浅谈​高速摄像在微通道研究中的应用

1.背景介绍

微通道，也称为微通道换热器，就是通道当量直径在10-1000μm的换热器。这种换热器的扁平管内有数十条细微流道,在扁平管的两端与圆形集管相连。集管内设置隔板,将换热器流道分隔成数个流程。微通道换热器按外形尺寸可分为微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。  

蒸汽直接接触凝结（DCC）即蒸汽与过冷水直接混合时发生的瞬时动量和热质传递现象，具有无中间热阻、热质传递效率极高的显著特点，在可再生能源工程、核电及化工等领域均具有广泛应用。

2.研究内容

从尺度上来说，DCC的应用领域主要集中在宏观尺度范畴，而DCC的应用已 拓展至微细尺度，尺度效应会显著影响汽液多相流的流型和演化特性，常规尺度DCC流动传热机制很可能不能解释微细尺度条件下的相关行为。因此，有必要对微细尺度条件下 DCC汽液两相流动现象开展研究，以揭示其瞬时界面特征和演变行为。

图2 T型微细通道实验段示意图

图3 实验系统示意图

本实验系统主要由蒸汽发生系统、过冷水双循环系统、图像采集系统、温度采集系统和可视化实验段等五部分组成。本实验的主要目的是探索特定汽水热工参数下的典型汽液界面瞬时特征及演变行为。实验涉及的蒸汽体积流量、过冷水体积流量、蒸汽温度、过冷水温度等参数的数值可从集成控制系统的控制面板中观察到。待实验系统运行稳定，采用高速摄像机及图像采集软件，以5000fps的速度进行采集。

3.研究结论

图4. 高速摄像观察到的实验现象

本研究基于T型微细通道内蒸汽直接接触凝结可视化实验台，利用高速摄像机获取了饱和蒸汽及过冷水工况下直接接触凝结过程的瞬时图像信息，通过对汽水界面瞬时演变行为的分析，得到结论： （1）从汽液界面随时间变化特征来看，该工况下的汽液界面所呈现的流型特征为复合流型。 （2）发现了与常规尺度管内 DCC不同的汽液界面波动新现象。 （3）发现了支管正下方附近的蒸汽泡瞬间溃灭过程中由于汽泡内爆导致的颜色加深现象。 （4）蒸汽自支管入射至主管后其长度经历了相对较长时间的振荡增长和极短时间的线性缩短过程。

4.行业应用总结

微通道、微流控领域研究一直是行业热门，涉及到芯片、生物医学、能源化工等等诸多领域，其特点是微尺寸、高流速、涉及到气液多相，一般微尺度下的观测采用高速摄像机搭配显微镜或放大镜头以及特殊光源组成的观测系统进行图像捕捉，千眼狼在该行业有大量成熟案例，可以为广大研究者提供案例经验和成套的解决方案。  

作者：张强武，马坤茹，李树谦，卢涛