水膜脱离叶片尾缘形成的尾流的照片，其中叶片尾缘处于照片的右侧，水流从右向左流动.

图5 超亲水表面尾流Fig.5 Wake flow from super－hydrophilic surface

图6 超疏水表面尾流Fig.6 Wake flow from super－hydrophobic surface

由图5和图6可以看出，对于超亲水表面，尾流长度较长，形状多呈现曲折状，且分支较多，这种形状的尾流由于气液接触面积较大，类似于冲击式气力雾化中的剪切破碎形态，气流与液体表面的作用更充分，对液体的碎裂效果更加理想，即雾化效果较好，故破碎形成的水滴的粒径应该较小.而在相同试验条件下超疏水表面溪流形成的尾流长度较短，形状相对于超亲水表面的尾流来说比较直，且分支较少，类似于冲击式气力雾化中的袋状破碎形态，气流与液体表面的接触面积比较小，气流的撕裂作用较小，即雾化效果较差，所形成水滴的粒径相对较大.

造成2种表面尾流形态不同的原因是：水膜在超亲水表面更易流动，形成的水膜较薄，而在超疏水表面由于不易润湿，形成了较大的溪流，溪流在叶片尾缘脱离时形成粗短的尾流，不利于尾流破碎撕裂形成较小的水滴.

4.3 不同尾流形成的水滴粒径和速度

图7和图8分别为在相同条件下超疏水表面和超亲水表面尾流破裂形成的水滴照片，照片的比例尺相同.从图7和图8可以看出，超亲水表面尾流破裂形成的水滴尺寸小于超疏水表面尾流破裂形成的水滴尺寸.

图7 超疏水表面尾流形成的水滴Fig.7 Droplets formed by wake flow from super－hydrophobic surface

图8 超亲水表面尾流形成的水滴Fig.8 Droplets formed by wake flow from super－hydrophilic surface

图9给出了普通试样模拟叶片和超亲水试样模拟叶片在5种不同风速条件下尾流破裂所形成水滴的平均粒径.试验结果显示，对于这2种试样模拟叶片，随着风速的增大，水滴平均粒径均不断减小.这是由于风速的增大增强了气流对水流的剪切作用，而气动剪切力是扰动并发生破碎雾化的关键作用力.在相同风速下，试样模拟叶片被超亲水处理后形成的水滴粒径明显减小，而其减小的幅度（差值与普通试样模拟叶片形成水滴平均粒径的比值）随着风速的变化而变化，对应风速为30.3m／s、35.4m／s、40.8m／s、46.5m／s和50.0m／s时，其减小的幅度分别为20.9%、11.8%、14.7%、18.1%和28.2%.其中风速较低时，由于液体雾化很不充分，水滴粒径具有较大的随机性.之后随着风速的增大，试样模拟叶片经超亲水处理后所形成水滴的平均粒径的减小幅度也增大，即水滴粒径更小.可以预计，在真实汽轮机汽流速度的作用下，超亲水表面形成的水滴粒径将会比普通表面的水滴粒径更小.

图9 不同风速下2种叶片表面水滴粒径的比较Fig.9 Comparison of droplet size between two blades at different gas velocities

图10给出了在风速为50m／s时普通表面和超亲水表面尾流破裂形成水滴的粒径分布.对于超亲水表面，不仅水滴的平均粒径小于普通表面，水滴的粒径分布也窄于普通表面.在汽轮机中，窄的水滴粒径分布意味着水滴撞击到动叶的部位相对比较集中，而不是分布在较大范围内［12］，这有利于针对性地采取去湿和防护措施.

图10 超亲水表面和普通表面尾流形成水滴的粒径分布（风速为50 m／s）Fig.10 Size distributions of droplets formed by wake flow from super－hydrophilic and ordinary surface at gas velocity 50m／s

较小的水滴粒径意味着更容易被气流携带加速，这在本试验中得到证实.图11（a）和图11（b）分别给出超亲水表面和超疏水表面尾流破裂形成水滴的运动轨迹照片.在风速为40.8m／s、水的质量流量为0.06L／min时，对拍摄得到的水滴运动轨迹照片进行图像处理，得到超亲水表面和超疏水表面产生水滴的平均速度分别为6.71m／s和4.90m／s，超亲水表面水滴的平均速度比超疏水表面水滴的平均速度高36.9%.可以预计，在真实汽轮机内超亲水表面形成的水滴由于粒径较小，在高速汽流携带下，其速度可能更高，这意味着该类水滴的流动方向更接近主汽流方向，有利于减轻水蚀.

图11 超亲水和超疏水表面水滴的运动轨迹照片Fig.11 Images of moving droplets formed by wake flow from both super－hydrophilic and super－hydrophobic surface

5 结 论

（1）叶片表面经超亲水处理后，表面溪流形成的尾流较长且分支较多，形状多呈现曲折状，类似于冲击式气力雾化中的剪切破碎形态；超疏水表面溪流形成的尾流长度较短，形状相对比较直，且分支较少，类似于冲击式气力雾化中的袋状破碎形态.

（2）在其他条件相同的情况下，超亲水表面尾流破裂形成的水滴粒径小于超疏水表面尾流破裂形成的水滴粒径，且相应水滴的速度较大.

（3）经超亲水处理的表面形成的水滴粒径小于普通叶片表面形成的水滴粒径，且随着风速的提高，水滴粒径减小的幅度呈增加趋势.

（4）对叶片表面进行超亲水处理将有可能减小所形成二次水滴的粒径以及得到较窄的二次水滴粒径分布，有利于减轻汽轮机叶片水蚀.

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