1 引言

液膜的形成、蒸发和流动现象广泛地存在于各种工业过程中,如热能工程、空调制冷、航空航天、石油化工等相关领域。例如,垂直管式蒸发器中降膜的形成和蒸发^[1]、泡腾雾化器表面液膜的形成^[2]、硬盘磁头与磁片表面润滑液膜的流动^[3]、冷却塔中降膜的流动和冷却^[4],以及汽车尾气脱硝的选择性催化还原系统中尾气排放管上尿素水溶液液膜的形成^[5]。总之,液膜多参数(厚度、温度等)的同步测量对于设计和优化相关的工业过程至关重要。传统的温度测量方法,如热电偶法,虽然操作简单、价格低廉,但会对被测对象造成干扰,不适用于较薄液膜的测量。液膜厚度的测量方法通常分为两类:接触式和非接触式。接触式测量方法,如电容法和电导法,测量精度和测量范围易受液膜电导率、液膜表面形状和探针结构参数等因素的影响^[6-7]。非接触式测量方法主要包括图像法和光学法等。图像法可以利用高分辨率的CCD(Charge-Coupled Device)相机采集液膜图像,将拍摄的图像进行二值化后获得液膜厚度^[8-9]。然而,由于相机的景深有限,拍摄的图像可能会出现离焦模糊,从而影响测量精度^[10]。光学法主要基于光的全反射^[11-12]和激光光谱法,具有无干扰、高灵敏度和高精度等优点^[13]。如Porter等^[14]提出了一种双波长中红外激光吸收法同步测量气相燃料的摩尔分数和液体燃料膜厚度。Mignot等^[15]基于吸收光谱技术测量了热力学条件下安全壳在发生严重事故时的液膜厚度。Schmidt等^[16]开发了一种基于吸收光谱技术的测量系统,用于测量150~400 μm范围内的动态液膜厚度。Pan等^[17-18]研制了一种多波长半导体激光吸收光谱(DLAS)测量系统,分别测定了NaCl水溶液和尿素水溶液的静态液膜蒸发过程中液膜的厚度、温度和溶质浓度,但这三个参数中其中一个参数(温度和浓度)必须为已知数。此外,Pan等^[19]结合1412 nm和1353 nm两个波长的半导体激光器测量了已知温度下非透明表面上的液膜蒸发过程中液膜的厚度变化。Yang等^[20]通过结合4个波数(6714.57,7082.89,7185.59,7390.13 cm^-1)的半导体激光器,基于DLAS技术同步测量了纯水液膜蒸发过程中液膜厚度、温度及液膜上方水蒸气温度。然而,由于液膜蒸发后期存在剧烈的光束转向现象,穿过液膜后的透射光无法完全被探测器接收,从而影响测量精度。上述DLAS系统^[17-20]均不能追踪静态液膜整个蒸发过程中液膜厚度的变化,并且也无法对动态液膜进行研究。

本文研究了基于双波长-DLAS技术的动态液膜厚度和温度同步测量系统,通过采用积分球以避免剧烈的光束转向现象,从而实现对动态液膜的高精度测量。首先利用已知液膜厚度和温度的标准具对该系统的测量精度进行验证。在此基础上,对水平放置的石英玻璃板上静态液膜的蒸发过程和不同液膜温度下流道中的动态液膜的流动过程进行研究。

2 基本原理

根据比尔-朗伯定律,波数为v_i的激光i穿过液膜后的透射率τ(v_i)为

τ(vi)=(Iti/I0i)=exp(-n)σ(vi,Tl)dl,(1)

式中:I_ti和I_0i分别为透射光和入射光的强度;T_l为液膜温度;d_l为液膜厚度;σ(v_i,T_l)为光谱红外吸收截面。以纯水为研究对象,n为液态水的物质的量浓度,可表示为

n=ρ(Tl)M,(2)

式中:M为液态水的摩尔质量;ρ(T_l)为液态水的密度,且液态水的密度大小随温度的变化而变化。液态水的密度随温度的变化函数^[21]为

ρ(Tl)=0.73694+0.0019Tl-3.73881×10-6Tl2。(3)

综上,透射率仅取决于两个特定波数下的液膜厚度和温度。因此,选用两个波长来确定两个未知参数。

由于氢键作用^[22],液态水在近红外区域存在一个宽带的吸收光谱。Yang 等^[23]测得了在5500~8000 cm^-1范围内不同温度下(25~75 ℃)的液态水高分辨率的吸收光谱图。在此选用实验室目前可用的激光器1(6718.2 cm^-1)和激光器2(7040.8 cm^-1)。在不同温度下,激光1和2的光谱红外吸收截面σ(v_i,T_l)以及与温度的线性拟合如图1所示。σ(v_i,T_l)的表达式为

σ(vi,Tl)=ai+biTl,i=1,2,(4)

式中:a_i和b_i为对应的拟合系数,如表1所示。结果表明,当波数为6718.2 cm^-1和7048.8 cm^-1时,σ(v_i,T_l)与T_l的线性拟合的决定系数R²分别为0.9950和0.9996。由此可见,红外吸收截面与温度之间存在较好的线性关系。

图 1. 激光1和2的红外吸收截面σ(vi,Tl)随温度的变化

Fig. 1. Infrared absorption cross sections σ(vi,Tl) of lasers 1 and 2 versus temperature

下载图片 查看所有图片

通过联立(1)~(4)式,可见透射率仅是关于T_l和d_l的函数。

令R为两个波数对应的透射率的对数比,即

R=ln[τ(v1)]ln[τ(v2)]=ln(It1/I01)ln(It2/I02)。(5)

所提双波长液膜测量系统对温度测量的灵敏度取决于R关于T_l导数(dR/dT_l)的绝对值。如图2所示,随着液膜温度从298 K升高到348 K,灵敏度下降为1/1.7。在进一步工作中,将通过选择其他波数进一步优化测量系统,提高测量灵敏度和测量精度。通过对R求导可得

dR/dTl=dσ2/dTl×σ1-dσ1/dTl×σ2σ22。(6)

图 2. 激光器1和激光器2的dR/dTl 随温度的变化

Fig. 2. dR/dTl of lasers 1 and 2 versus temperature

下载图片 查看所有图片

将(4)式代入(5)式,可得液膜温度T_l为

Tl=a1-a2Rb2R-b1。(7)

若液膜温度T_l已知,将(7)式代入(5)式可得液膜厚度d_l为

dl=ln[τ(v1)]-(a1+b1Tl)·ρ(Tl)M。(8)

3 实验装置和结果

3.1 测量系统

双波长DLAS液膜测量系统如图3所示。通过激光控制器(PRO8000,Thorlabs,美国)控制两个分布式反馈(DFB)半导体激光器(NLK1S5GAAA,NEL,日本)的温度和电流,使之保持恒定以确保输出激光波数分别为6718.2 cm^-1和7040.8 cm^-1。利用波分复用器(WLF-FC-PC,AIRXUN,中国)耦合的两束激光通过准直器(F280APC-C,Thorlabs,美国)聚焦后穿过液膜。在透射光路上放置积分球(IS200,Thorlabs,美国),积分球的内壁涂有在近红外区域反射率高于98%的聚四氟乙烯基高反射物质。由于积分球的入口直径为12.5 mm,穿过液膜后的透射光可以被积分球全部接收,从而可以避免剧烈的光束转向现象。从积分球出来的光经过凸透镜(CN18080815-01,Union Optic,武汉)的会聚进入多模光纤(BFL37-400,Thorlabs,美国),再经过非球面镜(F230FC-C,Thorlabs,美国)准直后利用光栅(54851,Edmund,美国)分开被耦合的两束激光,两个InGaAs光电探测器(PDA10CS-ES,Thorlabs,美国)用来接收光。该系统采样率为1 kHz,数据采集和后处理均由自编的LabVIEW程序完成。

图 3. 双波长DLAS液膜测量系统示意图

Fig. 3. Schematic of two-wavelength DLAS liquid film measurement system

下载图片 查看所有图片

3.2 标准具验证

利用标准具^[23]对双波长DLAS液膜测量系统的测量精度进行验证。当标准具已知液膜厚度(即两水平石英玻璃板间距)为200,400,600,800,1000 μm,液膜温度为308,315,323 K时,进行三次重复测量,结果如图4所示。图中实心符号表示DLAS测得的液膜温度,空心符号表示DLAS测得的液膜厚度,虚线表示热电偶(TC)测得的液膜温度。验证结果表明,随着液膜厚度的增加,热电偶测得的液膜温度略微升高,DLAS测得的液膜温度与之类似。这可能是由液膜还未与周围环境达到热平衡就开始测量造成的。三次重复测量中,当已知液膜温度为315 K时,液膜厚度测量值的平均标准偏差最大,为1.6 μm,且当已知液膜厚度为1000 μm时,液膜厚度测量值的标准偏差最大,为3.6 μm。与此同时,当已知液膜温度为308 K时,液膜温度测量值的平均标准偏差最大,为1.1 K,且当已知液膜厚度为400 μm时,液膜温度测量值的标准偏差最大,为1.5 K。此外,液膜厚度和温度的测量值和相应的已知参数均吻合良好,DLAS测量得到的液膜厚度和温度平均误差分别为4.58%和1.34%,这与前文所述文献[ 17-18,20]中提出的测量系统的精度相似。然而,前期工作中的测量系统均无法避免剧烈的光束转向现象。

图 4. 标准具验证实验结果。(a)液膜温度;(b)液膜厚度

Fig. 4. Experimental results of validation by calibration tool. (a) Liquid film temperature; (b) liquid film thickness

下载图片 查看所有图片

3.3 静态液膜研究

利用该测量系统研究水平石英玻璃板上的液膜蒸发过程,同时采用图像法和热电偶分别测量液膜厚度和温度,并与DLAS测得的结果进行比较。其中,DLAS的测点设置在水平石英玻璃板中心,图像法采用的CCD相机的像素为1.30万(XF-MT 0.8×110,IMI TECH,韩国),K型热电偶的直径为0.1 mm,通过热风枪(AT-A882D,ATTEN,深圳)(出口温度T₀为340 K)对水平石英玻璃板底部中心,即DLAS测点位置进行加热。为了避免热电偶对液膜形状的影响,将热电偶置于距离DLAS的测点30 mm处。

图5为激光1和2在液膜蒸发过程中的透射光强(I_t1和I_t2)和室温下的入射光强(I₀₁和I₀₂)变化图。结果表明,在蒸发过程中透射光强不断增大,根据(5)、(7)、(8)式,可以计算得到液膜厚度和温度。噪声对液膜厚度和温度测量精度造成的影响分别为1.8 μm和0.2 K,因此在此不考虑噪声的影响。

图 5. 激光1和2在液膜蒸发过程中的透射光强和室温下的入射光强

Fig. 5. Time-dependent transmitted intensities during liquid film evaporation process and incident intensities at room temperature for lasers 1 and 2

下载图片 查看所有图片

图6为液膜蒸发过程中采用不同方法测得的液膜厚度随时间的变化情况,可见该测量系统能追踪静态液膜整个蒸发过程中液膜厚度的变化。为了避免该图数据过载,将DLAS测得的数据以每30 s一个数据点显示。蒸发过程初期(0~600 s),蒸发速率较低(0.29 μm/s),液膜温度从室温逐渐升高到313.4 K左右。蒸发过程中期(600~3600 s),蒸发速率略微增加(0.34 μm/s),液膜温度达到一个平均温度为317.9 K的平台。由于液膜收缩,液膜厚度和温度存在一定的波动。液膜收缩是由于表面张力的影响引起了液膜表面积减小。液膜厚度的急剧上升是由短时间内表面积减小、液膜体积恒定导致的。液膜温度的波动是由DLAS测点附近的温度分布不均匀以及收缩引起的液膜重新排布导致的。此外,由热电偶获得的液膜平均温度为312.1 K,其与DLAS测得的液膜温度的平均偏差为5.8 K。这可能归因于两种测量方法的测点位置不同,且热风枪的出口温度不均匀。蒸发过程末期(3600~5340 s),由于液膜急剧收缩,液膜温度波动剧烈,蒸发率达到最大(0.39 μm/s)。综上所述,DLAS测得的整个蒸发过程的液膜平均蒸发速率为0.34 μm/s,并且蒸发速率随着液膜温度的升高而增加。

图 6. 液膜蒸发过程中不同方法测得的液膜厚度和温度随时间的变化

Fig. 6. Time-resolved measurements of liquid film temperature and liquid film thickness during liquid film evaporation process obtained by different methods

下载图片 查看所有图片

图7为在液膜蒸发过程中4个选定时刻(960,2280,3000,3600 s)的阴影图像,其中白色水平线表示水平石英玻璃板和液膜的界面,灰点表示DLAS系统的测点,t表示拍摄图像的时间。如图7所示,厚度小于300 μm的液膜不能被测量,并且DLAS和图像法测得的液膜厚度的平均偏差为105.8 μm。这是由于为了拍摄清晰的底板图像,将相机的焦平面设置在水平石英玻璃板的边缘,并且位于玻璃板中心的液膜的垂直中心线不在相机的景深区域中,从而引起离焦模糊。因此,图像法采用的相机景深有限会影响其测量范围和精度。

图 7. 液膜蒸发过程中的4个特定时刻的阴影图像。(a) t=960 s;(b) t=2280 s;(c) t=3000 s;(d) t=3600 s

Fig. 7. Shadow graphs at four specific instants during liquid film evaporation process. (a) t=960 s; (b) t=2280 s; (c) t=3000 s; (d) t=3600 s

下载图片 查看所有图片

3.4 动态液膜研究

进一步利用双波长DLAS测量系统研究不同温度下流道中动态液膜的液膜厚度和温度的变化,实验装置如图8所示。流道的入口通过塑料管(直径为0.5 cm)与蠕动泵(流速为60 mL/min)相连接。为了能在整个流道中形成液膜,在距离入口30 mm处设置凸块,此外,DLAS系统的测点距离入口120 mm。出口端设有引流装置,以提供稳定的流动。为了避免热电偶对流动液膜的流型影响,该实验没有采用热电偶对流动液膜温度进行同步测量。装有一定量纯水的恒温水箱位于流道出口的下方,可以通过改变恒温水箱的温度(T_w=308,315,323 K)来控制液膜温度。恒温水箱的出口连接蠕动泵的入口,蠕动泵出口与流道入口相连接以形成循环流动。

图9为在三个不同液膜的温度下(308,315,323 K)DLAS测得的流道中液膜厚度(实线)和温度(虚线)随时间的变化图。如图所示,液膜厚度的变化呈正弦分布,这归因于蠕动泵转动时泵头里的两个转辊子之间的一段泵管会形成枕形流体,从而使泵在运作时产生正弦形的脉冲流。DLAS测得三个温度下的液膜平均厚度分别为624.9,628.6,625.7 μm。在1 s的时间内,液膜厚度的波动约为11次,液膜厚度的平均波动振幅分别为62.7,66.3,71.2 μm,且最大波峰处对应的波动幅值分别为79.8,74.9,85.9 μm,最大波谷处对应的波动幅值分别为-78.6,-81.0,-91.9 μm。DLAS测得三个温度下的液膜平均温度分别为306.9,313.4,321.2 K,与恒温水箱的温差分别为1.1,1.6,1.8 K,这可能与水从恒温水箱出口流到流道入口的热量损失有关。在三个温度下,1 s时间内的液膜温度几乎保持恒定,这可能与短时间内由热量损失引起的液膜温度的下降不明显有关。

图 8. 流道中动态液膜测量实验装置图

Fig. 8. Experimental setup of dynamic liquid film measurement in flow channel

下载图片 查看所有图片

图 9. 不同液膜温度下流道中液膜厚度和温度随时间的变化。(a) Tw=308 K;(b) Tw=315 K;(c) Tw=323 K

Fig. 9. Liquid film thickness and temperature in flow channel versus time for different liquid film temperatures. (a) Tw=308 K; (b) Tw=315 K; (c) Tw=323 K

下载图片 查看所有图片

4 结论

通过结合两个不同波数(6718.2 cm^-1和7040.8 cm^-1)的半导体激光器,研究了一种基于DLAS的测量系统,进行同步测量液膜厚度和温度。采用积分球以避免剧烈的光束转向现象,实现了对动态液膜的高精度测量。利用已知液膜厚度和温度的标准具验证系统的测量精度,其结果表明,该系统测得的液膜厚度和温度与相应的已知参数之间的平均误差分别为4.58%和1.34%。在此基础上,利用该测量系统研究水平石英玻璃板上静态液膜的蒸发过程,并采用图像法和热电偶对DLAS测量结果进行验证。结果表明,该系统可以追踪静态液膜整个蒸发过程中液膜厚度的变化。在热风枪出口温度为340 K的条件下,液膜的平均蒸发速率为0.34 μm/s,液膜的蒸发速率随液膜温度的升高而增大,且DLAS与热电偶和图像法测得的液膜温度和厚度的变化趋势一致、结果良好吻合。此外,利用该测量系统研究不同温度下流道中动态液膜的液膜厚度和温度。结果表明,当液膜温度为308,315,323 K时,1 s时间内液膜厚度有11次波动,液膜温度几乎保持恒定。由此可见,该测量系统在动态液膜研究中也表现出良好的性能。