淺談?高速攝像在微通道研究中的應(yīng)用

1.背景介紹

微通道，也稱為微通道換熱器，就是通道當(dāng)量直徑在10-1000μm的換熱器。這種換熱器的扁平管內(nèi)有數(shù)十條細(xì)微流道,在扁平管的兩端與圓形集管相連。集管內(nèi)設(shè)置隔板,將換熱器流道分隔成數(shù)個(gè)流程。微通道換熱器按外形尺寸可分為微型微通道換熱器和大尺度微通道換熱器。

蒸汽直接接觸凝結(jié)（DCC）即蒸汽與過(guò)冷水直接混合時(shí)發(fā)生的瞬時(shí)動(dòng)量和熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象，具有無(wú)中間熱阻、熱質(zhì)傳遞效率極高的顯著特點(diǎn)，在可再生能源工程、核電及化工等領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用。

2.研究?jī)?nèi)容

從尺度上來(lái)說(shuō)，DCC的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在宏觀尺度范疇，而DCC的應(yīng)用已 拓展至微細(xì)尺度，尺度效應(yīng)會(huì)顯著影響汽液多相流的流型和演化特性，常規(guī)尺度DCC流動(dòng)傳熱機(jī)制很可能不能解釋微細(xì)尺度條件下的相關(guān)行為。因此，有必要對(duì)微細(xì)尺度條件下DCC汽液兩相流動(dòng)現(xiàn)象開(kāi)展研究，以揭示其瞬時(shí)界面特征和演變行為。

圖2 T型微細(xì)通道實(shí)驗(yàn)段示意圖

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、過(guò)冷水雙循環(huán)系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)和可視化實(shí)驗(yàn)段等五部分組成。本實(shí)驗(yàn)的主要目的是探索特定汽水熱工參數(shù)下的典型汽液界面瞬時(shí)特征及演變行為。實(shí)驗(yàn)涉及的蒸汽體積流量、過(guò)冷水體積流量、蒸汽溫度、過(guò)冷水溫度等參數(shù)的數(shù)值可從集成控制系統(tǒng)的控制面板中觀察到。待實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采用高速攝像機(jī)及圖像采集軟件，以5000fps的速度進(jìn)行采集。

3.研究結(jié)論

圖4. 高速攝像觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

本研究基于T型微細(xì)通道內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用高速攝像機(jī)獲取了飽和蒸汽及過(guò)冷水工況下直接接觸凝結(jié)過(guò)程的瞬時(shí)圖像信息，通過(guò)對(duì)汽水界面瞬時(shí)演變行為的分析，得到結(jié)論： （1）從汽液界面隨時(shí)間變化特征來(lái)看，該工況下的汽液界面所呈現(xiàn)的流型特征為復(fù)合流型。 （2）發(fā)現(xiàn)了與常規(guī)尺度管內(nèi) DCC不同的汽液界面波動(dòng)新現(xiàn)象。 （3）發(fā)現(xiàn)了支管正下方附近的蒸汽泡瞬間潰滅過(guò)程中由于汽泡內(nèi)爆導(dǎo)致的顏色加深現(xiàn)象。 （4）蒸汽自支管入射至主管后其長(zhǎng)度經(jīng)歷了相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的振蕩增長(zhǎng)和極短時(shí)間的線性縮短過(guò)程。

4.行業(yè)應(yīng)用總結(jié)

微通道、微流控領(lǐng)域研究一直是行業(yè)熱門，涉及到芯片、生物醫(yī)學(xué)、能源化工等等諸多領(lǐng)域，其特點(diǎn)是微尺寸、高流速、涉及到氣液多相，一般微尺度下的觀測(cè)采用高速攝像機(jī)搭配顯微鏡或放大鏡頭以及特殊光源組成的觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行圖像捕捉，千眼狼在該行業(yè)有大量成熟案例，可以為廣大研究者提供案例經(jīng)驗(yàn)和成套的解決方案。

作者：張強(qiáng)武，馬坤茹，李樹(shù)謙，盧濤