低温流体流动可视化研究综述

王小军，任小军，张 鹏，潘雁频

(1.真空低温技术与物理重点实验室，兰州空间技术物理研究所，甘肃兰州 730000;2.上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240)

随着科学技术的不断进步，低温流体在航天、医疗设备、大型超导实验装置及工业过程等领域的应用正变得越来越普及。以航天领域为例，我国现有长征系列火箭的推力有限逐渐成为制约飞行器尺寸与重量进一步增大的主要瓶颈，而突破这一瓶颈的关键在于使用大推力的加注液氢和液氧的液体火箭发动机，所以低温流体液氢与液氧在制取、储存、加注与轨道运行等过程中的特性还需要得到进一步的深入研究。另外，低温流体液氮和液氦常用作卫星及其它空间探测器、医用核磁共振装置、核聚变装置、大型超导磁体装置的制冷剂。

低温流体在科学研究中还有其独特的优点。例如液氦，这是一种特殊的低温流体，其密度约为水的1/8，动力粘度比水小三个数量级，在实验室的微小尺度下就可以获得非常高的流动雷诺数和瑞利数，是进行流体力学实验研究的理想流体;液氦温度低于λ点时呈现超流体状态，可以无粘性地通过毛细孔管和多孔介质;液氦温度低于λ点时的热导率很高，甚至比许多高热导率的材料都大得多，是超导磁体等的良好冷却剂。液氮等低温流体的沸点较低，在储存与运输过程中极易蒸发，在容器或管道中经常会出现气液两相流的情况。由于低温流体所具有的特点，使得可视化成为研究两相流体动力学等复杂流动现象重要的技术手段，因此进行低温流体流动的可视化研究非常必要。与常温的可视化实验系统相比，低温流体以及整个低温实验系统的温度远小于室温，对整个系统的布置要求非常高，也对流动的可视化实验提出了更高的要求。本文介绍了低温流体流动可视化实验过程中所采用的一些最新的技术与实验方法。

1 低温流动的可视化研究

低温流体流动可视化实验研究最基本的方法是在带有光学观察视窗的杜瓦中进行，经常通过高亮光源来提供背面光源，通过高速摄相机和微距镜头实现图像的捕捉与记录。但该种方法受到一些限制:首先，图像区域的大小受到光学视窗尺寸的严重制约，如液氦低温杜瓦上光学窗口的直径通常在50 mm以下，液氮杜瓦上的光学视窗直径可以略大;其次，实验过程中需要注意杜瓦周围室温环境通过光学视窗的红外辐射而引起的漏热，在液氦的可视化实验过程中，需要通过在杜瓦中液氮区域置放红外过滤器或在液氦的光学视窗上添加红外反射材料涂层等方法来减少红外辐射漏热对实验的影响。

Bland等［1］最早对紫铜表面上液氮与液氢池沸腾过程中的表面气泡情况进行了可视化的研究，其使用的相机每秒可拍摄1000帧图片。在液氮池中，气泡生长出来之后，球形气泡不断增大直至最终在脖颈一半处断裂而离开加热表面，该气泡破裂的过程通常短于1 ms，而整个气泡长大的时间过程约为200 ms。液氢池沸腾过程中气泡生长要慢得多，但Bland没有记录到完整的加热表面上液氢气泡的整个生长过程。

Jin等［2］对不同尺寸和材料水平加热表面上的液氮池沸腾过程中进行了可视化研究，他用高速相机记录了整个过程中的气泡生长情况，并重点研究了气泡的脱离频率。Jin所使用的液氮容器是一个不锈钢制成的中间有真空夹套并且内层外壁包裹有两层铝箔的双层杜瓦，杜瓦上共加工有三个光学视窗，其中两个在直径方向上对称分布，第三个在它们的垂直方向上。他所使用的可视化相机(Falcon 1.4 M100，Dalsa Inc.)为 1.4 兆像素，在 1400 ×1024 的像素分辨率下每秒能记录100帧图片。

Kimura等［3］设计了一个非常紧凑的可视化装置，对微重力环境下饱和超流氦的膜沸腾现象进行了研究。他发现随着重力减小，加热导线表面的膜厚度增大，并伴随着加热器温度的升高。他所设计的实验系统非常紧凑，储存液氦的杜瓦外面安装有两层的防辐射屏，杜瓦上面设计有两个对称的直径为15 mm的光学视窗，这两个光学视窗由红外涂层保护的熔融石英板制成。

Zhang和Fu等［4］对0.5和1 mm直径微管中的液氮垂直和水平流动的流型进行了可视化研究。他们发现管内流型主要为泡状流、弹状流、搅拌流和环状流，此外还观察到了受限气泡流、雾状流、气泡冷凝与流动波动现象。他们发现气泡表面张力和微管直径是影响流型发展与变化的重要因素。他们使用微管的可视化部分由石英玻璃管制成，使用的高速相机(USA，REDLAKE MotionPro X3)在1280×1024像素分辨率下每秒能记录1000帧图片，并使用一个微距镜头以获得更好的图像，光源由LED无闪灯提供。此外，Fu等［5］还解决了低温流动可视化实验中布光和放大倍数的难题，巧妙运用棱镜和镜子的组合使用同台高速相机同时获得了流型正面和侧面的图像，并对流型图像进行了三维重建，获得了更精确的可视化结果。在这些可视化实验研究的基础上，Fu等［6］还把垂直微管液氮流动过程中气泡生长、离开与接下来的流型发展的可视化研究结果与fluent模拟实验的结果进行了对比研究，发现管内的气泡长大主要受惯性力控制，微管的尺寸对气泡脱离频率的影响不大，但对接下来的流型发展过程影响很大。

Hu等［7］对垂直管道中液氮的冷却过程进行了实验研究，并对上升和下降流动冷却过程中管道中的气液两相流型进行了可视化观察，他们发现管道中的垂直流动在某种程度上和微重力情况下的流动状况相似。并在可视化实验中使用了高速相机(USA，REDLAKE MotionScope PCI 8000s)进行了石英微管中的可视化观察。

Jiang和Zhang等［8］对浆氮制备过程中的气液界面状况进行了可视化研究。

图1所示是上述这些研究者进行可视化研究时所获得的一些典型的低温流动实验图像结果。上述的可视化研究方法已经比较成熟，下一步的发展方向是获得三维化的低温流动图像结果。

图1 池沸腾与流动沸腾的典型可视化研究结果［2，4］Fig.1 Typical backlight visualization results of pool boiling and flow boiling［2，4］

2 低温流动可视化研究的拓展

在上述研究方法的基础上，Rousset等［9］提出了一种新的可视化研究方法，他们在对管道中的超流氦气液两相流动进行可视化研究的过程中，把小型数码相机和LED光源都置于低温杜瓦内部，从而省却了在最外层杜瓦上加工光学视窗的麻烦，可大大减小室温红外辐射漏热对实验的影响。

内窥镜是一种通过棱镜和镜子来传递光路的管道光路系统，在低温流动可视化研究中使用内窥镜可以把相机放置在远离流动现场的室温环境中，能够获得很好的可视化图像。另外，使用LED等作为光源，或者通过光纤束来实现光线的远程传递，也能够把光源放置于远离流动现场的室温环境中。Boutar等［10］曾使用这种方法对超流氦的气液两相流动进行可视化研究。最近，Rousset等［9］使用这种新方法对微重力高磁场下液氧加热表面的沸腾换热过程进行了可视化研究。他们的实验过程中使用高磁场来模拟微重力环境，而相机在高磁场环境中无法工作，这是他们使用内窥镜的重要原因。每个内窥镜由40 mm直径的垂直管道支撑，在底部和顶部分别放置有两块大约45°倾斜的镜子来反射光路，这些镜子可以绕轴轻微转动，从而可以通过调节室温区域电缆来调节镜子倾斜角度以获得最佳图像。光源带来的红外辐射虽然对照相机拍照没有影响，但会对液氧沸腾带来不利影响，因此需要在光源和光纤之间安置一个过滤器来减少这种红外辐射波长的影响，剩下的小部分红外能量可由光纤本身吸收，基本保证没有红外辐射能量到达液氧沸腾区域。

图2中所示是Rousset进行液氧沸腾可视化研究所使用内窥镜和光纤的整个实验系统，图3中所示是观察到的加热表面上液氧沸腾的图像结果。

图2 应用内窥镜的液氧沸腾可视化研究的光路系统［9］Fig.2 Optical system of liquid oxygen boiling visualization research applying endoscopes［9］

图3 应用内窥镜的液氧沸腾实验的可视化结果［9］Fig.3 Visualization results of liquid oxygen boiling experiment applying endoscopes ［9］

3 基于密度变化的低温流动可视化研究

通过密度变化引起流体透光率波动而导致的透光量变化来实现流场的可视化是一种传统的方法。当光照通过区域的流体密度波动引起的光线密度变化较大时，可使用Shadowgraph技术和Schlieren技术来获得流场的可视化图像;当光线密度的变化较小时，通常需要使用激光全息干涉技术来产生条纹图像从而获得流场的实际情况。

3.1 Shadowgraph 技术

如上面两式所示为Shadowgraph技术的相关表达式，式中的εy是因为流体介质密度变化而引起的光线偏离Y轴的角度，ρ是流体介质的密度，d是光轴上的距离，K是Gladstone-Dale系数，I是光的振幅。从式(1)中可以看出，密度变化引起的光线相对Y轴的偏离角度与密度在空间方向上的微分成正比。从式(2)中可以看出，光线偏离角度在Y轴方向上的微分可以用光线振幅的微变量来表示，也可以用密度在Y轴方向上的二次微分形式表示。

3.2 Schlieren技术

透明气体、液体或固体的非均质情况会导致通过流体介质光线透光率的梯度变化，从而引起光线的偏移或折射。图4中所示为Schlieren技术的典型光路系统，该系统可以把很小的透光率变化进行放大。式(3)中所示为其表达式，式中的F是凸透镜的焦点，α=1/K，从式中可以看出，光线密度的变化正比于光线的偏移角度，一部分光会因为偏折而被刀刃系统阻断，因此可以得到光线密度的二维分布结果，该结果可以表示为密度在空间分布上的空间导数形式。该光学系统中的刀刃可以增强光线在纵向和横向上的偏移，而这两种偏移都可以通过调节光路系统中的狭缝而在某时间由照相机捕捉到。

图4 应用Schlieren技术可视化实验的光路系统［11］Fig.4 Optical system of visualization experiment applying schlieren technique［11］

3.3 激光全息干涉技术

激光全息干涉技术使用脉冲激光作为光源，在获得可视化图像的过程中，运用双曝光的方法记录图像。式(4)中所示为激光全息干涉技术中的密度表达式，式中描述的是实验过程中由于流体密度相对初始密度的变化而引起了不同的干涉条纹出现在图像上。式(4)中第二项表示激光束之间光学长度变化所引起的流体密度的变化。图5中所示为典型激光全息干涉实验的光路系统，系统中的平面凸透镜和全息板都是重要的部件。

图5 应用激光全息干涉技术可视化实验的光路系统［11］Fig.5 Optical system of visualization experiment applying laser holographyinterferometer technique［11］

上述这几种通过流体介质密度变化获得流场分布的可视化技术所用的低温杜瓦与前面相似，如果低温流体是液氦的话，需要使用红外反射涂层等来减小红外辐射漏热的影响。需要特别注意的是运用Schlieren技术进行可视化研究时，需要使用没有任何瑕疵或变形的玻璃来制造光学视窗，其他情况下使用普通石英玻璃即可。进行激光全息干涉实验时，整个实验系统需要放置在无振动的平台上，以避免任何部件运动给光学图像带来的影响。

Murakami等［12-13］成功运用 Shadowgraph 技术对超流氦中的沸腾现象、二维狭窄通道中过热HeⅠ和HeⅡ的相界面进行了可视化研究，典型图像结果如图6中所示。Nozawa等［14］成功运用Schlieren技术对从饱和压力到大气压范围内超流氦的各种不同沸腾模式进行了可视化研究，典型实验结果如图7中所示。

Iida等［15-16］运用激光全息干涉技术对超流氦中的热激波、由热激波所导致的液氦蒸发引起的波动现象、以及超流氦加热引起的压力波动进行了成功的可视化研究。Nakano等［16］则利用激光全息干涉技术对超临界液氮的活塞效应进行了成功的可视化研究，典型的可视化实验结果如图8中所示。

图6 应用Shadowgraph技术的可视化研究结果［12-13］Fig.6 Visualization results applying shadowgraph technique［12-13］

图7 应用Schlieren技术的可视化研究结果［14］Fig.7 Visualization result applying schlieren technique［14］

图8 应用激光全息干涉技术的可视化研究结果［15，17］Fig.8 Visualization results applying laser holography interferometer technique［15，17］

4 运用PIV技术的低温流动可视化研究

PIV(粒子图像测速)技术是一种对低温流体流动的流场进行量化可视化研究的有效手段，该技术是在低温流体中加入一些微小尺寸的悬浮颗粒，通过对这些颗粒的追踪来获得整个低温流体流场的图像。这些悬浮颗粒需要具备以下特征:首先，能够在流场中悬浮足够长的时间以完成整个可视化的实验研究，因此它们的尺寸需要尽量小，并且悬浮颗粒最好密度与被测流体接近;其次，能够对流体的流动快速响应，这个特征也要求颗粒尺寸尽量小，微米量级为最好;最后，这些悬浮颗粒需要能够反射光照辐射，从而使其自身很容易被光学系统追踪捕捉到，这使得颗粒直径存在一个尺寸下限，一般不能小于1 μm。为了获得理想的可视化结果，实验用悬浮颗粒最好能够同时满足上述几个特征。这些颗粒可以直接购买到，如中空玻璃球形颗粒或PMMA微球形颗粒，已成功在实验中使用;也可以通过液氦冷却H2与D2混合物来制取微小的固体颗粒，但缺点是很难制取均匀尺寸的颗粒以及颗粒容易凝聚结团。而实验中颗粒需要良好地分散到液体中以防止它们凝聚结团，所以在把它们加入液氦之前需要净化掉杂质气体。如果使用的是固氢颗粒，氢气可以在液氦或者氦气当中冷凝，特别是按1∶100的比例把氢气稀释到氦气中去而制得的悬浮颗粒实验效果最好，Xu等［18］认为氢的同位素是进行超流氦强迫流动的最佳追踪颗粒。

运用PIV技术进行超流氦流场可视化研究的实验系统中通常需要有互相垂直分布的光学视窗，其直径一般不超过60 mm，同时需要在视窗上加工反射红外辐射的涂层以及在实验系统中布置防辐射屏来尽量减小辐射漏热的影响。实验系统使用脉冲激光器提供光束，并需要在激光器前面安置一个厚度小于2 mm的圆柱光学棱镜把激光束转化为光源。使用高质量CCD高速相机在激光光源的垂直方向上进行流场图像的记录，通常还需要一个计时器来触发同步脉冲激光器和CCD相机。

Xu等［18］设计、建造并测试了一套用来对超流氦中强迫流动进行可视化研究的PIV实验系统，并设计了一种能够生成并有效加入氢同位素追踪颗粒的方法。可视化实验结果表明相同的热流密度下伴有追踪颗粒的超流氦强迫流动与普通流体的流动状况相似。

Murakami等［19］使用氢及其同位素作为追踪颗粒，应用PIV技术对超流氦中的喷射流动速度场成功地进行了可视化研究，他们把观测到的喷射速度轮廓以及空间速度衰减情况与常规粘性流体的紊流圆形喷射流场状况做了比较研究，并把在喷口喉管区域测得的超流氦速度与利用理论公式预测的常流体的流动状况作了比较。

Xu和Murakami运用PIV技术进行可视化研究获得的超流氦流场的图像结果如图9中所示。

图9 应用PIV技术的超流氦可视化实验结果［18-19］Fig.9 Visualization results of HeⅡapplying PIV techniques［18-19］

除超流氦之外，PIV技术还在常规低温流体中的流动与传热研究等领域也具有较多的应用。

5 结论

低温流体流动的可视化研究与常温流体流动相比最大区别在于低温流体温度远低于室温，对整个实验系统和光路等的布置有很高的要求，上述低温流体流动可视化实验系统中采取的使用小尺寸光学视窗、在光学视窗上加工红外反射涂层、在实验系统中安置红外辐射过滤器和防辐射挡板、运用内窥镜和光纤把相机与光源置于远离低温流体的室温中等手段，都是为了尽可能地减小外界红外辐射漏热对实验的影响。

超流氦中的瞬态热物理现象以及超临界氮中的活塞效应等发生时各物理量的变化都非常小，不容易直接观测，通过测量流体密度变化所引起的光线强度的波动，运用Shadowgraph、Schlieren与激光全息干涉技术搭建合适的光路系统对这些信号进行放大与显示，可以获得令人满意的可视化实验结果。

PIV技术是对超流氦的流动现象进行可视化研究的有效手段，同时，PIV技术还在常规流体中的流动研究等领域具有应用前景，需要进行进一步的研究。

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