在许多工程技术及研究工作中,测量液体喷雾及液体颗粒的特征及其运动是十分必要的。在文献[1, 2]中,为了研究饱和器内的喷雾水滴与湿空气之间的传热传质机理,采用了三维激光多普勒仪器PDA对喷雾水滴的大小、分布、浓度和流动情况进行了测量。但激光PDA对被测量颗粒的球形度要求很高,只有球形度很好的颗粒的信息才能被PDA采集到,这使得数据的采集率比较低,也无法特别准确的给出各截面上的水滴浓度和表面积。为此,本文在文献[1, 2]基础上,搭建了研究单水滴运动的实验装置,同时利用高速摄影仪,预期通过单个水滴的运动和其质量、体积等的变化规律,为今后详细研究多个甚至大量水滴的运动和蒸发传热、传质规律提供参考。
实验系统装置
水滴实验装置如图1所示,主要由5部分组成:风机、测量段、水滴生成器、高速摄影仪和连接进、出口水路的水箱。改变风机的频率调整进口空气的速度和流量,通过加热段后可以改变空气温度和湿度,阀门1可以控制进口水的流量和压力。
图2是水滴生成器详细示意图。该装置利用了水的表面张力和激振器的振动可以产生间隔时间均匀,并且球形度很好的水滴[3]。每个孔板上可以有一个或者几个孔(可以研究多水滴相互作用),每个孔的孔径很小,孔板的厚度也有多个规格。激振器产生一定频率和振幅的正弦波或方波,使得容器内水的容积有规律地发生变化,由于受到挤压和重力的作用,在微细孔径里的水不断被排出,同时在表面张力的作用下,使之形成水滴,并且具有较好的球形度。通过改变激振器的频率和振幅、孔板的孔径或者进口水的流量、压力,可以就得到具有不同粒径和初速度的水滴[4]。
高速摄影仪的测量
高速摄影仪是测试、研究运动和高速现象的一种非接触动态测量手段,能测出目标不同时刻的变化量。在高速摄影仪拍下的每个画面上,含有运动事物的空间信息,而且,这些空间信息是瞬时的,也就是说,含有时间信息在内,高速摄影的频率越高,表示它能把运动物体的运动或变化在时间上分开的能力越强。当然在实际使用中,为了取得空间信息和时间信息,还要采取一些措施,如空间的定标及在画幅上打上时标,零点讯号等,经过图像处理,就可以得到一些所需的物理量[5]。本文实验采用的高速摄影机是Rx5机型主机和镜头分离式系统,镜头在低速(小于等于1000pps)拍摄时,镜头的分辨率为1280×1024象素,最高的拍摄速度为10000pps。
本实验拍摄的水滴虽然数目少并且速度不是很高,但由于有水滴运动的尾迹影响,因此拍摄的快门速度不能太低。在实验中选择的快门频率为5000次/秒,拍摄图像频率是500幅/秒,每幅图片的分辨率为512×240象素。拍摄位置是水滴生成器出口下方160mm处,拍摄的区域为120mm×56. 3mm的矩形区域[6]。
在使用高速拍摄机摄影时,需要解决一些测量问题,如照明光源技术和增强拍摄透明目标的影像色差。为了使水滴的物性不变,从而保证水滴在空气中传热和传质过程不受影响,所以在水滴中不宜加入其他增强拍摄效果的物质,这样就需要功率很大的光源,以满足拍摄的要求,为此实验配置了功率大且有一定聚光功能的氙灯,同时,测量过程还必须调整好光照的方向,光照方向稍微有所偏移就无法拍摄到水滴。另外必须在测量段内部安装背景底板,以增大与无色水滴之间的色差,增强拍摄效果。
当使用白色底板时,具有较强的反色光,使得水滴的轮廓图案比较清晰,且在光线不太强的情况下也可以得到较好的效果,但是在图像处理时会出现底板颜色和测量水滴的颜色接近,色差较小给图像处理带来困难的情况,而且在水滴运动过程中,由于光照射有一定角度,因此在底板上形成水滴投影,图像处理时经常会把投影当作水滴(图3a所示),造成结果错误。而采用黑色背景底板时,由于底板吸收入射光,降低了反射光的强度,因此需要更强的外界光照。但在图像处理中,由于背景色和水滴颜色差异比较大,很容易区分水滴和背景,而且在黑色底板水滴上无法形成投影,不会影响数据处理(图3b所示)。因此最终选定黑色作为底板的背景颜色。
实验结果处理与分析
对于高速摄影仪拍摄的图片,我们开发了基于Matlab平台的图像处理软件[7],该软件可以处理高速摄影机拍摄的连续图片,能很好的区分出大部分图片中的水滴图像,并且计算出水滴重心的坐标值、面积、当量直径、水滴的圆形度、速度和加速度等参数,这些数据可以用于分析单个水滴在不同相对湿度、温度和流速的气流中运动规律、体积变化规律、以及气液相互作用对水滴运动速度的影响等参数变化规律。
在初步实验中,只进行了一些简单的工况,参数如表1所示。激振器选择方波,振幅3mm,频率8HZ。进口水温18℃,常压。
图4所示的是采用0. 9mm孔径的孔板,利用高速摄影机拍摄的在三个不同进口气流速度下的水滴序列分布。图中标有椭圆的地方表示那里拍摄的图片质量太差,图像处理的结果偏差大或者无法识别图像中的水滴。理论上认为球形度值低于0. 7的一般认为该图片拍摄的质量不好,处理的结果不可信,在水滴序列中表示为异常点。图4(a)、(b)和(c)所示的分别是进口气流速度为0 m/s、1. 76 m/s和3. 52m/s工况下,测量得到的水滴运动轨迹序列图,该图是由很多幅处理后的图像叠加起来的。由图中可见,总体上大部分位置的水滴拍摄还是成功的,只有个别点出现异常,无法处理识别。各工况下水滴的粒径大致在3. 3mm左右,这说明形成的水滴比较均匀。在保证高速摄影机测量频率不变,即两幅图片之间的时间间隔不变的情况下,随着进口气流速度的增大,两个连续拍摄时刻之间的水滴移动的距离减少,特别是气流速度为3. 52m/s时,两个时刻拍摄的水滴几乎连在一起,这说明气流速度增大,使气流对水滴的阻力也相应增大,由于水滴受到的作用力增大使得水滴的形状也有所变化,其球形度普遍略微有所下降。
图5所示的是采用0. 5mm孔径的孔板在相同工况下测量的水滴序列轨迹分布图。可见其分布规律与采用0. 9mm孔径所测量的结果规律相同,都是随着气流速度的增大,两个连续拍摄时刻之间的水滴移动的距离减少,并且形成的水滴的粒径也相应减小,大约在2. 8mm左右。
比较上述两个水滴序列分布图,可以看出图5中的水滴序列异常点较图4多,这是由于当水滴粒径较小时,空气气流对水滴的影响较大,使得水滴在运动中的形状变形也较大,导致球形度降低,异常点增加。另外还可以看出在同一孔径下,粒径的变化区分不明显。这一方面是由于测量的水滴行程较短(120mm),水滴蒸发引起的粒径变化很小;另外一方面是因为高速摄影仪的分辨率不够。在实验测量的图片中,每个像素的大小是0. 234mm×0. 234mm(120/512×56. 3/240),由于水滴粒径变化很小,甚至有可能小于一个像素,这样就无法分辨出粒径的变化。
结论与展望
利用高速摄影技术研究了单个水滴在在不同空气速度和水滴粒径工况下的运动规律。根据实验结果可以得到:
1.实验中采用了氙灯和黑色背景底板,解决了测量光源和增强拍摄水滴色差的问题,提高了拍摄图像的质量,利于后续的程序图像处理;
2.在高速摄影机拍摄频率不变得情况下,随着气流速度的增大,气流对水滴的阻力增大,从而使得两个连续拍摄时刻之间的水滴移动的距离减少;
3.当孔板的孔径减小时,水滴生成器形成的水滴粒径变小,在水滴序列图中出现异常点的数目也会增加;
4.水滴粒径变化不明显的原因主要有两个:水滴测量行程较短和高速摄影仪的分辨率不够高。
针对以上分析,可以对以后进一步的实验方案提出一些改进:
1.增加实验工况,研究不同参数下水滴粒径和初速度的变化规律。如改变进口空气温度、湿度和进口水流量、温度;更换不同孔径的孔板,或者调整激振器的振幅、频率、输出波形;
2.采用分辨率更高的高速摄影机,并且由于摄影仪的分辨率越高,可拍摄区域越小,因此必须需要采用两个镜头同时拍摄,这样可以增大拍摄区域,使水滴粒径变化更明显,从而可以计算出粒径的变化情况。在实验中提高水的温度,让水和气流有较大的温差也可以使水滴粒径变化增大;
3.在单水滴的基础上,可以采用多孔的孔板来研究多个水滴的运动变化以及相互之间的影响规律,为探讨和计算真实喷雾场中的水气两相流之间传热、传质过程提供参考。
参考文献
[1]王玉璋等,流体力学实验与测量, 2003, 17(3): 13~17.
[2]李一兴,王玉璋等,应用激光, 2004, 24(2): 89~92.
[3]Wu, J. S. et a,lInternationalJ. ofHeat andMassTransfer,2001, 44(24): 4593
[4]Wu, J. S. et a,lInternationalJ. ofHeat andMassTransfer,2003, 46(24): 4741
[5]戴洪恩等,测试技术学报, 1996, 10(2): 545~549.
[6]王玉璋,湿空气透平(HAT)循环饱和器内传热、传质机理实验和数值研究,上海交通大学博士论文, 2005.
[7]张兆礼,等著.现代图像处理技术及Matlab实现.北京:人民邮电出版社. 2001.
作者：李一兴 王玉璋 翁史烈 王永泓(上海交通大学动力机械及工程国家教育部重点实验室, 上海200030)
