基于激光诱导荧光法的空泡份额测量

王啸宇，谭思超*，李少丹，岳冲

(哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江 哈尔滨150001)

摘要：激光诱导荧光技术作为可视化实验领域中的新技术，在核反应堆热工水力研究中得到了越来越广泛的运用。将激光诱导荧光技术应用于气液两相流空泡份额的测量中，介绍了激光诱导荧光法测量空泡份额的原理，描述了激光诱导荧光法测量空泡份额的具体实施方法，说明了图像数据的处理方法，并将该测量空泡份额方法用于气液两相流实验测量研究，在不同工况下进行了竖直通道内两相流空泡份额测量实验。实验结果表明，利用激光诱导荧光技术测得的空泡份额与理论预测结果符合较好。运用该方法能对流场内的空泡份额分布进行连续测量，且不会对流场造成干扰。

关键词：空泡份额；测量技术；激光诱导荧光法；两相流

中图分类号：TL334 文献标志码：A

收稿日期：2014-08-18;修回日期：2014-10-24

基金项目：核安全与仿真技术国防重点学科实验室基金资助项目(HEUFN1305)；黑龙江省青年学术骨干支持计划资助项目(1254G017)

作者简介：王啸宇(1991—)，男，湖北襄阳人，硕士研究生，核能科学与工程专业

doi：10.7538/yzk.2015.49.11.2051

*通信作者：谭思超，E-mail: tansichao@hrbeu.edu.cn

Measurement of Void Fraction

Based on Laser Induced Fluorescence Method

WANG Xiao-yu, TAN Si-chao*, LI Shao-dan, YUE Chong

(FundamentalScienceonNuclearSafetyandSimulationTechnologyLaboratory,

HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:The laser induced fluorescence method, as a new technique in the field of visualization experiment field, has received more and more attention to the nuclear reactor thermal-hydraulic research. The laser induced fluorescence method was applied in the measurement of void fraction of gas-liquid two-phase flow. The principle of the void fraction measurement based on laser induced fluorescence method was introduced, and the detail procedure of this measurement technique was described, then the method of picture image data processing was presented to get the void fraction information. An experimental investigation based on planar laser induced fluorescence was conducted to measure the void fraction in vertical rectangular pipe. By comparing the void fraction measured by the laser induced fluorescence method with the theoretical analysis result, it is found that the void fraction fits well with the predicted value. Therefore, the laser induced fluorescence method can be well applied in the continuous measurement of void fraction, with which the flow field will not be disturbed.

Key words：void fraction; measuring technique; laser induced fluorescence method; two-phase flow

气液两相流的空泡份额会直接影响到核动力装置的流动传热特性，是核反应堆热工水力研究的重点之一。而且反应堆冷却剂的空泡份额还会影响反应堆的反应性控制特性，进而影响反应堆的操控，因此，空泡份额的测量对核反应堆的安全运行有着重要的意义。

测量空泡份额的方法较多，最简单的空泡份额测量方法就是用速关阀的方法[1-2]，通过快速关闭阀门将流体阻滞在一段管道中，再通过测量这段管道中气液两相的体积来获得空泡份额。这种方法虽然简单，但速关阀会对流动造成较大影响，是一种介入式的测量方法。除了速关阀的方法外也可用阻抗法测量空泡份额[3]。阻抗法[4]主要基于气相与液相具有不同的电阻率与电容率，通过测量流体的阻抗来获得空泡份额。阻抗法可测量动态变化的空泡份额，但其信号响应速度慢，存在一定局限性。此外，光纤探针在测量空泡份额方面取得了很好的成果[5-7]。这种方法利用了液相和气相对光的折射率不同的基本原理，其动态响应能力好，但该方法易漏掉小气泡，阈值选取经验性强，且测量的是局部空泡份额。除此之外，射线衰减法[8-9]也可用来测量空泡份额，射线衰减法利用X或γ射线通过气相和液相时衰减规律的不同来推断流体的空泡份额。这种方法的响应速度很快，但该方法并不能精确获取整个通道截面上的空泡分布情况，且由于放射源的操作控制及防护具有一定的风险，限制了其应用场合。

由于以上传统的空泡份额测量方法都存在一定的局限性，不能实现全流场的无干扰实时测量，本文提出平面激光诱导荧光测量空泡份额的方法，并将其应用于竖直管道两相流的空泡份额测量实验中，将实验结果与理论预测值进行比较。

1激光诱导荧光法测量空泡份额原理及方法

1.1测量原理

激光诱导荧光(LIF)的原理[10-11]是，某些染色剂被特定波长激光照射后，会激发出波长更长的荧光。由于荧光与入射光的波长相差较多，通过光学滤镜可分离开入射光与荧光。图1示出萤光素钠的吸收光谱与发射光谱，若入射激光波长选为470 nm，而光学滤镜的通过波带选取480～600 nm，则荧光能透过滤镜，而激光不能透过滤镜。激光诱导荧光法测量空泡份额正是利用了这种入射光与荧光波长上的差别进行的测量。

图1　萤光素钠的吸收光谱与发射光谱 [10] Fig.1　Absorption and emission spectra of sodium fluorescence [10]

图2　LIF测量空泡份额原理 Fig.2　Principle of LIF method for measurement of void fraction

向气液两相流体中加入染色剂后，染色剂溶于液相，而气相不含染色剂。故在入射激光平面的照射下，液相发出荧光，气相不发光。通过光学滤镜，将入射激光过滤掉，剩下的则是发射的荧光。因此对激光平面进行拍摄，根据图像的明暗就能得到截面的空泡份额以及空泡的位置(图2)。

1.2测量系统

基于激光诱导荧光法的空泡份额测量系统由高速摄影仪、光学滤镜、激光器、柱面镜、数据采集系统等组成，如图3所示。

图3　测量系统简图 Fig.3　Schematic of measurement system

在图3中，激光器发射的光线通过柱面镜后形成激光平面，与气液两相流的流道相交，形成测量截面。通过光学滤镜后方的高速摄影仪拍摄到测量截面的图像后，对图像经过技术处理，即可根据图像得到所测截面的空泡份额。

图4　图像还原处理 Fig.4　Photo reduction processing

1.3图像处理方法

在实际测量中，为防止摄像机视野被流道上方气泡遮挡，摄像机放置在流道侧上方位置。由于高速摄像机并不是正对截面拍摄，所拍摄的图像与实际的图像相比会发生畸变，因此需对拍摄图像进行还原处理。图像还原时，首先建立实际图像和拍摄畸变图像坐标系，并设置若干参考点；然后通过实际图像与畸变图像上的参考点位置，推算畸变模型；再根据畸变模型对畸变图像进行修正，即可将拍摄畸变的图像还原。裁剪后的还原图像能恢复拍摄截面的真实情况，如图4所示。

为使图像中气相与液相区分明显，根据灰度值对图像进行多次的二值化处理，即可得到激光平面上的二值化图像，如图5所示。处理后的二值化图中明亮区域表示原图像中灰度较小的区域，此区域荧光强度较小，即为气相部分；黑暗区域代表液相部分。

图5　拍摄截面二值化图像 Fig.5　Two-value image of laser illuminated section

二值化图像的像素灰度值只有0和255，设每张图像灰度为255的像素点个数为N255，灰度为0的像素点的个数为N0，根据空泡份额的定义：

(1)

可算得激光平面的空泡份额。式中：α为空泡份额；A″为气相截面积；A′为液相截面积。采用高速摄影仪连续拍摄，即可得到截面含气率的时间响应曲线。

2空泡份额测量实验

在两相流领域中，单气泡流动的研究较为成熟，因此本文中进行了竖直通道内单气泡流动实验，用以验证激光诱导荧光法测量空泡份额的可行性。

实验系统如图3所示，实验中气泡由气泵产生，从通道底部由进气孔通入。分别在进气孔孔径为3 mm和8 mm的工况下进行了测量实验。在孔径为3 mm的工况下，选择了4组气泡图像进行处理；在孔径为8 mm的工况下，选择了5组气泡图像进行了处理，实验测量结果如图6所示。

图6中，由于各气泡穿过截面持续的时间不同，图中横坐标为归一化时间t，t=0.0代表气泡刚好和激光平面接触；t=1.0代表气泡刚脱离平面。当气泡刚上升到激光平面以及快要脱离拍摄截面时，由于测量系统光学特性的限制，拍摄图像明暗难以分辨，空泡份额无法测量，但气泡穿越激光平面的主要过程能测量。

图6　各工况下的空泡份额 Fig.6　Void fractions in different conditions

3实验结果分析与讨论

研究[12]表明，小气泡保持球形形状，大气泡变成球帽形，从小气泡到大气泡过渡过程中气泡形状取决于外部流体性质。本实验的两类工况下，气泡形态差异较大，因此分开讨论。

3.1理想气泡的空泡份额分析

本实验中，假设形状为球体，竖直上升，且形状不随气泡的上升而变化的气泡为理想气泡，如图7所示。图7中，R为气泡半径，h为气泡穿过激光平面的距离，则气相截面积可表示为：

(2)

图7　理想气泡示意图 Fig.7　Schematic of ideal bubble

当气泡直径较小时，可认为气泡穿过激光平面过程中速度v不发生变化，h与穿过激光平面的时间T成正比，即：

h=vT

(3)

将式(3)代入式(2)，可得：

(4)

当气液总截面积一定时，α∝A″，因此，可得到理想气泡的空泡份额随时间的变化，如图8所示。

图8　理想气泡的空泡份额随时间的变化 Fig.8　Void fraction of ideal bubble vs. time

图9　小气泡上升中的形态 Fig.9　Morphology of small rising bubble

3.2小进气孔工况实验结果分析

本实验中，当进气孔孔径为3 mm时，产生气泡的直径较小，气泡形状近似为球形，如图9所示。图中左、右两图分别代表前、后时刻流道内的3个气泡的流动画面，对比两图可发现，3个气泡均竖直向上移动，且形态几乎不随时间变化。因此，该工况下气泡截面含气率的变化与理想气泡一致。

由于气泡的大小与多种因素有关，即使在相同的孔径下，每次产生的气泡直径也不相同，为对不同直径的气泡进行比较，对图6a进行了归一化处理，如图10所示。

图10　归一化空泡份额随时间的变化 Fig.10　Normalized void fraction vs. time

在图10中，将理想气泡的空泡份额变化趋势与实验测量的空泡份额进行了对比，可看出，各气泡的空泡份额随时间变化趋势一致，且数值也符合较好。由于实际气泡在上升中会不可避免地发生变形，且上升轨迹不是严格竖直，因此在部分测量点测得的空泡份额与理想气泡偏差较大，但总体上来看，此工况下实验测量得到的空泡份额与理想气泡的空泡份额趋势符合很好。

图11　大气泡上升中的形态 Fig.11　Morphology of big rising bubble

3.3大进气孔工况实验结果分析

当进气孔孔径为8 mm时，由于气泡的直径较大，故虽然气泡仍能在一定程度上近似于理想气泡，但气泡形状不再为球形，与图9中气泡形态明显不同，如图11所示。图中左、右两图分别代表前、后时刻流道内两个气泡的流动画面，对比两图可发现，两个气泡在上升过程中形状都在不断变化，且发生了一定的横向移动。因此，气泡在穿越激光平面时其空泡份额虽仍能大致程度上符合理想气泡的空泡份额的变化规律，但由于气泡的变形，空泡份额会发生波动。

图6b中各气泡的空泡份额大致趋势都是先上升再下降，与理想气泡相似；部分气泡的空泡份额在达到最大值后先下降后上升，这是由于气泡在上升过程中的变形翻转所导致，这也与实验中观察到气泡的形态相符合。

3.4结果讨论

在本实验中，不同工况下运用激光诱导荧光法测量的空泡份额均与预测值符合较好。由于激光诱导荧光法测量空泡份额与通道布置方式以及通道内气相和液相的流动情况无关，因此本方法也适用于其他流动形式的两相流空泡份额的测量。

由于本实验中未在流道内设置传感器，故测量过程不会对流场造成干扰。此外激光诱导荧光技术测量空泡份额的方法可与其他激光诊断技术(如激光诱导荧光法测温、激光PIV测速等)相结合，实现流道内空泡份额分布、温度分布、速度分布等同时测量，有助于核反应堆热工水力多参数的耦合研究，这也是本方法相对于传统空泡份额测量方法的独特优势。

另外，本实验中的气相是通气孔产生的单气泡，而当流道内气泡较多时，激光会被前方气泡遮挡，为后方气泡空泡份额的测量带来一定的干扰，因此本方法在多气泡的空泡份额测量的适用性有待进一步探究。

4结论

本文提出了将激光诱导技术应用于空泡份额测量的方法，并对该方法的适用性进行了实验验证。实验结果表明，激光诱导荧光法测量得到的空泡份额与理论预测值符合较好，该方法适用于气液两相空泡份额的测量。由于其独特的技术优势，该测量方法具有良好的应用与发展前景。

参考文献：

[1]SRISOMBA R, MAHIAN O, DALKILIC A S, et al. Measurement of the void fraction of R-134a flowing through a horizontal tube[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2014, 56(8): 8-14.

[2]BJORK E. A simple technique for refrigerant mass measurement[J]. Applied Thermal Engineering, 2005, 25(8): 1 115-1 125.

[3]YANG H C, KIM D K, KIM M H. Void fraction measurement using impedance method[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2003, 14(4): 151-160.

[4]PARANJAPE S, RITCHEY S N, GARIMELLA S V. Electrical impedance-based void fraction measurement and flow regime identification in microchannel flows under adiabatic conditions[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2012, 42(7): 175-183.

[5]郑荣钏，杨瑞昌，沈幼庭. 单纤光纤探针测量空泡份额的实验研究[J]. 工程热物理报，1997,18(1):99-102.

ZHENG Rongchuan, YANG Ruichang, SHEN Youting. Measurements of void fraction by an advanced single-fiber optical probe[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 1997, 18(1): 99-102(in Chinese).

[6]田道贵，孙立成，高菲，等. 光学探针在气液两相流动局部参数测量中的应用研究[J]. 实验流体力学,2012,26(6):91-95.

TIAN Daogui, SUN Licheng, GAO Fei, et al. A study on application of optical probes for the measurement of lacal parameters in two-phase flow[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26(6): 91-95(in Chinese).

[7]幸奠川，孙立成，阎昌琪，等. 竖直圆管内泡状流空泡份额径向分布实验研究[J]. 原子能科学技术，2013,47(2):233-237.

XING Dianchuan, SUN Licheng, YAN Changqi, et al. Experiment investigation on void fraction radical distribution for bubbly flow in vertical circular tube[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(2): 233-237(in Chinese).

[8]沙宏玮，赵可人，杨晓和，等. 用γ射线衰减技术测量两相流中空泡份额精度的试验研究[J]. 原子能科学技术，1986,20(3):362-367.

SHA Hongwei, ZHAO Keren, YANG Xiaohe, et al. An experimental investigation for accuracy of measuring void fraction by γ-attenuation technique in two-phase flow[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1986, 20(3): 362-367(in Chinese).

[9]STAHL P, von ROHR P R. On the accuracy of void fraction measurements by single-beam gamma-densitometry for gas-liquid two phase flows in pipes[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2004, 28(6): 533-544.

[10]KARASSO P S, MUNGAL M G. PLIF measurements in aqueous flows using the Nd:YAG laser[J]. Experiments in Fluids, 1997, 23(5): 382-387.

[11]MORGAN R G, MARKIDES C N, ZADRAZIL I, et al. Characteristics of horizontal liquid-liquid flows in a circular pipe using simultaneous high-speed laser-induced fluorescence and particle velocimetry[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2013, 49(3): 99-118.

[12]CLIFT R, GRACE J R, WEBER M E. Bubbles, drops, and particles[M]. New York: Courier Dover Publications, 2005.