平面激光誘導熒光技術在液膜厚度波動實驗研究中的應用

臧麗葉，田瑞峰，孫蘭昕，朱 蒙 ，羅 騫

(1.哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001；3.深圳中廣核工程設計有限公司 上海分公司，上海 200241)

垂直自由降膜在先進壓水堆AP1000非能動安全殼冷卻系統(PCCS)、核能海水淡化系統、蒸發器汽水分離系統中均有廣泛的應用。除具有傳熱傳質系數高、動力消耗小等優點之外[1]，降液膜的非線性流動特征、波動不穩定性及其在熱效應或切應力情況下的破斷行為會影響工業設備的性能，例如，汽水分離系統的二次攜帶問題、安全殼冷卻系統的局部干涸現象等。因而有必要對自由下降薄液膜的波動特性以及時空演化規律[2-4]進行深入的研究，如何對動態波動液膜的厚度進行精確的實時測量已成為液膜動力學波動特性研究的關鍵問題。

傳統接觸式測量受液膜表面張力的影響，所用探頭必然會破壞測量點的邊界條件以致干擾液膜的流動特性，且測量值僅是較大面積區域內的平均值，精度較低。此外，由于電容式測量系統的輸出阻抗高，易受外界干擾影響而產生不穩定現象[5]。傳統的光學方法大多是通過對光線強度的分析來測量液膜厚度。以光吸收方法為例，它對于擾動不大的光滑界面比較有效，但對于表面波動的液膜，可能由于光線在液體內的多次折射而使測量值失真[6-7]。

1 激光誘導熒光技術的測量原理

平面激光誘導熒光(PLIF)技術是一種新型無干擾流場測試技術，具有高空間分辨率、快速時間響應、高靈敏度、無干擾等優點[8]。平面激光誘導熒光測試技術的基本原理為：熒光物質經入射激光的照射，吸收特征頻率的光子，由基態躍遷至激發態，處于激發態的分子不穩定，立即退激發并發出出射光。這一激發致光過程在瞬間完成，一旦停止入射光照射，發光現象也隨即消失，光強不積累。此外，由于激發和發射之間存在著一定的能量損失，出射光的波長要大于入射激光的波長且在可見光波段，這一出射光被稱為熒光。利用激發光與熒光波段不同的特點，可采用濾光片將兩者分離，只檢測熒光強度以提高測量精度，并利用CCD攝像機等設備對熒光信號進行采集[9]。

在液膜厚度識別中，因拍攝時攝像機和液膜所流經的板壁均是固定的，而變化的只有液膜位置，因而將不同時刻拍攝的液膜實時圖像進行記錄，并利用數字圖像處理軟件對采集圖像進行分析，可檢測出液膜厚度的時序變化。為了精確確定所采集圖像中單位像素相應的實物尺寸，首先對圖像采集系統進行標定。實驗中選用無液體波形板干板壁作為標定圖像，則激光入射位置處的瞬時液膜厚度為：

其中：h為無液體干板壁的實際厚度，μm；m為板壁厚度圖像的像素點數；n為激光入射位置處的某時刻液膜厚度圖像的像素點數；δ為該時刻的瞬時液膜厚度，μm。

2 實驗系統與實驗過程

2.1 實驗系統

本實驗在波形板壁液膜破裂研究的實驗臺上進行，實驗系統如圖1所示。其中液膜通過側面儲水箱的窄縫漫溢產生。實驗選用最大吸收波長為555 nm的羅丹明 B作為熒光劑，并采用波長為532 nm的Nd:YAG激光器作為激發源，綠色激光連續輸出。采用Photron FASTCAM SA5高速攝像機進行拍攝，在CCD鏡頭前加裝高通濾光片，濾掉強度很大的綠色激光信號，進而只捕獲橙色熒光信號。

圖1 實驗系統示意圖

2.2 光路設計

PLIF技術測量液膜厚度的光路為正交型，即入射激光垂直于液膜所在平板，并可通過調節激光器的位置來選擇所需測量點。CCD攝像機則在與入射激光垂直的平板切線方向進行圖像采集，如圖2所示，實驗中CCD攝像機從上方進行拍攝，以方便光路垂直度的調節。

圖2 光路示意圖

提前在實驗流體中溶解某種特定分子結構的熒光染料作為熒光劑，如圖3所示，用一束激光線光源垂直照射板壁上的液膜，由于熒光物質的作用，被激光照射位置的液膜呈現橙色，利用高速攝像機在垂直方向進行圖像采集，并在CCD鏡頭前加裝高通濾光片，由于熒光與激發光的波長差異，濾光片濾掉了強度很大的綠色激光信號，拍攝視野中僅剩橙色熒光信號，如圖4所示，橙色區域(圖中為淺灰色區域)與周圍區域的色彩亮度差異很明顯，邊界清晰可辨，可利用數字圖像處理軟件實現液膜邊界的有效識別。

為了防止板壁側面的儲水箱中液體所發出的熒光對液膜厚度熒光信號產生干擾，實驗時在儲水箱上方貼黑色膠布。實驗在暗室中進行，可避免其余光線的干擾，提高所捕獲圖像的清晰度。

圖3 液膜厚度的激光誘導熒光法測量

2.3 實驗過程

1) 調節入射激光和CCD攝像機的角度，務必做到入射激光與板壁垂直，相機拍攝方向與板壁相切。

2) 用CCD對拍攝區域進行對焦，并記錄下無介質的實驗件圖像作為標定圖像，此處選擇無液體干板壁壁厚作為標定。

3) 投入羅丹明 B并開啟液膜生成系統，將液體流量調至預定值，等待20 min以保證板壁完全潤濕，液膜流動達到穩定狀態。采用稱重法測量液膜流量。

4) 啟動激光器激發熒光，利用CCD攝影機捕捉液膜圖像。本實驗采樣頻率定為200 Hz，采樣時間為3 s。

5) 利用數字圖像處理軟件進行圖像分析。

2.4 數字圖像處理

使用Image-pro plus數字圖像處理軟件，進行圖像分析。

1) 分析圖片中的元素，確定能反映測量對象的圖像圖形

如圖4所示，線激光垂直照射下的液膜在圖像中表現為一個梯形的橙色區域，其色彩及亮度與周圍黑色背景形成強烈的反差，有效避免了其余光線在液膜邊界形成的陰影，測量精度大幅提高。

2) 測量對象的邊界檢測

在兩種不同色彩的邊界上，像素點的色彩與亮度隨位置的變化會有一較大的變動，檢測這個小范圍內亮度與色彩變化的最大值點并將其作為分界點的閾值，利用邊界微分的原理對液膜邊界進行自動檢測與識別。圖4中梯形狀的輪廓線為檢測出的液膜邊界。

圖4 數字圖像處理結果

3) 測量圖片中所需圖形的測量參數，進而得到測量對象的測量數據

圖4中梯形的兩平行邊分別代表了液固邊界和氣液邊界，則兩平行邊之間的距離即為液膜的厚度。使用Image-pro plus數字圖像處理軟件中的測量工具對兩邊之間的距離進行長度測量，實際上這里的長度代表液膜厚度的像素點值。以事先捕捉的無液體干板壁圖像作為標定圖像，則可通過比例尺得到液膜的實時厚度。

3 實驗結果分析與討論

3.1 平均液膜厚度與雷諾數

液膜雷諾數是降液膜流動研究的一個重要參數，Nusselt首先建立了平衡自由下降液膜的理想層流理論，得到層流假設條件下的液膜厚度平均值[2]：

本文以采集時間內液膜厚度的算術平均值作為該雷諾數下的平均液膜厚度，即：

其中：δi為某一時刻的瞬時液膜厚度，μm；N為采樣點總數。

為了避免液膜波動對實驗結果準確性的影響，選擇液膜入口附近100 mm處的位置作為測量點，在不同雷諾數條件下對液膜厚度進行了測量，圖5示出平均液膜厚度與雷諾數的關系，并將實驗結果與Nusselt理想層流理論模型進行對比，結果表明，在雷諾數小于400時，兩者吻合較好；當雷諾數大于400時，由于液膜表面波數量增多且波動幅度也逐漸增大，使平均液膜厚度增加，測量值要大于層流理論值。

圖5 平均液膜厚度與雷諾數的關系

將實驗結果進行擬合，得到液膜平均厚度與雷諾數間的實驗關聯式：

圖6 液膜厚度實驗值與擬合值的比較

圖6為液膜厚度實驗值與擬合值的比較，可認為在12%的誤差范圍內，擬合經驗關系式可較好地表示液膜雷諾數與平均液膜厚度的關系。充分證明本實驗所采用的平面激光誘導熒光技術在液膜厚度測量應用中的可靠性。

3.2 液膜波動的縱向演化

實驗中，液膜厚度的測量點必須能監測液膜沿板面縱向的波動情況，同時也必須避免邊緣效應。以液膜入口為起點，在板壁中央沿縱向分別選取L1=100 mm、L2=130 mm、L3=180 mm位置作為液膜厚度的測量點，進行實時記錄。

圖7為液膜雷諾數為845時，3個測量點處液膜厚度的時序變化圖與概率密度分布(PDF)曲線[10-11]。L1位置，表面波的數量很少，波動幅度隨時間基本不變。概率分布集中在一較窄的區域，波峰位置近似等于液膜厚度的時均值，波峰高且陡，說明此處液膜的波動很小，液膜厚度的分散性較小。表明L1位置接近于起波線，表面波剛形成，數量還未達到飽和。

L2位置的波形很規則，基本接近周期波。結合圖7a和b發現，L1和L2表面波波幅基本相同，但L2處的表面波數量卻明顯增加，說明從L1到L2，表面波波長減小，波的傳播頻率增加。與圖7d相比，圖7e概率分布的主峰高度略有下降，在較大的液膜厚度處出現第2波峰，說明隨著波動的縱向發展，表面波的數量增多使較大液膜厚度(此厚度即為表面波幅值)出現的概率增加，但由于波幅基本一致，其PDF特征表現為第2波峰狀。PDF的雙峰特征是周期擬正弦波動的顯著特征，可將其作為鑒別表面波波動特性的一個判據。

L3位置，某些波的波幅遠大于其余波的，波前很陡且前方分布著一些幅度較小的毛細波，兩大幅度波之間的液膜表面較平坦，稱為駝峰。與L2表面波數量相比，L3駝峰波數量較少，說明孤立波的波長要比周期擬正弦波大得多。概率分布的雙峰特征消失，主峰高度大幅降低，曲線寬度明顯增大且主要表現在較大的液膜厚度處。這表明L3處液膜出現較大幅度的波動現象，且各表面波的幅度大小不一，從而導致液膜厚度的分散性大幅增加。

圖7 液膜時序波動與概率密度分布

4 結論

1) 利用激光誘導熒光技術結合CCD高速攝像采集系統得到自由下降波動液膜的實時圖像，通過數字圖像處理實現了液膜厚度的測量，得到平均液膜厚度的擬合經驗關系式。

2) 誤差分析表明平面激光誘導熒光技術的應用有效提高了液膜厚度的測量精度，解決了傳統接觸式測量方法對流場產生干擾而導致其準確性較差的問題。

3) 通過對液膜波動特性的時序變化及縱向演化分析，發現液膜厚度PDF的特征差異可作為診斷液膜的波動特性的判據。例如：起始小波動的PDF曲線波峰高且尖；周期性波動的PDF有明顯的雙峰特征；孤立波動的PDF則是在波峰右側區域明顯延長。

參考文獻：

[1]閆維平，李洪濤，葉學民，等. 垂直自由下降液膜厚度的瞬時無接觸測量研究[J]. 熱能動力工程, 2007,22(4):380-384.

YAN Weiping, LI Hongtao, YE Xuemin, et al. A study of the transient non-contact measurement of vertical free-falling liquid-film thickness[J]. Journal of Engineering for Thermal Energy and Power, 2007, 22(4): 380-384(in Chinese).

[2]DROSOS E I P, PARAS S V, KARABELAS A J. Characteristics of developing free falling films at intermediate Reynolds and high Kapitza numbers[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2004, 30: 853-876.

[3]ALEKSEENKO S V，NAKORYAKOV V E，POKUSAEV B G. Wave formation on vertical falling liquid films[J]. Int J Multiphase Flow, 1985, 11(5): 607-627.

[4]LIU J, PAUL J D, GOLLUB J P. Measurements of the primary instabilities of film flows[J]. Fluid Mech, 1993, 250: 69-101.

[5]郭斌，李會雄，郭篤鵬. 水平管外降膜流動液膜厚度的測量及分析[J]. 工程熱物理學報,2011, 32(1):71-74

GUO Bin, LI Huixiong, GUO Dupeng. Measurement and analysis of the thickness distributions of falling liquid films around horizontal tubes[J]. Journal of Engineering Thermophysis, 2011, 32(1): 71-74(in Chinese).

[6]古大田. 動態液膜厚度測試技術的研究[J]. 化工學報,1988(3):374-377.

GU Datian. A technique for measuring dynamie liquid film thickness[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 1988(3): 374-377(in Chinese).

[7]盛偉，李洪濤. 數字圖像技術在液膜厚度測量中的應用[J]. 東北電力技術,2007(2)：44-47.

SHENG Wei, LI Hongtao. Application of digital imaging technology to film thickness[J]. Northeast Electric Power Technology, 2007(2): 44-47(in Chinese).

[8]DEMTORDER W. Laser spectroscopy: Basic concepts and instrumentation[M]. Shanghai: World Publishing Corporation, 2008.

[9]阮秋琦. 數字圖像處理學[M]. 北京:電子工業出版社,2001.

[10] 劉會燈，朱飛. MATLAB 編程基礎與典型應用[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

[11] 克蘭德爾S H. 隨機振動[M]. 吳家駒,譯. 北京：科學出版社，1980.