應用探析|高速攝像儀在單晶硅表面池沸騰可視化測量分析中的應用

　　1.高速攝像儀在材料中的應用

　　單晶硅是一種活潑的非金屬元素晶體，廣泛應用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電、供熱、能源存儲等。新材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，促使其向著(zhù)極高效可用的趨勢發(fā)展。故對不同結構的單晶硅表面池沸騰相變傳熱性能研究具有非常重要意義。

　　華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機械工程學(xué)院的科研團隊，利用千眼狼高速攝影測量分析技術(shù)對光滑、微坑、均勻微柱和槽型微柱四種不同單晶硅表面的沸騰現象進(jìn)行了在線(xiàn)可視觀(guān)測試驗，獲得了各表面氣泡動(dòng)力學(xué)演變過(guò)程及局部溫度演變規律，揭露了基于動(dòng)力學(xué)過(guò)程的沸騰強化機理。

　　2.可視池沸騰實(shí)驗與可視化分析

　　科研人員設計搭建由方形沸騰池、溫控加熱系統、高速攝像及紅外熱成像系統、數據采集系統組成的實(shí)驗臺，可同時(shí)觀(guān)測沸騰動(dòng)力學(xué)過(guò)程和溫度演變過(guò)程的可視化池沸騰，并利用涂覆導電膜的單晶硅作為沸騰基底表面，依次對光滑、微坑、微柱、槽型微柱四種試樣進(jìn)行試驗(更多詳情請見(jiàn)《化工學(xué)報》2019年第70卷第4期)。

　　圖1 池沸騰實(shí)驗臺

　　實(shí)驗采用千眼狼高速攝像儀及紅外熱成像儀同步采集系統以從側壁進(jìn)行高速圖像采集，以2320×1720的全高清分辨率，對不同結構單晶硅表面的核態(tài)沸騰過(guò)程中氣泡運動(dòng)過(guò)程及氣泡演變過(guò)程中局部溫度變化規律進(jìn)行監測分析。

　　1/2.氣泡動(dòng)力學(xué)規律分析

　　圖2 氣泡動(dòng)力學(xué)參數與有效熱通量的關(guān)系曲線(xiàn)

　　通過(guò)圖2可知，光滑表面在沸騰初期核化密度較穩定，熱通量q″從沸騰起始點(diǎn)(59kW/ m2)到108.5kW/m2范圍內，脫離直徑隨有效熱通量增大而增大并達到極大值;繼續增大有效熱通量，脫離直徑開(kāi)始減小直至2.1mm左右趨于穩定。對于氣泡脫離時(shí)間而言，隨著(zhù)有效熱通量增加脫離時(shí)間呈單調減小趨勢。

　　圖3 不同表面上沸騰氣泡高速圖片

　　如圖3可知，微坑表面為孤立氣泡的核化提供了穩定的核化中心，沸騰氣泡更易生成;同時(shí)其臨界脫離直徑較穩定，隨有效熱通量變化在 2.15～2.4mm區域內變化;而氣泡脫離時(shí)間隨有效熱通量增大而縮短，且短于同有效熱通量下的光滑表面的脫離時(shí)間，即實(shí)驗中微坑結構不僅強化氣泡的核化，同時(shí)也強化了氣泡脫離。

　　微柱表面，熱通量(q″=35kW/m2)下即可觀(guān)察到氣化核心的產(chǎn)生;且受微結構的影響，微柱陣列提供了氣泡核化中心，同時(shí)氣泡生長(cháng)引起微柱間隙的液體的微流動(dòng)促進(jìn)了氣泡的脫離，使得表面氣泡未發(fā)生合并即脫離，脫離時(shí)間縮短至幾毫秒。

　　槽型微柱表面，熱通量下(q″=40 kW/m2)氣泡優(yōu)先在槽道內成核生長(cháng)，且其脫離直徑較大;隨著(zhù)有效熱通量的增大槽道和微柱間隙的氣泡都逐漸長(cháng)大，且易發(fā)生氣泡合并形成較大氣泡。

　　2/2.局部溫度演變規律分析

　　試驗采用高速攝像儀及紅外熱成像儀同步采集系統，觀(guān)察四種試樣表面單個(gè)孤立氣泡生長(cháng)運動(dòng)過(guò)程壁面溫度場(chǎng)演化規律。

　　圖4 光滑表面單個(gè)氣泡在周期內的溫度演變規律

　　如圖4可知，光滑表面q″=89KW/m2時(shí)汽化核心處先形成一個(gè)氣泡雛形，隨相變的進(jìn)行氣液交界面外擴，氣泡逐漸長(cháng)大，同時(shí)氣泡中心由于相變帶走熱量溫度降低。q″=130KW/m2時(shí)，核化氣泡迅速增大到最大氣泡直徑，且底部薄液膜消失，在氣泡中心形成干燒區，且單氣泡周期明顯減小。

　　圖5 微結構表面沸騰氣泡形成脫離過(guò)程

　　如圖5可知，300μm微坑表面在過(guò)熱度較高的微坑處氣泡初始核化，但受有限表面在界面處的溫度梯度以及界面附近的Maragoni微對流的影響，氣泡會(huì )出現從微坑向邊界移動(dòng)的滑移現象，促進(jìn)了上一代氣泡的快速脫離，從而增大了氣泡的脫離頻率。

　　微柱表面生成氣泡時(shí)，當t值不斷增加時(shí)，微柱間隙內的微小核化點(diǎn)密集的區域上的氣泡不斷長(cháng)大并合并成為大氣泡;當t=14ms時(shí)該氣泡脫離壁面，此脫離過(guò)程的時(shí)長(cháng)僅為10ms數量級。在整個(gè)氣泡運動(dòng)過(guò)程中，微柱的存在大大提高了壁面的溫度均勻性,抑制了由          于氣泡干斑區內溫度過(guò)高換熱不良而造成的沸騰惡化，因此微柱的存在可以有效地提高臨界有效熱通量。

　　槽型微柱表面氣泡的吸納合并作用發(fā)生在氣泡生成極短的時(shí)間內，槽內氣泡來(lái)不及長(cháng)大即被快速側吸到微柱區與大氣泡合并脫離;壁面溫度的均勻性也相應提高。但槽道的寬度對壁面溫度的均勻性存在影響，寬度加大可以造成中間氣泡無(wú)法被 側吸，引起局部過(guò)熱。

　　3.結論

　　試驗結果表明單晶硅表面微結構設計顯著(zhù)降低了核化沸騰的起始過(guò)熱度，利用微結構對槽道內氣泡的側吸作用，可控制氣泡的快速匯聚、脫離以及沸騰氣泡的空間分布位置。通過(guò)高速攝像儀對采集的氣泡運動(dòng)試驗過(guò)程進(jìn)行分析，可掌握單晶硅表面微結構氣泡動(dòng)力學(xué)過(guò)程各階段換熱機理，可優(yōu)化單晶硅局部微結構設計，為為新型材料研究帶來(lái)更可靠的應用價(jià)值。