单气泡生长的高速激光干涉可视化研究

王 季，王洪彬，刘珺瑞，曲文海，熊进标

(上海交通大学 核科学与工程学院，上海 200240)

过冷沸腾具有较强的换热能力，但其基础的沸腾机理仍不明确。为量化沸腾过程中气泡的行为，学者提出了多种沸腾模型[1-3]。其中微液膜模型[3]认为，在气泡生长初期，气泡底部和加热面之间存在一层很薄的微液层，厚度约为几微米，微液层的蒸发热阻极小，为气泡生长提供大量的能量，是气泡生长初期体积增长的主要贡献者。

对微液膜主要是通过理论推导和实验测量方法进行研究[4-7]。常用的测量微液层的方法有激光消光法[8-10]和激光干涉法[11-16]。激光干涉法稳定且精度高被广泛使用。Koffman[11]测定了水和酒精的微液膜厚度，同时指出激光干涉法的测量误差在5%以内。Jung[12]使用了激光干涉法测量了气泡底部微液层厚度，研究了常压下3 ℃过冷度工况下单气泡生长行为。Jung与Kim[13-14]在2018年和2019年研究了常压下池沸腾中干斑的动态变化和相应的温度分布。Gao[15]研究了常压下乙醇气泡底部微液层三相接触线和初始微液层厚度，提出了基于时间的无量纲液膜厚度模型。Chen等[16]发现微液层边缘存在弯曲的月牙结构。虽然已经有众多学者对微液层行为进行了不同的研究，但对过冷沸腾中微液层的研究仍较少，对其机理行为的理解和相关模型的建立仍缺乏大量实验数据的支撑。

本文使用氧化铟锡(ITO)薄膜作为加热面，使用激光干涉法和高速相机实现过冷沸腾中单气泡生长行为多角度同步可视化实验研究，测量气泡的接触直径、微液层和干斑直径的变化过程，同时对气泡的脱离直径、脱离频率、接触直径等相关参数进行同步测量。

1 实验系统

气泡生长周期可分为核化等待、生长和脱离三部分。在气泡长大的过程中，通过高速相机从侧面拍摄气泡的宏观行为，可得到气泡的生长过程、等待时间、脱离直径、脱离频率等参数。针对底部微液层行为，主要通过激光干涉法[11-16]进行测量。

实验装置主要由直流电源、池沸腾容器、加热模块、高速相机、激光和温度采集系统组成，如图1所示。

图1 实验装置布置

实验容器主要分为两部分，分别是容器本体和加热模块。容器尺寸为200 mm×200 mm×200 mm，容器前后上3面设置视窗，采用钢化玻璃作为视窗材料，用于高速相机拍摄和补光。实验中使用了4根450 W的加热棒对去离子水进行预热，通过可控硅控制加热功率，保持水体温度在设定温度。加热模块部分使用直径为30 mm的蓝宝石作为加热基体，在蓝宝石表面通过磁控溅射法制备1层ITO薄膜作为加热面。实验中使用的蓝宝石厚度为1 mm，ITO膜的厚度为650 nm。ITO表面通过刻蚀形成单核化点，核化点尺寸约为5.7 μm，刻蚀方案和核化点形貌如图2所示。实验中加热体被固定在1块特氟龙基底上，特氟龙块中心开有直径为10 mm的通孔，实验中激光从底部通孔内入射照亮加热面，侧面使用LED灯进行照明。

图2 ITO刻蚀示意图

实验中使用去离子水作为工作介质，为去除水中的不凝结气体，在未加热时使用氩气对去离子水进行吹气从而携带走水中的气体，在实验时，先将液体烧至沸腾，保持120 min沸腾状态，从而确保水中的不凝结气体去除干净。后通过可控硅控制加热棒功率，保持水的温度稳定在设定温度，稳定20 min后，启动直流电源对ITO膜进行加热。实验中高速相机的频率为7 500 Hz，图片像素为1 280×800，每个像素尺寸为20 μm。侧面相机为单倍镜头，底部相机使用显微镜头，放大倍数为7。

2 实验数据分析

2.1 数据处理

实验中通过两台同步相机得到的图像需经过图像处理对所需的参数进行提取。主要提取的参数包括液膜厚度、液膜位置分布、干斑直径、接触直径、气泡直径等。

底部相机拍摄到的干涉条纹图像处理的过程分为3步：首先对原始图像进行去背景、降噪和图像增强；第2步是对每条暗条纹的位置进行识别；第3步是计算相应位置处的液膜厚度。其流程如图3所示。

相机获得的原始图片如图3a所示，使用图像处理软件对图像进行处理，处理后的图片如图3b所示，通过灰度识别算法对处理后的图片中的明暗条纹进行识别，可获得条纹的数量和位置，图中共识别出25条暗条纹和其相应的像素点位置，如图3c所示。

a——原图像；b——处理后图像；c——条纹识别

通过对明暗条纹进行计算，可得到液膜厚度，由于暗条纹的对比度比明条纹更强，因此本实验中使用暗条纹作为识别对象，其厚度计算公式如下：

(1)

式中：λ为激光波长；n为水的折射率；m为暗环序数。实验中使用的激光波长λ为640 nm，通过式(1)可求出每帧图片中微液层在不同位置处的厚度分布。

气泡直径、干斑直径和接触直径的定义如图4所示。

图4 不同阶段不同直径的定义

对气泡宏观直径使用直接测量的方法进行测量识别，如图5所示。在气泡生长过程中，气泡形态从半球形逐渐演变为球形，最后脱离时为水滴形，因此对气泡直径的测量亦有多种方式，本文使用直接测量法。通过测量气泡最大直径所占的像素值，计算出其直径。

图5 气泡直径测量

接触直径和干斑直径可通过干涉图像的测量得到，也可通过灰度曲线数据进行提取，如图3c中第1条暗条纹对应的位置即为干斑的半径值，最后1条明条纹对应的位置即为接触面的半径值。

2.2 不确定性分析

实验中测量的参数列于表1。

表1 测量参数及不确定度

实验中采用直径为1.6 mm的K型Omega铠装热电偶测量液相温度，精度为±0.5 ℃；系统压力采用横河EJA430E压力变送器，精度为全量程的0.065%；电流和电压的精度可达到0.01 A与0.01 V。气泡生长几何、干涉条纹和干斑尺寸是通过统计每帧的像素来测量，因此气泡尺寸的测量误差由高速相机的分辨率决定，侧面气泡误差约为1个像素20 μm，底部图像误差为1个像素3 μm。

ITO膜的加热面积为CAD直接获得，其精度可达到0.01 mm2。热流密度等于加热功率和加热面积的比值，但由于加热面进行过刻蚀，整体为非均匀加热，因此实验中仅计算名义热流密度。

在计算液膜厚度时，其不确定性由激光测量方法的误差、激光波长的误差、条纹位置误差和原图像处理的误差叠加而成。激光测量技术的系统误差在5%以内，激光波长的误差为1.56%，暗条纹位置的确定和原图像处理带来的误差约为9.4%。根据误差传递法则，计算液膜厚度时所带来的的总误差约为10.7%。

由于刻蚀的边缘存在缺陷，会形成天然的核化点，因此在中心气泡生长时，边缘会同时生成气泡，由于多生长于ITO的刻蚀处，因此其热流密度较低，生成的气泡较小。通过图像的对比发现，在中心气泡生长初期，由于气泡体积较小，周围气泡对其无影响；在中心气泡生长后期，其体积较大，会与周围小气泡产生相互作用力，发生形变，但此时处于气泡脱离阶段，微液层已蒸干，因此小气泡对液膜行为无影响，对气泡后期形态有较小的影响，通过图像对比计算得到其形变量约为8%。

3 实验结果分析

3.1 气泡行为

通过侧面布置的高速相机拍摄气泡生长和底部高速相机拍摄微液层干涉条纹，得到如图6所示的同步图像。

图6 底部干涉图像和侧面图像

图6显示了气泡从核化点长出到脱离的典型过程，左侧图片为底部微液层干涉图像，右侧图像为侧面相机拍摄的气泡生长图像。该图像拍摄的工况为：压力0.1 MPa，加热功率6.4 W，过冷度2 ℃。在0.133 ms时气泡从核化点长出，此时气泡尺寸较小；5.33 ms时底部微液层达到最大直径，微液层中间白色区域为干涸区域，从侧面图像中可得到此时气泡直径也接近最大值，但气泡形状近似为半球形；9.33 ms时微液层大部分已经蒸干，同时微液层形状不再是标准的同心圆，出现了较为明显的条纹弯曲，侧面图像显示气泡体积仍在增大，但横向直径变化不大，主要是竖直方向上尺寸的增长，此时气泡的形状逐渐接近圆形；14.67 ms时底部微液层完全蒸干，在此过程中气泡体积不断增大；24 ms时，气泡即将脱离壁面，气泡形状转变为上半部球形下半部锥形的倒水滴形状，气泡与壁面接触的干涸部分逐渐缩小直至脱离时刻降为0，周围的过冷水对原气泡覆盖区域进行再润湿。

通过对气泡行为的分析，可将气泡的整个生长周期分为生长和脱离两部分：在气泡生长阶段能观测到明显的干涉条纹，气泡呈现半球形；脱离阶段，微液层已经干涸，气泡体积仍在增大，形态逐渐转为球形和倒水滴形，底部的接触面积逐渐收缩直至气泡脱离。

3.2 微液层行为

通过对不同时刻微液层厚度的计算，得到如图7所示的微液层厚度分布图。

图7 生长阶段微液层厚度分布

在气泡生长阶段，微液层最大厚度约为5.7 μm(0.93 ms)。在某一固定时刻，微液层的厚度随半径的增大而增大；随着气泡的长大，微液层最外缘厚度即微液层最大厚度呈现先增大后减小的趋势，原因是在气泡生长初期，气泡体积急速增大，微液层所覆盖的面积也迅速增大，微液层最外缘厚度迅速增大；到了稳定生长时期，气泡体积和形状较为稳定，此时微液层被逐渐蒸干而变薄，微液层最外缘厚度逐渐降低直至消失。

结合干涉图像发现，气泡在生长阶段末期，明暗条纹不再规则，特别是气泡边缘，干涉条纹发生弯折，存在不同位置处的微液层厚度相同的现象。该现象与文献[16]中所观测到的现象一致。分析图6中9.33 ms时的图像，气泡干涸区域在9.33 ms之前为中心向边缘扩散，在9.33 ms时，气泡最外缘出现干涸，干涸区域变为从气泡中心和边缘向中间合并的过程，如图8中黄色箭头所示。因此可推断气泡底部微液层确实存在弯曲结构。

图8 微液层弯曲结构示意图

3.3 气泡直径、接触直径和干斑直径

气泡生长过程中，气泡直径、接触直径和干斑直径是研究气泡的重要参数。为方便数据处理，均采用半径进行对比，三者之间相互关系如图9所示。

图9 不同半径与时间的关系

由于气泡在生长时最大边缘长出相机拍摄视窗，但仅为气泡最外缘部分，图像中仍可观测到完整的气泡尺寸。

气泡生长过程中的两个阶段，即存在微液层的生长阶段和蒸干后的脱离阶段时间近似相等。在气泡生长阶段，气泡接触半径和干斑半径均逐渐增大，接触半径快速增大后趋于稳定，而干斑半径近似线性增加。当微液层蒸干后，气泡接触直径与干斑直径相等，在稳定一段时间后逐渐减小直至降为0，此时气泡脱离加热壁面。气泡直径在生长初期快速增大，后其值维持稳定，从图6可看出，在5.33 s气泡直径达到最大值之后，气泡直径的直接测量值虽然变化不大，但气泡的体积仍在增长，原因是底部微液层的蒸发和气泡周围过热流体的导热使得液相不断蒸发导致气泡体积的增长，从而导致浮力增大，气泡逐渐由半球形过渡为球形。

研究气泡接触直径和气泡直径的比值，其关系如图10所示。

图10 气泡接触直径与气泡直径的比值

在气泡生长初期，接触直径与气泡直径的比值逐渐增大，在气泡稳定生长时，气泡接触直径与气泡直径的比值约为0.6。

4 结论

本研究通过使用ITO膜、激光和高速相机对池沸腾中单气泡的生长行为进行了可视化研究，实验拍摄了单个气泡生长过程中气泡底部微液层的生成和消亡过程，得到了清晰的底部微液层干涉图像和对应时刻气泡的生长和脱离行为。气泡生长过程可分为底部存在微液层的生长阶段和底部完全蒸干后的脱离阶段两部分，两阶段的时长大致相当。通过分析得到以下结论。

1)在生长阶段，干斑直径和接触直径逐渐增大；在脱离阶段，接触直径逐渐减小。

2)气泡接触直径与气泡直径在生长期趋势相同，稳定增长时，气泡接触直径与气泡直径的比值约为0.6。

3)实验验证了在生长阶段后期，微液层边缘存在弯曲结构。

本研究测量得到的气泡行为可为壁面沸腾模型提供数据支持，但更广范围内的应用，仍需进一步验证。