应用探析|高速摄像在液滴蒸发研究中的应用

1.背景介绍

液氮喷雾广泛用于现代工业，例如医疗制冷、设备冷却、食品保存和风洞制冷。液氮喷雾是由环境气体、氮气和液滴气液两相组成的，单个移动液滴的蒸发是液氮喷雾的基本组成部分。单液滴蒸发的研究是为了更好地了解整个喷雾雾化过程的基础。最近，研究人员普遍关注液氮喷雾冷却过程，包括喷雾动力学，以及冷却特性。但是，缺乏可靠单移动液氮液滴蒸发的实验数据和数学模型。

图1 静止和移动液滴蒸发过程示意图

2.研究内容

 为了解液氮蒸发的过程机理，西南石油大学的岑康科研团队研究单个移动液氮液滴的蒸发机理。本研究重  点进行单移动液氮液滴蒸发特性的实验研究和数值模拟。利用高速摄像机建立了可视化的实验装置来研究动态蒸发单移动液氮液滴的特点。测量了液氮液滴直径和行进距离随时间的演变。

图2 高速摄像观测系统组成示意图

(1)自动加压液氮罐；(2)低温阀1；(3)液滴发电机；(4)低温电磁1；(5)低温电磁阀2；(6)50毫米圆孔；(7)25毫米圆孔；(8)阀门2；(9)氦气罐；(10)40毫米圆孔；(11)排气喷嘴；(12)温度传感器；(13)高速摄像机；(14)面板灯；(15)蒸发室；(16)氧浓度检测仪；(17)工作台和夹具；(18)计算机。

 实验装置主要由三部分组成，包括液滴生成子系统、蒸发室子系统和图像采集子系统，如图2所示。图像采集子系统包括一台高速摄像机（千眼狼M220），一个50mm镜头，一个LED面板光源和一台电脑。高速摄像机采集参数为1920×1080@2000fps，背光为阈值定义提供了必要的对比度。

3.研究结论

图3. 图像处理过程示意图

 本次研究建立了液滴的可视化实验装置以低温和高蒸发速率蒸发。空气中的空气蒸发室被氦气取代，以消除水蒸气的影响，以及单一系列实验进行移动液氮液滴蒸发。液氮喷雾中单个移动液滴的蒸发通过新的气相模型进行研究。主要结论具体如下：

（1）典型气相模型低估了单个移动液氮液滴的蒸发，由于这些模型考虑了Stefan吹气效应从而低估了对流传热和传质。

（2）新型气相模型可以准确预测液氮相对速度大于0.5m/s且预测误差为单个移动液氮液滴的蒸发量在1.1%以内。有必要调查未来相对速度小于0.5m/s的模型。

（3）大直径液滴相对蒸发率低，绝 对蒸发率高。增加液滴的初始速度和环境温度为有利于蒸发。

4.行业应用总结

 在传热传质研究中，往往会涉及到液滴研究，液滴蒸发是一个快速且不易察觉的过程，液滴有低温液滴直接气化（如液氮），也有常温液体在高温壁面蒸发，一般蒸发现象会随着蒸发进程的推进逐渐微观化，因此也给观测带来挑战。千眼狼高速摄像机X150，能在2560×1920的分辨率下达到2000fps，同时搭配微距镜头或放大镜头，即便是液滴的微小变化也能清晰成像。（文章摘自：岑康等的《Evaporation of single moving liquid nitrogen droplet: Experimental study and numerical simulation》）