微液膜厚度及氣液界面波動特性測量技術分析

＊張友佳 李華 蘭治科 謝士杰 昝元峰

（中國核動力研究設計院 四川 610213）

多尺度特性廣泛存在于傳統化工過程中，目前對于各邊界尺度（原子/分子、微粒、設備單元組件等）已基于傳統理論認知開展了大量的深入研究，而在介尺度范疇內的機理研究則相對有限。通常認為，介尺度結構是介尺度問題的研究焦點，具體主要包括材料、界表面結構以及相物質的非均勻分布等。在典型的汽液兩相流型中，環狀流由于其傳熱傳質性能突出，在化工石油、航空航天、核能等工業過程領域中得到應用廣泛。由于環狀流的體積含液率比較低，同時氣相表觀速度較大，在氣相剪切力的作用下，液相緊貼管道內壁面流動并形成環狀液膜，而氣相被環狀液膜包圍在管道中心流動，并存在夾帶液滴伴隨，形成環形氣液分界面，在相界面上分布著不同尺度的界面波，而界面波對氣液兩相流傳熱、傳質等有重要影響。液膜厚度是氣液兩相流界面波領域研究中的重要參數，與流型、氣液速度等參數密切相關。環狀流中的液膜厚度及其動力學特性是兩相流研究的難點與熱點。理論研究分析表明，近壁面液膜（近壁面液膜由微米量級的近壁面微液膜和毫米量級的宏觀大尺度厚液膜所組成）的特性對氣液兩相傳熱有重要影響并決定整個系統的性能及安全邊界[1]。沸騰傳熱尺度分離現象表明，池式沸騰的高熱流密度傳熱與近壁面微液膜的波動特性及微觀動力學緊密相關，與宏觀大尺度厚液膜的動力學無關[2-3]。因此，精準測量與分析近壁面微液膜厚度及氣液相界面波動特性是深入理解沸騰傳熱與臨界熱流密度物理機理的關鍵。同時，對于沸騰傳熱與臨界熱流密度預測模型的改進優化具有重要意義。可為氣液兩相流設備的設計、安全運行、性能評價與結構優化提供試驗數據支撐。

液膜厚度及其界面波動特性在化工、能源、流體機械等領域研究中一直是熱點與焦點。在液化天然氣（LNG）生產過程中，低溫制冷劑在繞管式換熱器的殼側盤管壁面會發生液膜蒸發傳熱，而液膜厚度是影響降膜傳熱性能的重要影響因素。在石油管道傳送工質過程中，兩相分層流界面波動特性是油水兩相分離與流型轉變特性機理研究的關鍵。在管柱式氣液旋流分離器氣液分離過程中會伴隨氣相攜液現象，而作為旋流液膜重要特征參數的液膜厚度及其空間分布特性一直是探究氣相攜液誘發因素及其特征規律的核心焦點。因此，在介尺度的微觀層面上針對微液膜厚度及其界面波動特性進行精確定量測量與分析成為氣液兩相流動傳熱機理研究領域的核心任務之一。

微液膜厚度及其氣液界面波動特性的測量方法眾多，總體上可以分為四類：聲學法、射線法、電學法和光學法[4]。本文將對這四類測量方法的測量原理進行簡要說明，并對光學法的測量范圍、精度、可操作性等指標進行對比分析。

1.聲學法

聲學法（即聲波法）測量液膜厚度的原理是基于超聲波在遇到氣液相界面時會發生反射和能量衰減，通過反射回波來識別液膜厚度及其氣液界面的波動特性。由于超聲波的特性，聲學法具備高采樣測量頻率（最高可達20MHz）。但由于氣液相界面信號干擾因素多，尤其在沸騰過程中所產生的氣液交混現象會影響液膜厚度的測量精度。此外，由于超聲波的波長遠大于光波長度，對于液膜厚度及其氣液相界面波動特性的測量在空間分辨率上會有所欠缺。因此，聲波法并不適用于沸騰狀態下波狀微液膜厚度及其氣液相界面波動特性的測量[5]。

2.射線法

射線法的測量原理是當射線（中子[6]、γ[7]或X[8]）穿過氣液兩相流系統時會發生輻射能量衰減，并且射線的輻射強度在液相中的衰減強于在氣相中的衰減。因此，當射線束在穿過氣液兩相流系統時，若射線的輻射強度發生突變時即是測點正好在氣液分界面處。

然而，采用射線法時所需的系統設備運行復雜，成本昂貴（測量設備、防輻射裝置等），限制了射線法的應用場合。因此，采用射線法測量液膜厚度及其波動特性在一般工業過程控制和實驗室場景并不適用。

3.電學法

電學法通常可分為電容法和電導法兩種測量方法。電容法的測量原理[9]是通過布量在流道兩側上的電極形成一個電容器，其電容為兩相介電常數和相含率的函數，可通過測量電容來計算獲得相含率。大部分常見氣體的相對介電常數都非常接近于1，而大部分室溫液體，如水、制冷劑等其相對介電常數比氣體高數倍。因此，可利用氣液相介電常數的差異來測量氣液兩相流動液膜的厚度。電容法是一種非侵入式測量方法，具有結構筒單、動態響應速度快、對流場無干擾等特點。但電容法需要利用電容和液膜厚度間的線性關系來計算獲得液膜厚度。此外，電容法的測量系統輸出阻抗較高，容易受到外界的干擾影響而導致不穩定現象。

電導法的測量原理是利用氣液兩相的電導率差異對液膜厚度進行測量。基于電導法的電導傳感器可根據電極結構的差異分為貼片式和探針式兩種類型。貼片電極更適用于較薄液膜的測量，而探針電極對不同厚度液膜測量的通用性更好，但精度稍差。電導探針是最常見且使用最廣泛的電導傳感器，其結構簡單可靠、應用條件廣泛、測量可靠性高。在氣液兩相流測量領域，電導探針廣泛應用于氣泡演變規律、液膜厚度、含氣率等重要參數的測量[10]。電導法簡單可靠、成本較低、通用性較好，但只能實現單點（或有限單點）的局部測量，測量所獲得的被測參數在局部空間區域的平均值，精度較低，很難實現全流場的高保真測量，并且電導探針不太適合用于相界面波動劇烈的液膜特性測量。同時，電導探針是一種接觸式測量方法，易受到液膜表面張力的影響，并且會對流場產生侵入干擾，對試驗數據的真實性與可靠性有影響。此外，當液膜厚度較大時，采用電導探針測量的靈敏度會明顯下降。因此，電導法通常作為其他測量方法的參照方法[11]。

電容法和電導法分別基于液膜厚度與電容、電阻等不同物理參數的對應關系來獲得液膜厚度，但是其測量范圖與測量精度容易受液膜波動形態、傳感器有效截面及探針結構等參數影響。這限制了電學法在微液膜及其相界面特性精細化測量領域的應用。

4.光學法

近年來，隨著光學測量技術和數字圖像處理技術的迅猛發展，非接觸式的光學測量技術在氣液兩相流測量領域廣泛應用。光學測量法的測量原理主要是基于光波穿過不同介質及其相界面時所產生的光學現象（包括：能量衰減、折射、反射、散射和干涉等）。通常來講，光學法具有高測量精度和高靈敏度等優點，對流場無干擾。常用的光學測量技術包括：橢圓光度法[12]、位移聚焦法[13]、熒光成像法[14]、干涉法[15]、界面檢測法[16]、束激光陰影法[17]和光衰減法[4]等，其測量原理及技術性能對比見表1。傳統的光學方法大多是通過對光線強度的分析來獲得液膜厚度，這對于擾動不大的光滑相界面比較有效，但對于表面波動較大的液膜，由于光線在液膜內發生多次折射和反射，可能會導致測量結果失真。

表1 光學法測量液膜厚度技術性能對比

平面激光誘導熒光（PLIF）技術[18]是一種對流場無干擾的光學測試技術，具有高空間分辨率、快速時間響應，高靈敏度等優點。其測量基本原理為：熒光物質經入射激光的照射后可吸收特征頻率的光子，并由基態躍遷至激發態。而處于激發態的分子狀態不穩定，立即退激發并產生出射光。這一激發致光的轉變過程在瞬間完成，若一旦停止入射光照射，發光現象隨即消失，光強不發生積累。由于激發和發射之間存在著一定能量的損失，出射光的波長要大于入射激光的波長且在可見光波段，因此稱這一出射光為熒光。基于激發光與熒光波段不同的特性，可采用濾光片將兩者分離，只檢測熒光強度來提高測量精度，并利用CCD高速攝像機等設備對熒光信號進行采集。由于攝像機與液膜所流經的壁面都是固定不動的，只有液膜厚度會發生變化。因此，將不同時刻拍攝的液膜厚度實時圖像進行記錄，并利用數字圖像處理技術對所采集的圖像進行后處理分析，即可獲得液膜厚度的時序演變規律。

采用了位移聚焦法的共軛位移光學傳感器是基于光譜共聚焦原理[19]，當從LED光源發生器發出的白光通過光纖耦合器后可近似看作為點光源，白光在經過準直和色散物鏡聚焦處理后發生光譜色散，并在光軸上形成連續的單色光焦點，且每個單色光焦點到被測物體表面的距離各異。當被測物體表面位于共軛位移光學傳感器的測量范圍內時，只有特定波長的光線可在被測物體表面聚焦，由于該特定波長的光線滿足共聚焦條件，可以在被測物體表面發生反射和折射后返回至光纖耦合器并進入光譜儀。其他波長的光線在被測物體表面無法聚焦，因此最終無法進入光譜儀。進入光譜儀的光線可被解碼后得到光強最大值時的波長，通過內部算法可獲得不同目標表面間的距離。光學位移聚焦法具有良好的層析特性，空間分辨力高，并且對被測物體的物理特性和環境雜散光不敏感，抗干擾能力強。

采用位移聚焦法技術的共軛光學傳感器[20]具有非侵入式測量（不影響流場分布）、高采集率（30kHz，有利于在高熱流密度飽和沸騰條件下捕捉液膜波動特性）、高空間分辨率（納米級）、幾乎不受被測物表面反光特性的影響、極小的穩定測量光斑（不影響觀測和數字圖像后處理）以及測量范圍可調等優勢，適用于微尺度液膜及其波動特性的測量[21]，并且適合工業化大批量檢測的需要。但由于反射回光最終需要被光譜儀接收這一特性，光譜共聚焦法對被測物體表面的曲面度有一定限制要求。值得注意的是，雖然光學法普遍測量精度高、測量技術相對成熟，但光學測量設備價格昂貴，對使用環境要求嚴苛，限制了其在工業領域的推廣與應用。

5.結論

本文主要針對液膜厚度及氣液界面波動特性測量技術展開對比分析，主要結論如下：

（1）由于在抗干擾能力及空間分辨率上的限制，聲波法不適合沸騰狀態下波狀微液膜的厚度及界面波動特性測量。（2）射線法可用于微液膜厚度及界面波動特性測量，但由于其系統設備運行復雜，且成本昂貴，在工業過程控制場景的應用較難。（3）光學法和電學法是氣液兩相流界面波動特性與液膜厚度測量的主要方法。光學法中的位移聚焦法和熒光成像法適合于氣液沸騰條件下微液膜厚度及氣液兩相界面波動特性的測量。電導法和電容法分別基于液膜厚度與電阻、電容等不同物理參數的對應關系來確定液膜厚度，其測量范圖與精度易受液膜波動形態、傳感器有效截面及探針結構等參數影響，可作為光學法的參照測量方法。