微液膜厚度及气液界面波动特性测量技术分析

＊张友佳 李华 兰治科 谢士杰 昝元峰

（中国核动力研究设计院 四川 610213）

多尺度特性广泛存在于传统化工过程中，目前对于各边界尺度（原子/分子、微粒、设备单元组件等）已基于传统理论认知开展了大量的深入研究，而在介尺度范畴内的机理研究则相对有限。通常认为，介尺度结构是介尺度问题的研究焦点，具体主要包括材料、界表面结构以及相物质的非均匀分布等。在典型的汽液两相流型中，环状流由于其传热传质性能突出，在化工石油、航空航天、核能等工业过程领域中得到应用广泛。由于环状流的体积含液率比较低，同时气相表观速度较大，在气相剪切力的作用下，液相紧贴管道内壁面流动并形成环状液膜，而气相被环状液膜包围在管道中心流动，并存在夹带液滴伴随，形成环形气液分界面，在相界面上分布着不同尺度的界面波，而界面波对气液两相流传热、传质等有重要影响。液膜厚度是气液两相流界面波领域研究中的重要参数，与流型、气液速度等参数密切相关。环状流中的液膜厚度及其动力学特性是两相流研究的难点与热点。理论研究分析表明，近壁面液膜（近壁面液膜由微米量级的近壁面微液膜和毫米量级的宏观大尺度厚液膜所组成）的特性对气液两相传热有重要影响并决定整个系统的性能及安全边界[1]。沸腾传热尺度分离现象表明，池式沸腾的高热流密度传热与近壁面微液膜的波动特性及微观动力学紧密相关，与宏观大尺度厚液膜的动力学无关[2-3]。因此，精准测量与分析近壁面微液膜厚度及气液相界面波动特性是深入理解沸腾传热与临界热流密度物理机理的关键。同时，对于沸腾传热与临界热流密度预测模型的改进优化具有重要意义。可为气液两相流设备的设计、安全运行、性能评价与结构优化提供试验数据支撑。

液膜厚度及其界面波动特性在化工、能源、流体机械等领域研究中一直是热点与焦点。在液化天然气（LNG）生产过程中，低温制冷剂在绕管式换热器的壳侧盘管壁面会发生液膜蒸发传热，而液膜厚度是影响降膜传热性能的重要影响因素。在石油管道传送工质过程中，两相分层流界面波动特性是油水两相分离与流型转变特性机理研究的关键。在管柱式气液旋流分离器气液分离过程中会伴随气相携液现象，而作为旋流液膜重要特征参数的液膜厚度及其空间分布特性一直是探究气相携液诱发因素及其特征规律的核心焦点。因此，在介尺度的微观层面上针对微液膜厚度及其界面波动特性进行精确定量测量与分析成为气液两相流动传热机理研究领域的核心任务之一。

微液膜厚度及其气液界面波动特性的测量方法众多，总体上可以分为四类：声学法、射线法、电学法和光学法[4]。本文将对这四类测量方法的测量原理进行简要说明，并对光学法的测量范围、精度、可操作性等指标进行对比分析。

1.声学法

声学法（即声波法）测量液膜厚度的原理是基于超声波在遇到气液相界面时会发生反射和能量衰减，通过反射回波来识别液膜厚度及其气液界面的波动特性。由于超声波的特性，声学法具备高采样测量频率（最高可达20MHz）。但由于气液相界面信号干扰因素多，尤其在沸腾过程中所产生的气液交混现象会影响液膜厚度的测量精度。此外，由于超声波的波长远大于光波长度，对于液膜厚度及其气液相界面波动特性的测量在空间分辨率上会有所欠缺。因此，声波法并不适用于沸腾状态下波状微液膜厚度及其气液相界面波动特性的测量[5]。

2.射线法

射线法的测量原理是当射线（中子[6]、γ[7]或X[8]）穿过气液两相流系统时会发生辐射能量衰减，并且射线的辐射强度在液相中的衰减强于在气相中的衰减。因此，当射线束在穿过气液两相流系统时，若射线的辐射强度发生突变时即是测点正好在气液分界面处。

然而，采用射线法时所需的系统设备运行复杂，成本昂贵（测量设备、防辐射装置等），限制了射线法的应用场合。因此，采用射线法测量液膜厚度及其波动特性在一般工业过程控制和实验室场景并不适用。

3.电学法

电学法通常可分为电容法和电导法两种测量方法。电容法的测量原理[9]是通过布量在流道两侧上的电极形成一个电容器，其电容为两相介电常数和相含率的函数，可通过测量电容来计算获得相含率。大部分常见气体的相对介电常数都非常接近于1，而大部分室温液体，如水、制冷剂等其相对介电常数比气体高数倍。因此，可利用气液相介电常数的差异来测量气液两相流动液膜的厚度。电容法是一种非侵入式测量方法，具有结构筒单、动态响应速度快、对流场无干扰等特点。但电容法需要利用电容和液膜厚度间的线性关系来计算获得液膜厚度。此外，电容法的测量系统输出阻抗较高，容易受到外界的干扰影响而导致不稳定现象。

电导法的测量原理是利用气液两相的电导率差异对液膜厚度进行测量。基于电导法的电导传感器可根据电极结构的差异分为贴片式和探针式两种类型。贴片电极更适用于较薄液膜的测量，而探针电极对不同厚度液膜测量的通用性更好，但精度稍差。电导探针是最常见且使用最广泛的电导传感器，其结构简单可靠、应用条件广泛、测量可靠性高。在气液两相流测量领域，电导探针广泛应用于气泡演变规律、液膜厚度、含气率等重要参数的测量[10]。电导法简单可靠、成本较低、通用性较好，但只能实现单点（或有限单点）的局部测量，测量所获得的被测参数在局部空间区域的平均值，精度较低，很难实现全流场的高保真测量，并且电导探针不太适合用于相界面波动剧烈的液膜特性测量。同时，电导探针是一种接触式测量方法，易受到液膜表面张力的影响，并且会对流场产生侵入干扰，对试验数据的真实性与可靠性有影响。此外，当液膜厚度较大时，采用电导探针测量的灵敏度会明显下降。因此，电导法通常作为其他测量方法的参照方法[11]。

电容法和电导法分别基于液膜厚度与电容、电阻等不同物理参数的对应关系来获得液膜厚度，但是其测量范图与测量精度容易受液膜波动形态、传感器有效截面及探针结构等参数影响。这限制了电学法在微液膜及其相界面特性精细化测量领域的应用。

4.光学法

近年来，随着光学测量技术和数字图像处理技术的迅猛发展，非接触式的光学测量技术在气液两相流测量领域广泛应用。光学测量法的测量原理主要是基于光波穿过不同介质及其相界面时所产生的光学现象（包括：能量衰减、折射、反射、散射和干涉等）。通常来讲，光学法具有高测量精度和高灵敏度等优点，对流场无干扰。常用的光学测量技术包括：椭圆光度法[12]、位移聚焦法[13]、荧光成像法[14]、干涉法[15]、界面检测法[16]、束激光阴影法[17]和光衰减法[4]等，其测量原理及技术性能对比见表1。传统的光学方法大多是通过对光线强度的分析来获得液膜厚度，这对于扰动不大的光滑相界面比较有效，但对于表面波动较大的液膜，由于光线在液膜内发生多次折射和反射，可能会导致测量结果失真。

表1 光学法测量液膜厚度技术性能对比

平面激光诱导荧光（PLIF）技术[18]是一种对流场无干扰的光学测试技术，具有高空间分辨率、快速时间响应，高灵敏度等优点。其测量基本原理为：荧光物质经入射激光的照射后可吸收特征频率的光子，并由基态跃迁至激发态。而处于激发态的分子状态不稳定，立即退激发并产生出射光。这一激发致光的转变过程在瞬间完成，若一旦停止入射光照射，发光现象随即消失，光强不发生积累。由于激发和发射之间存在着一定能量的损失，出射光的波长要大于入射激光的波长且在可见光波段，因此称这一出射光为荧光。基于激发光与荧光波段不同的特性，可采用滤光片将两者分离，只检测荧光强度来提高测量精度，并利用CCD高速摄像机等设备对荧光信号进行采集。由于摄像机与液膜所流经的壁面都是固定不动的，只有液膜厚度会发生变化。因此，将不同时刻拍摄的液膜厚度实时图像进行记录，并利用数字图像处理技术对所采集的图像进行后处理分析，即可获得液膜厚度的时序演变规律。

采用了位移聚焦法的共轭位移光学传感器是基于光谱共聚焦原理[19]，当从LED光源发生器发出的白光通过光纤耦合器后可近似看作为点光源，白光在经过准直和色散物镜聚焦处理后发生光谱色散，并在光轴上形成连续的单色光焦点，且每个单色光焦点到被测物体表面的距离各异。当被测物体表面位于共轭位移光学传感器的测量范围内时，只有特定波长的光线可在被测物体表面聚焦，由于该特定波长的光线满足共聚焦条件，可以在被测物体表面发生反射和折射后返回至光纤耦合器并进入光谱仪。其他波长的光线在被测物体表面无法聚焦，因此最终无法进入光谱仪。进入光谱仪的光线可被解码后得到光强最大值时的波长，通过内部算法可获得不同目标表面间的距离。光学位移聚焦法具有良好的层析特性，空间分辨力高，并且对被测物体的物理特性和环境杂散光不敏感，抗干扰能力强。

采用位移聚焦法技术的共轭光学传感器[20]具有非侵入式测量（不影响流场分布）、高采集率（30kHz，有利于在高热流密度饱和沸腾条件下捕捉液膜波动特性）、高空间分辨率（纳米级）、几乎不受被测物表面反光特性的影响、极小的稳定测量光斑（不影响观测和数字图像后处理）以及测量范围可调等优势，适用于微尺度液膜及其波动特性的测量[21]，并且适合工业化大批量检测的需要。但由于反射回光最终需要被光谱仪接收这一特性，光谱共聚焦法对被测物体表面的曲面度有一定限制要求。值得注意的是，虽然光学法普遍测量精度高、测量技术相对成熟，但光学测量设备价格昂贵，对使用环境要求严苛，限制了其在工业领域的推广与应用。

5.结论

本文主要针对液膜厚度及气液界面波动特性测量技术展开对比分析，主要结论如下：

（1）由于在抗干扰能力及空间分辨率上的限制，声波法不适合沸腾状态下波状微液膜的厚度及界面波动特性测量。（2）射线法可用于微液膜厚度及界面波动特性测量，但由于其系统设备运行复杂，且成本昂贵，在工业过程控制场景的应用较难。（3）光学法和电学法是气液两相流界面波动特性与液膜厚度测量的主要方法。光学法中的位移聚焦法和荧光成像法适合于气液沸腾条件下微液膜厚度及气液两相界面波动特性的测量。电导法和电容法分别基于液膜厚度与电阻、电容等不同物理参数的对应关系来确定液膜厚度，其测量范图与精度易受液膜波动形态、传感器有效截面及探针结构等参数影响，可作为光学法的参照测量方法。