陳娜娜，王進(jìn)仕，李勇，夏凱，嚴(yán)俊杰

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水平表面水-酒精混合蒸氣Marangoni瞬態(tài)凝結(jié)過(guò)程的凝結(jié)液形態(tài)

陳娜娜，王進(jìn)仕，李勇，夏凱，嚴(yán)俊杰

（西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049）

設(shè)計(jì)搭建了水平表面上凝結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用高速攝像機(jī)對(duì)水-酒精混合蒸氣Marangoni瞬態(tài)凝結(jié)過(guò)程的凝結(jié)形態(tài)進(jìn)行觀察記錄，獲得了初始過(guò)冷度、酒精蒸氣濃度及蒸氣流速對(duì)凝結(jié)形態(tài)的影響規(guī)律。采用圖像邊緣提取技術(shù)對(duì)凝結(jié)圖像進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)得到了作為定量表征Marangoni凝結(jié)形態(tài)參數(shù)之一的最大液珠半徑的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：凝結(jié)開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)凝結(jié)形態(tài)變化劇烈，液珠經(jīng)歷形成、合并及逐漸長(zhǎng)大的過(guò)程，最終凝結(jié)形態(tài)基本保持不變，液珠成長(zhǎng)時(shí)間數(shù)量級(jí)約為10 s。在凝結(jié)的初始階段，當(dāng)過(guò)冷度較大時(shí)，膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié)同時(shí)存在于凝結(jié)表面；隨著過(guò)冷度降低，小液珠數(shù)目增多；過(guò)冷度繼續(xù)降低，凝結(jié)面全部被大量小液珠所覆蓋。隨著初始過(guò)冷度降低、酒精蒸氣濃度增高，凝結(jié)液珠成長(zhǎng)時(shí)間增長(zhǎng)，液珠的生長(zhǎng)速度變慢。蒸氣流速對(duì)液珠的成長(zhǎng)過(guò)程影響相對(duì)不明顯。隨著凝結(jié)進(jìn)行，最大液珠半徑從2 mm增大到10 mm的數(shù)量級(jí)；同一凝結(jié)時(shí)刻，隨著初始過(guò)冷度增加、酒精蒸氣濃度降低，最大液珠半徑逐漸增大。

凝結(jié)；表面；凝結(jié)形態(tài)；二元混合物；最大液珠半徑

引 言

蒸氣接觸到比其壓力所對(duì)應(yīng)飽和溫度低的固體壁面時(shí)將發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。根據(jù)凝結(jié)液潤(rùn)濕壁面的能力不同，蒸氣凝結(jié)可分為膜狀凝結(jié)和珠狀凝結(jié)[1]。珠狀凝結(jié)具有數(shù)倍于膜狀凝結(jié)的凝結(jié)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)[2]，是研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)。盡管研究者在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)了數(shù)萬(wàn)小時(shí)的珠狀凝結(jié)，但傳統(tǒng)的珠狀凝結(jié)在工業(yè)環(huán)境中很難長(zhǎng)時(shí)間維持。水-酒精混合物、氨水等具有正系統(tǒng)特性的二元混合物發(fā)生凝結(jié)時(shí)，形成類似于珠狀的凝結(jié)形態(tài)，這種凝結(jié)被稱為Marangoni凝結(jié)或類珠狀凝結(jié)（pseudo-dropwise凝結(jié)）[3-4]。Marangoni凝結(jié)是由于凝結(jié)表面存在表面張力梯度，導(dǎo)致表面張力低的部分流體向表面張力高的方向流動(dòng)，使膜狀液膜出現(xiàn)波動(dòng)，甚至撕裂，最終形成珠狀或者類似于珠狀的凝結(jié)形態(tài)。這是一種形成珠狀凝結(jié)的新思路，且類珠狀的凝結(jié)形態(tài)可以長(zhǎng)時(shí)間維持，因?yàn)樵摲N凝結(jié)形態(tài)是由凝結(jié)液自身物性所導(dǎo)致的。

凝結(jié)形態(tài)研究是揭示凝結(jié)機(jī)理、解釋凝結(jié)換熱特性的重要途徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)Marangoni凝結(jié)形態(tài)開(kāi)展了大量研究。20世紀(jì)80年代中后期，日本學(xué)者Fujii等[5-8]采用水-酒精作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，進(jìn)行了一系列平板和圓管表面的雙組分混合蒸氣凝結(jié)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在低酒精濃度下凝結(jié)形態(tài)為珠狀凝結(jié)，在高酒精濃度下為平膜狀，在中間濃度下，凝結(jié)形態(tài)則呈現(xiàn)不規(guī)則的條狀和規(guī)則的環(huán)狀。2004年，Utaka等[9]總結(jié)了較大酒精濃度范圍內(nèi)的凝結(jié)形態(tài)分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著過(guò)冷度的增加，凝結(jié)形態(tài)都要經(jīng)歷從平膜狀到條狀、條狀到珠狀、珠狀到帶條狀的珠狀、帶條狀的珠狀到平膜狀等一系列的轉(zhuǎn)變過(guò)程。Yang等[10]、胡申華等[11]和Wang等[12]分別研究了豎直凝結(jié)面、非等溫豎直凝結(jié)面以及具有非均勻溫度梯度的豎直凝結(jié)面上的Marangoni凝結(jié)，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)均為水-酒精混合蒸氣。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究者都發(fā)現(xiàn)了多種凝結(jié)形態(tài)，且凝結(jié)形態(tài)受表面過(guò)冷度、凝結(jié)表面溫差、酒精蒸氣濃度、蒸氣流速及壓力等參數(shù)影響。Wang等[12]還指出，Marangoni凝結(jié)中的珠狀凝結(jié)是個(gè)動(dòng)態(tài)的周期性過(guò)程，液珠的循環(huán)周期主要受過(guò)冷度、酒精濃度和壓力的影響。馬學(xué)虎等[13-14]研究了表面自由能差對(duì)豎直壁面上Marangoni凝結(jié)形態(tài)和凝結(jié)傳熱系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著表面自由能差的增加，凝結(jié)形態(tài)由膜狀凝結(jié)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹闋钅Y(jié)，同時(shí)凝結(jié)傳熱系數(shù)也增加。此外，該團(tuán)隊(duì)[15-16]還對(duì)梯形微通道內(nèi)酒精蒸氣濃度為2%～60%的Marangoni凝結(jié)形態(tài)進(jìn)行了可視化研究，發(fā)現(xiàn)了環(huán)狀條紋流、環(huán)狀條紋滴狀流、翻滾流、噴射滴狀流等流型，且酒精濃度對(duì)凝結(jié)形態(tài)影響較大。

此外，部分學(xué)者還對(duì)混合蒸氣Marangoni凝結(jié)形態(tài)進(jìn)行了定量研究。Fujii等[5]統(tǒng)計(jì)了水平管外上部的最大液珠尺寸、最小液珠尺寸，測(cè)量得到的最大液珠直徑約為1.5～2.5 mm。Utaka等[17]研究發(fā)現(xiàn)最大脫離液珠直徑隨過(guò)冷度呈現(xiàn)U形變化，基本不受酒精濃度的影響，其最小值約為1.5 mm。21世紀(jì)初，Utaka等[18-20]以水-酒精作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，采用紅外線激光吸收法測(cè)量了Marangoni凝結(jié)過(guò)程中凝結(jié)液珠的形狀和凝結(jié)液膜的厚度。Yang等[10]對(duì)凝結(jié)液珠尺寸和凝結(jié)條紋尺寸進(jìn)行定量分析，擬合得到了最大液珠直徑和最大條紋寬度的計(jì)算公式。胡申華等[21]考慮了宏觀溫差和蒸氣流速對(duì)Marangoni效應(yīng)的影響，擬合得到非等溫凝結(jié)表面上的最大液珠脫離半徑經(jīng)驗(yàn)公式。李楊[22]定量研究了豎直管外水-酒精混合蒸氣Marangoni凝結(jié)過(guò)程中，最大脫離液珠半徑和液珠尺寸分布規(guī)律。

Marangoni凝結(jié)中類珠狀的凝結(jié)形態(tài)是由凝結(jié)液表面張力梯度所導(dǎo)致的，以上針對(duì)混合蒸氣Marangoni凝結(jié)的研究都是針對(duì)豎直壁面或者水平管表面，凝結(jié)液表面張力梯度方向與重力作用方向相同，凝結(jié)形態(tài)均受到重力作用的影響，不能代表Marangoni凝結(jié)中僅受Marangoni效應(yīng)影響的真實(shí)凝結(jié)形態(tài)。本文搭建了Marangoni凝結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了水平凝結(jié)表面，在該種表面上，凝結(jié)液表面張力梯度方向與重力作用方向垂直，所形成的凝結(jié)形態(tài)可以認(rèn)為僅由Marangoni效應(yīng)所影響。此外，Marangoni凝結(jié)和珠狀凝結(jié)類似，其凝結(jié)過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，在豎直凝結(jié)面上，存在著液珠的形成、長(zhǎng)大、合并以及脫落過(guò)程。前人的研究大多將其視為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，而未研究凝結(jié)瞬態(tài)過(guò)程中的凝結(jié)形態(tài)變化規(guī)律。因此，本文針對(duì)水平表面上水-酒精混合蒸氣Marangoni凝結(jié)瞬態(tài)過(guò)程凝結(jié)形態(tài)規(guī)律開(kāi)展研究。

1 Marangoni凝結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及圖像處理技術(shù)

圖1為Marangoni凝結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由3部分組成：混合蒸氣凝結(jié)循環(huán)系統(tǒng)、射流冷卻循環(huán)系統(tǒng)以及輔助冷卻循環(huán)系統(tǒng)。水-酒精混合蒸氣由蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)上升管進(jìn)入凝結(jié)室，在凝結(jié)室被射流冷卻水冷卻凝結(jié)，凝結(jié)液和尚未凝結(jié)的大多數(shù)蒸氣進(jìn)入輔助冷凝器中，殘余混合蒸氣在此完全凝結(jié)并冷卻。最后，所有的凝結(jié)液流回至蒸氣發(fā)生器完成主蒸氣循環(huán)。由于凝結(jié)實(shí)驗(yàn)是在水平表面上進(jìn)行的，凝結(jié)液不能自動(dòng)脫離而聚集在凝結(jié)表面上，導(dǎo)致凝結(jié)發(fā)生一定時(shí)間后無(wú)法持續(xù)進(jìn)行。因此，在凝結(jié)表面上設(shè)計(jì)了一個(gè)雨刷器來(lái)刷掃凝結(jié)面，使凝結(jié)能夠持續(xù)進(jìn)行。

圖2為實(shí)驗(yàn)可視化系統(tǒng)。高速攝像機(jī)的型號(hào)是Phantom V611，固定在實(shí)驗(yàn)件正上方，鏡頭上安裝光源，透過(guò)鋼化玻璃對(duì)實(shí)驗(yàn)件上的凝結(jié)形態(tài)進(jìn)行拍攝記錄。

在珠狀或者M(jìn)arangoni凝結(jié)中，對(duì)于凝結(jié)液珠數(shù)量和尺寸的統(tǒng)計(jì)是凝結(jié)形態(tài)研究的重點(diǎn)，而前人[10-12,17-18]一般采用人工測(cè)量和統(tǒng)計(jì)的方式，該方法工作量大且存在主觀因素，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不確定度增加。2014年，Watanabe等[23]對(duì)水蒸氣珠狀凝結(jié)過(guò)程進(jìn)行可視化研究時(shí)，采用環(huán)形光源作為拍攝光源，進(jìn)行拍攝記錄，取得了較好的效果。因此，本實(shí)驗(yàn)中也采用環(huán)形光源作為拍攝光源，采用高速攝像機(jī)對(duì)凝結(jié)形態(tài)進(jìn)行觀察記錄，之后采用本課題組[24]提出的基于環(huán)形光源的凝結(jié)液珠邊緣提取算法，對(duì)凝結(jié)液珠的邊緣進(jìn)行程序提取。該方法通過(guò)灰度閾值變換、Canny算子、區(qū)域填充及開(kāi)運(yùn)算得到邊緣圖像，對(duì)邊緣圖像調(diào)用連通域函數(shù)，得到液珠個(gè)數(shù)及液珠的光圈半徑，最終轉(zhuǎn)換計(jì)算得到液珠真實(shí)半徑。

2 凝結(jié)形態(tài)隨各影響因素的變化規(guī)律

在前人以及本文的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)酒精蒸氣濃度、初始過(guò)冷度和蒸氣流速這3個(gè)因素對(duì)凝結(jié)形態(tài)有較大的影響。本文將重點(diǎn)討論以上3個(gè)因素對(duì)瞬態(tài)凝結(jié)過(guò)程中凝結(jié)形態(tài)的影響規(guī)律。

2.1 瞬態(tài)凝結(jié)過(guò)程凝結(jié)形態(tài)變化規(guī)律

如前所述，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)凝結(jié)表面上裝有雨刷器，為研究凝結(jié)形態(tài)的瞬態(tài)變化過(guò)程，雨刷在刷過(guò)凝結(jié)表面后保持不動(dòng)。本文將雨刷恰好全部離開(kāi)凝結(jié)表面的時(shí)刻定義為液珠成長(zhǎng)的初始時(shí)刻，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的過(guò)冷度為初始過(guò)冷度。如無(wú)特別說(shuō)明，本文提到的過(guò)冷度均為初始過(guò)冷度。

圖3給出了水-酒精混合蒸氣Marangoni凝結(jié)形態(tài)瞬態(tài)變化的典型過(guò)程。從圖3(a)中可看到，初始時(shí)刻（=0 s）凝結(jié)面上開(kāi)始有大量大小相近的小液珠生成，隨后小液珠逐漸合并而變大，=0.6 s時(shí)凝結(jié)面出現(xiàn)較大的液珠，=2.8 s時(shí)大液珠已占據(jù)約1/4凝結(jié)面，隨著液珠不斷合并，至=10.6 s大液珠所占面積已超過(guò)凝結(jié)面的1/2，但此時(shí)仍然有大量小液珠，隨著凝結(jié)的進(jìn)行，整個(gè)凝結(jié)面在=22.9 s時(shí)幾乎完全被液膜所占據(jù)，之后凝結(jié)形態(tài)基本保持不變。圖3(b)為另外一個(gè)典型工況下的凝結(jié)形態(tài)變化過(guò)程，其液珠成長(zhǎng)過(guò)程與圖3(a)中規(guī)律相類似。此外，可以看出，混合蒸氣凝結(jié)形態(tài)瞬態(tài)變化過(guò)程中，凝結(jié)開(kāi)始后的某一時(shí)間段內(nèi)液珠凝結(jié)形態(tài)變化劇烈，當(dāng)液膜占據(jù)大部分凝結(jié)面后，其凝結(jié)形態(tài)基本維持不變。因此可以把這段時(shí)間定義為液珠成長(zhǎng)時(shí)間，即凝結(jié)形態(tài)從開(kāi)始變化劇烈至最終基本維持不變的時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，在本文研究的實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，凝結(jié)液珠的成長(zhǎng)時(shí)間隨實(shí)驗(yàn)工況變化范圍較大，但其量級(jí)都為10 s左右。

2.2 初始過(guò)冷度對(duì)凝結(jié)形態(tài)的影響規(guī)律

以前的相關(guān)研究已經(jīng)表明，凝結(jié)表面過(guò)冷度是影響凝結(jié)形態(tài)和凝結(jié)傳熱特性的主要因素。本實(shí)驗(yàn)在保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，緩慢改變射流冷卻水溫度，進(jìn)而使得凝結(jié)表面的初始過(guò)冷度發(fā)生變化。

圖4為凝結(jié)形態(tài)隨初始過(guò)冷度的變化。從圖中可以看出，在=0.05 s時(shí)，高初始過(guò)冷度（?=30.4 K）工況下，凝結(jié)表面出現(xiàn)了膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié)同時(shí)存在的現(xiàn)象，且液膜所占面積較大。隨著初始過(guò)冷度降低（?=26.2、13.7 K），液膜所占面積比例減小，小液珠數(shù)目開(kāi)始增多。當(dāng)初始過(guò)冷度繼續(xù)降低到7.1 K以下時(shí)，所有凝結(jié)形態(tài)都表現(xiàn)為珠狀凝結(jié)，凝結(jié)面被大量大小相近的小液珠所覆蓋。

分析低過(guò)冷度工況（?=4.7、5.9、7.1 K）凝結(jié)形態(tài)的變化可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)=13 s時(shí)，?=7.1 K工況下，液膜占據(jù)凝結(jié)面；隨著過(guò)冷度降低，?=5.9 K時(shí)，小液珠所占面積約為凝結(jié)面面積的1/5；?=4.7 K時(shí)，1/3的凝結(jié)表面被小液珠覆蓋，其余凝結(jié)面被大液珠所占據(jù)。分析其他時(shí)刻（=5、8 s）凝結(jié)形態(tài)的變化得到類似的結(jié)論。隨著初始過(guò)冷度降低，液珠成長(zhǎng)時(shí)間大約從13 s增加到20 s。因此，相同凝結(jié)時(shí)刻下，隨著初始過(guò)冷度的降低，最大液珠半徑越來(lái)越小，液珠成長(zhǎng)時(shí)間增長(zhǎng)，液珠長(zhǎng)大速度變慢。在其他工況下凝結(jié)形態(tài)隨初始過(guò)冷度的變化規(guī)律類似。

2.3 酒精蒸氣濃度對(duì)凝結(jié)形態(tài)的影響規(guī)律

在混合蒸氣凝結(jié)換熱過(guò)程中，水-酒精混合物處于汽液相平衡狀態(tài)。不同酒精蒸氣濃度下，由濃度差引起的Marangoni對(duì)流強(qiáng)度不同，因此形成的非膜狀凝結(jié)形態(tài)也必然存在較大的差別。

圖5所示為水-酒精混合蒸氣的凝結(jié)形態(tài)隨酒精蒸氣濃度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，當(dāng)=15 s時(shí)，酒精蒸氣濃度為0.5%工況下，最大液珠已經(jīng)占據(jù)一半以上的凝結(jié)表面，而酒精蒸氣濃度為5%工況的最大液珠還較小。分析其他時(shí)刻，液珠大小隨酒精蒸氣濃度的變化，得到相同的結(jié)論：同一凝結(jié)時(shí)刻下，隨著酒精蒸氣濃度從0.5%增加到5%，最大液珠所占面積基本呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。研究不同酒精蒸氣濃度下液珠的成長(zhǎng)時(shí)間，可以發(fā)現(xiàn)：隨著酒精蒸氣濃度增高，液珠成長(zhǎng)時(shí)間約由15 s增加到25 s。其他工況下凝結(jié)形態(tài)隨酒精蒸氣濃度的變化規(guī)律類似?？偟膩?lái)看，酒精蒸氣濃度越高，液珠成長(zhǎng)時(shí)間越長(zhǎng)，液珠成長(zhǎng)速度越慢。

2.4 蒸氣流速對(duì)凝結(jié)形態(tài)的影響規(guī)律

蒸氣流速的變化導(dǎo)致凝結(jié)液表面受到的蒸氣剪切力發(fā)生變化，最終可能使凝結(jié)形態(tài)發(fā)生變化。因此，有必要研究不同蒸氣流速下凝結(jié)形態(tài)的變化。

圖6所示是水-酒精混合蒸氣凝結(jié)形態(tài)隨蒸氣流速的變化。從圖中可以看出，=10 s時(shí)，不同蒸氣流速對(duì)應(yīng)的凝結(jié)表面右側(cè)均有較大液珠；=20 s時(shí)，一半以上的凝結(jié)表面被大液膜覆蓋。對(duì)比其他時(shí)刻的凝結(jié)形態(tài)也可以看出，相比于初始過(guò)冷度和酒精蒸氣濃度，蒸氣流速對(duì)凝結(jié)形態(tài)的影響并不明顯。

圖6 凝結(jié)形態(tài)隨蒸氣流速的變化（e∞=0.5%，=31.16 kPa，?=3.0 K）
Fig.6 Condensation modes with vapor velocity (e∞=0.5%，=31.16 kPa，?=3.0 K)

3 最大液珠半徑變化規(guī)律

最大液珠半徑是定量表征凝結(jié)形態(tài)的重要參數(shù)之一。通過(guò)圖像邊緣提取技術(shù)，對(duì)水-酒精混合蒸氣Marangoni凝結(jié)中的最大液珠半徑進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)。

圖7所示是最大液珠半徑與凝結(jié)形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，隨著凝結(jié)的進(jìn)行，凝結(jié)液珠由小變大，直至形成大液膜，凝結(jié)形態(tài)不再發(fā)生顯著變化。在此過(guò)程中，最大液珠半徑max逐漸增大，初始時(shí)刻（=0 s）最大液珠半徑約為2 mm，當(dāng)大液膜覆蓋大部分凝結(jié)表面，最大液珠半徑的數(shù)量級(jí)達(dá)到10 mm。此外，從圖中還可以看出，隨著液珠的長(zhǎng)大，其形狀不再是近似圓形，而是呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀。對(duì)于不規(guī)則液珠的半徑，本文將其用等面積的圓形液珠的半徑來(lái)代替。

圖8給出了最大液珠半徑隨初始過(guò)冷度的變化規(guī)律。分析=3 s時(shí)最大液珠半徑的變化，可以發(fā)現(xiàn)，過(guò)冷度為7.1、5.9 K時(shí)，最大液珠半徑分別約為9.3和9.1 mm，過(guò)冷度為4.7、3.2及2.2 K時(shí)，最大液珠半徑分別約為7.5、6.3及4.7 mm?？梢钥闯?，最大液珠半徑隨初始過(guò)冷度的變化而發(fā)生改變，隨著初始過(guò)冷度降低，最大液珠半徑逐漸減小。

圖9所示為最大液珠半徑隨酒精蒸氣濃度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，凝結(jié)時(shí)刻=2 s時(shí)，酒精蒸氣濃度為0.5%工況下，最大液珠半徑約為6.5 mm；酒精蒸氣濃度為1%時(shí)，最大液珠半徑約為5.3 mm；酒精蒸氣濃度為2%和5%工況所對(duì)應(yīng)的最大液珠半徑分別約為3.2和1.7 mm。酒精蒸氣濃度對(duì)最大液珠半徑的影響較大；同一凝結(jié)時(shí)刻，隨著酒精蒸氣濃度的增加，最大液珠半徑逐漸減小。

圖10所示為最大液珠半徑隨蒸氣流速的變化規(guī)律。從圖中可以看出，在液珠生長(zhǎng)的前3 s左右的時(shí)間內(nèi)，不同蒸氣流速下，最大液珠半徑隨凝結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律基本一致。而且，當(dāng)蒸氣流速繼續(xù)增大到4 m·s-1時(shí)，最大液珠半徑隨著凝結(jié)的進(jìn)行有一定程度的波動(dòng)。對(duì)照其凝結(jié)形態(tài)可知，這是因?yàn)檎魵饬魉佥^大時(shí)，凝結(jié)液珠脫離凝結(jié)表面，而原位置處又有新的液珠生成，如此往復(fù)。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)搭建了水平表面上凝結(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)水-酒精混合蒸氣Marangoni凝結(jié)開(kāi)展可視化研究，利用高速攝像機(jī)觀察記錄凝結(jié)形態(tài)，采用圖像邊緣提取技術(shù)對(duì)凝結(jié)圖像進(jìn)行處理，研究了初始過(guò)冷度、酒精蒸氣濃度及蒸氣流速對(duì)Marangoni瞬態(tài)凝結(jié)過(guò)程的凝結(jié)形態(tài)和最大液珠半徑的影響，得到以下結(jié)論。

（1）在凝結(jié)形態(tài)瞬態(tài)變化過(guò)程中，凝結(jié)開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)凝結(jié)形態(tài)變化劇烈，凝結(jié)液珠經(jīng)歷形成、合并及逐漸長(zhǎng)大的過(guò)程，最終形成大的液膜并基本保持不變。液珠成長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)量級(jí)約為10 s。

（2）凝結(jié)初始階段，過(guò)冷度較高時(shí)，凝結(jié)表面出現(xiàn)膜狀凝結(jié)與珠狀凝結(jié)同時(shí)存在的現(xiàn)象，且液膜所占面積較大；隨著過(guò)冷度降低，液膜所占面積比例減小，小液珠數(shù)目開(kāi)始增多；過(guò)冷度繼續(xù)降低，凝結(jié)面就會(huì)被大量大小相近的小液珠所覆蓋。隨著初始過(guò)冷度降低，酒精蒸氣濃度增加，液珠成長(zhǎng)時(shí)間變長(zhǎng)，液珠成長(zhǎng)速度變慢。相比之下，蒸氣流速對(duì)液珠的成長(zhǎng)過(guò)程影響不明顯。

（3）隨著凝結(jié)進(jìn)行，最大液珠半徑逐漸增大，初始時(shí)刻最大液珠半徑約為2 mm，當(dāng)凝結(jié)形態(tài)不再發(fā)生顯著變化時(shí)，最大液珠半徑達(dá)到10 mm的數(shù)量級(jí)。同一凝結(jié)時(shí)刻，隨著初始過(guò)冷度增加、酒精蒸氣濃度降低，最大液珠半徑逐漸增大。

符 號(hào) 說(shuō) 明

p——蒸氣壓力，kPa r,rmax——分別為液珠真實(shí)半徑、最大液珠半徑，mm ?T——初始過(guò)冷度，K t——凝結(jié)時(shí)間，s U——蒸氣流速，m·s-1 we∞——酒精蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

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Characteristics of Marangoni dynamic condensation modes for water-ethanol mixture vapors on horizontal surface

CHEN Nana, WANG Jinshi, LI Yong, XIA Kai, YAN Junjie

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China)

An experimental system was designed and built for condensation on a horizontal surface. Using the high-speed camera, the characteristics of Marangoni dynamic condensation modes for water-ethanol mixture vapors was investigated. The influence of initial vapor-to-surface temperature, ethanol vapor concentration and vapor velocity on the condensation modes was obtained. Using the method of edge detection to process the condensation pictures, the variation of maximum droplet radius, which was considered as an important parameter for quantitatively expressing Marangoni condensation modes, was obtained. The results showed that the condensation modes altered dramatically as condensation started. Then, the generation, merging and growing process of droplets could be observed until the condensation modes nearly kept constant. The order of magnitudes for the droplets growth time was about 10 s. On the beginning of condensation, when the initial vapor-to-surface temperature was high, filmwise and dropwise condensations were all on the surface. The number of droplets increased with the decrease of initial vapor-to-surface temperature. With the initial vapor-to-surface temperature kept decreasing, the surface would be covered by many small droplets. When the initial vapor-to-surface temperature decreased and ethanol vapor concentration increased, the droplets growth time would be longer, the droplets would grow slower. By contrast, the growth of droplets was slightly affected by vapor velocity. The maximum droplet radius increased during the condensation process and it would increase from 2 mm to more than 10 mm. At the same condensation time, the maximum droplet radius increased with the increase of initial vapor-to-surface temperature and decrease of ethanol vapor concentration.

codensation; surface; condensation modes; binary mixture; maximum droplet radius

supported by the National Basic Research Program of China (2015CB251504) and the National Natural Science Foundation of China (51436006, U1261210).

date: 2016-01-08.

WANG Jinshi, wangjinshi@mail.xjtu.edu.cn

TK 124

A

0438—1157（2016）09—3574—09

10.11949/j.issn.0438-1157.20160031

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2015CB251504）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51436006，U1261210）。

2016-01-08收到初稿，2016-06-01收到修改稿。

聯(lián)系人：王進(jìn)仕。第一作者：陳娜娜（1989—），女，碩士，助理工程師。