CN102607436B - 一种测量固体壁面波动液膜层平均厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量固体壁面上波动液膜层平均厚度的方法：a)采用放大摄影系统对液滴产生、开始撞击固体壁面、壁面上液膜厚度增加直到液膜厚度达到动态稳定的整个过程进行可视化拍摄；b)定位液膜厚度在原始图片高度方向上的像素范围，对选定范围内的各像素点逐一读取，得到灰度级矩阵；计算灰度级矩阵中各列上不同行间的灰度级梯度，得到各列中灰度级骤然增加的像素点，该些像素点组成的曲线是液膜表面所对应的位置；c)采用统计方法得到液膜表面以下区域的像素点总个数a1；d)计算固体壁面Y方向的像素点个数Nh；e)液膜层平均厚度为a₁与Nh的比值。本发明可广泛用于各种液滴碰撞固体壁面过程的可视化观测和壁面液膜层平均厚度的定量测量。

Description

一种测量固体壁面波动液膜层平均厚度的方法

技术领域

本发明涉及一种可用于测量固体壁面波动液膜层平均厚度的方法。

背景技术

在低表面温度喷雾冷却等液滴碰撞固体壁面过程中，冲击液滴会在固体表面形成一层薄液膜，液滴主要是与薄液膜层间发生相互作用。液膜层的厚度直接影响其与壁面间的换热效果以及液膜层内产生汽泡的行为特性。由于液滴撞击薄液膜层的过程随机性非常大，涉及到多相流、液滴碰撞、相变等多个复杂环节，因此在液膜形成过程中波动非常剧烈，要对波动液膜层的厚度进行定量测量是一项难度巨大的工作。迫切需要围绕液滴碰撞热固体壁面薄液膜层等进行系统深入研究，探索和发展微尺度下流动与传热过程新的实验技术与研究方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量固体壁面上波动液膜层平均厚度的方法。

为实现上述目的，本发明提供的测量固体壁面上波动液膜层平均厚度的方法，步骤如下：

a）采用放大摄影系统对液滴产生、开始撞击固体壁面、壁面上液膜厚度增加直到液膜厚度达到动态稳定的整个过程进行可视化拍摄；

b）定位液膜厚度在原始图片高度方向上的像素范围，对选定范围内的各像素点逐一读取，得到灰度级矩阵；计算灰度级矩阵中各列上不同行间的灰度级梯度，得到各列中灰度级骤然增加的像素点，该些像素点组成的曲线是液膜表面所对应的位置；

c）采用统计方法得到液膜表面以下区域的像素点总个数a₁；

d）计算固体壁面Y方向的像素点个数Nh；

e）液膜层平均厚度通过下式计算得到：

$H=\mathrm{\λ}(\frac{a_1}{n}-\mathrm{Nh})$

式中λ为单位像素对应的实际长度，单位是mm/pixel；n为图片上行像素数。

所述的测量方法，其中，步骤b中定位液膜厚度在原始图片高度方向上的像素范围是由软件CamControl完成。

所述的测量方法，其中，步骤b中对选定范围内的各像素点逐一读取，得到灰度级矩阵，是由Matlab软件完成。

所述的测量方法，其中，步骤d中固体壁面Y方向的像素点个数Nh通过下式计算得到：

$\mathrm{Nh}=\frac{\underset{i=1}{\overset{i=5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Nh}}_i}{5}$

式中，Nh_i为任意选取不同固体壁面高度处像素点个数。

本发明提供的方法可以用于系统研究液滴喷射启动时不同壁面温度下的液膜形成过程，揭示液膜达到动态稳定后流量和壁面温度对平均液膜厚度的影响规律。

附图说明

图1为本发明的液膜层平均厚度测量示意图；其中

（a）是原始图片，（b）是灰度矩阵，（c）是液膜平均厚度的测量。

图2为利用本发明方法测得的固体壁面液膜平均厚度及其变化。

具体实施方式

本发明提供的测量固体壁面上波动液膜层平均厚度的方法，步骤如下：

a）采用高速显微放大摄影系统对液滴产生、开始撞击固体壁面、壁面上液膜厚度增加直到液膜厚度达到动态稳定的整个过程进行可视化拍摄；

b）对高速摄影拍摄得到的照片进行图像处理，采用灰度级梯度法捕捉到液膜表面所对应的位置。然后确定液膜表面以下区域在图片上占据的像素点个数与固体壁面在高度方向占据的像素点个数，两者的比值即为波动液膜层的平均厚度。

本发明可广泛用于各种液滴碰撞固体壁面过程的可视化观测和壁面液膜层平均厚度的定量测量。

下面结合附图对本发明作详细说明。

首先打开冷光源和高速摄影仪，调节冷光源强度与显微放大设备与被测壁面之间的距离，使得被测壁面能在高速摄影中清晰呈现，测量拍摄视野的实际尺寸，然后将流量和加热功率调到设定值，开始拍摄以及启动液滴喷射系统，最后当拍摄时间足够长以至于液膜波动达到动态稳定时，关闭液滴喷射系统，停止拍摄。

本实施例中摄影仪的像素以512×512为例（也可以根据需要调整为其它数值），被测壁面的温度为22℃，流量为1.39×10^-5m³/s。

通过高速摄影仪自带软件CamControl定位液膜厚度在原图Y方向上的像素范围（见图1a），然后采用Matlab软件对选定范围内的各像素点逐一读取，得到如图1b所示的灰度级矩阵，图中每个方格表示一个独立的像素单位，方格中的数据为对应像素单位的灰度级值。计算灰度级矩阵中各列上不同行间的灰度级梯度，可得到各列中灰度级骤然增加的像素点，该像素点连成的曲线就认为是液膜表面所对应的位置(见图1c中曲线)。最后采用统计方法得到液膜表面以下区域的像素点总个数a₁。被加热表面Y方向的像素点个数Nh可通过公式(1)得到：

$\mathrm{Nh}=\frac{\underset{i=1}{\overset{i=5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Nh}}_i}{5}---\left(1\right)$

式中，Nh_i为图1(c)中选取的任意不同位置处的像素点个数。

最终，液膜平均厚度H（见图1c）通过公式(2)计算得到：

$H=\mathrm{\λ}(\frac{a_1}{512}-\mathrm{Nh})---\left(2\right)$

式中λ为单位像素对应的实际长度，单位是mm/pixel。

通过图2可以看出，在本实施例的条件下，液滴喷射约0.9秒（s）后液膜波动达到动态稳定，图2中Ⅰ所示部分是液膜平均厚度随时间呈增长趋势，液膜波动尚未达到动态稳定，Ⅱ所示部分是经过约0.9s后液膜波动达到动态稳定。

采用本发明提供的方法系统研究了液滴喷射启动时不同壁面温度下的液膜形成过程，揭示了液膜达到动态稳定后流量和壁面温度对平均液膜厚度的影响规律。

Claims (4)

1.一种测量固体壁面上波动液膜层平均厚度的方法，其步骤如下：

a）采用放大摄影系统对液滴产生、开始撞击固体壁面、壁面上液膜厚度增加直到液膜厚度达到动态稳定的整个过程进行可视化拍摄；

b）定位液膜厚度在原始图片高度方向上的像素范围，对选定范围内的各像素点逐一读取，得到灰度级矩阵；计算灰度级矩阵中各列上不同行间的灰度级梯度，得到各列中灰度级骤然增加的像素点，该些像素点组成的曲线是液膜表面所对应的位置；

c）采用统计方法得到液膜表面以下区域的像素点总个数a₁；

d）计算固体壁面Y方向的像素点个数Nh；

e）液膜层平均厚度通过下式计算得到：

$H=\mathrm{\λ}(\frac{a_1}{n}-\mathrm{Nh})$

式中λ为单位像素对应的实际长度，单位是mm/pixel；n为图片上行像素数。

2.如权利要求1所述的测量方法，其中，步骤b中定位液膜厚度在原始图片高度方向上的像素范围是由软件CamControl完成。

3.如权利要求1所述的测量方法，其中，步骤b中对选定范围内的各像素点逐一读取，得到灰度级矩阵，是由Matlab软件完成。

4.如权利要求1所述的测量方法，其中，步骤d中固体壁面Y方向的像素点个数Nh通过下式计算得到：

$\mathrm{Nh}=\frac{\underset{i=1}{\overset{i=5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Nh}}_i}{5}$

式中，Nh_i为任意选取不同固体壁面高度处像素点个数。

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