陈娜娜，王进仕，李勇，夏凯，严俊杰



水平表面水-酒精混合蒸气Marangoni瞬态凝结过程的凝结液形态

陈娜娜，王进仕，李勇，夏凯，严俊杰

（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049）

设计搭建了水平表面上凝结实验系统，利用高速摄像机对水-酒精混合蒸气Marangoni瞬态凝结过程的凝结形态进行观察记录，获得了初始过冷度、酒精蒸气浓度及蒸气流速对凝结形态的影响规律。采用图像边缘提取技术对凝结图像进行处理，统计得到了作为定量表征Marangoni凝结形态参数之一的最大液珠半径的变化规律。研究结果表明：凝结开始的一段时间内凝结形态变化剧烈，液珠经历形成、合并及逐渐长大的过程，最终凝结形态基本保持不变，液珠成长时间数量级约为10 s。在凝结的初始阶段，当过冷度较大时，膜状凝结与珠状凝结同时存在于凝结表面；随着过冷度降低，小液珠数目增多；过冷度继续降低，凝结面全部被大量小液珠所覆盖。随着初始过冷度降低、酒精蒸气浓度增高，凝结液珠成长时间增长，液珠的生长速度变慢。蒸气流速对液珠的成长过程影响相对不明显。随着凝结进行，最大液珠半径从2 mm增大到10 mm的数量级；同一凝结时刻，随着初始过冷度增加、酒精蒸气浓度降低，最大液珠半径逐渐增大。

凝结；表面；凝结形态；二元混合物；最大液珠半径

引 言

蒸气接触到比其压力所对应饱和温度低的固体壁面时将发生凝结现象。根据凝结液润湿壁面的能力不同，蒸气凝结可分为膜状凝结和珠状凝结[1]。珠状凝结具有数倍于膜状凝结的凝结表面传热系数[2]，是研究者们关注的热点。尽管研究者在实验室条件下实现了数万小时的珠状凝结，但传统的珠状凝结在工业环境中很难长时间维持。水-酒精混合物、氨水等具有正系统特性的二元混合物发生凝结时，形成类似于珠状的凝结形态，这种凝结被称为Marangoni凝结或类珠状凝结（pseudo-dropwise凝结）[3-4]。Marangoni凝结是由于凝结表面存在表面张力梯度，导致表面张力低的部分流体向表面张力高的方向流动，使膜状液膜出现波动，甚至撕裂，最终形成珠状或者类似于珠状的凝结形态。这是一种形成珠状凝结的新思路，且类珠状的凝结形态可以长时间维持，因为该种凝结形态是由凝结液自身物性所导致的。

凝结形态研究是揭示凝结机理、解释凝结换热特性的重要途径。国内外学者针对Marangoni凝结形态开展了大量研究。20世纪80年代中后期，日本学者Fujii等[5-8]采用水-酒精作为实验工质，进行了一系列平板和圆管表面的双组分混合蒸气凝结实验，发现在低酒精浓度下凝结形态为珠状凝结，在高酒精浓度下为平膜状，在中间浓度下，凝结形态则呈现不规则的条状和规则的环状。2004年，Utaka等[9]总结了较大酒精浓度范围内的凝结形态分布规律，发现随着过冷度的增加，凝结形态都要经历从平膜状到条状、条状到珠状、珠状到带条状的珠状、带条状的珠状到平膜状等一系列的转变过程。Yang等[10]、胡申华等[11]和Wang等[12]分别研究了竖直凝结面、非等温竖直凝结面以及具有非均匀温度梯度的竖直凝结面上的Marangoni凝结，实验工质均为水-酒精混合蒸气。在实验过程中，研究者都发现了多种凝结形态，且凝结形态受表面过冷度、凝结表面温差、酒精蒸气浓度、蒸气流速及压力等参数影响。Wang等[12]还指出，Marangoni凝结中的珠状凝结是个动态的周期性过程，液珠的循环周期主要受过冷度、酒精浓度和压力的影响。马学虎等[13-14]研究了表面自由能差对竖直壁面上Marangoni凝结形态和凝结传热系数的影响，发现随着表面自由能差的增加，凝结形态由膜状凝结逐渐转变为珠状凝结，同时凝结传热系数也增加。此外，该团队[15-16]还对梯形微通道内酒精蒸气浓度为2%～60%的Marangoni凝结形态进行了可视化研究，发现了环状条纹流、环状条纹滴状流、翻滚流、喷射滴状流等流型，且酒精浓度对凝结形态影响较大。

此外，部分学者还对混合蒸气Marangoni凝结形态进行了定量研究。Fujii等[5]统计了水平管外上部的最大液珠尺寸、最小液珠尺寸，测量得到的最大液珠直径约为1.5～2.5 mm。Utaka等[17]研究发现最大脱离液珠直径随过冷度呈现U形变化，基本不受酒精浓度的影响，其最小值约为1.5 mm。21世纪初，Utaka等[18-20]以水-酒精作为实验工质，采用红外线激光吸收法测量了Marangoni凝结过程中凝结液珠的形状和凝结液膜的厚度。Yang等[10]对凝结液珠尺寸和凝结条纹尺寸进行定量分析，拟合得到了最大液珠直径和最大条纹宽度的计算公式。胡申华等[21]考虑了宏观温差和蒸气流速对Marangoni效应的影响，拟合得到非等温凝结表面上的最大液珠脱离半径经验公式。李杨[22]定量研究了竖直管外水-酒精混合蒸气Marangoni凝结过程中，最大脱离液珠半径和液珠尺寸分布规律。

Marangoni凝结中类珠状的凝结形态是由凝结液表面张力梯度所导致的，以上针对混合蒸气Marangoni凝结的研究都是针对竖直壁面或者水平管表面，凝结液表面张力梯度方向与重力作用方向相同，凝结形态均受到重力作用的影响，不能代表Marangoni凝结中仅受Marangoni效应影响的真实凝结形态。本文搭建了Marangoni凝结实验系统，设计了水平凝结表面，在该种表面上，凝结液表面张力梯度方向与重力作用方向垂直，所形成的凝结形态可以认为仅由Marangoni效应所影响。此外，Marangoni凝结和珠状凝结类似，其凝结过程是一个动态过程，在竖直凝结面上，存在着液珠的形成、长大、合并以及脱落过程。前人的研究大多将其视为准稳态过程，而未研究凝结瞬态过程中的凝结形态变化规律。因此，本文针对水平表面上水-酒精混合蒸气Marangoni凝结瞬态过程凝结形态规律开展研究。

1 Marangoni凝结实验系统及图像处理技术

图1为Marangoni凝结实验系统，系统主要由3部分组成：混合蒸气凝结循环系统、射流冷却循环系统以及辅助冷却循环系统。水-酒精混合蒸气由蒸气发生器产生，经上升管进入凝结室，在凝结室被射流冷却水冷却凝结，凝结液和尚未凝结的大多数蒸气进入辅助冷凝器中，残余混合蒸气在此完全凝结并冷却。最后，所有的凝结液流回至蒸气发生器完成主蒸气循环。由于凝结实验是在水平表面上进行的，凝结液不能自动脱离而聚集在凝结表面上，导致凝结发生一定时间后无法持续进行。因此，在凝结表面上设计了一个雨刷器来刷扫凝结面，使凝结能够持续进行。

图2为实验可视化系统。高速摄像机的型号是Phantom V611，固定在实验件正上方，镜头上安装光源，透过钢化玻璃对实验件上的凝结形态进行拍摄记录。

在珠状或者Marangoni凝结中，对于凝结液珠数量和尺寸的统计是凝结形态研究的重点，而前人[10-12,17-18]一般采用人工测量和统计的方式，该方法工作量大且存在主观因素，导致测量结果不确定度增加。2014年，Watanabe等[23]对水蒸气珠状凝结过程进行可视化研究时，采用环形光源作为拍摄光源，进行拍摄记录，取得了较好的效果。因此，本实验中也采用环形光源作为拍摄光源，采用高速摄像机对凝结形态进行观察记录，之后采用本课题组[24]提出的基于环形光源的凝结液珠边缘提取算法，对凝结液珠的边缘进行程序提取。该方法通过灰度阈值变换、Canny算子、区域填充及开运算得到边缘图像，对边缘图像调用连通域函数，得到液珠个数及液珠的光圈半径，最终转换计算得到液珠真实半径。

2 凝结形态随各影响因素的变化规律

在前人以及本文的实验过程中，发现酒精蒸气浓度、初始过冷度和蒸气流速这3个因素对凝结形态有较大的影响。本文将重点讨论以上3个因素对瞬态凝结过程中凝结形态的影响规律。

2.1 瞬态凝结过程凝结形态变化规律

如前所述，本实验系统凝结表面上装有雨刷器，为研究凝结形态的瞬态变化过程，雨刷在刷过凝结表面后保持不动。本文将雨刷恰好全部离开凝结表面的时刻定义为液珠成长的初始时刻，此时所对应的过冷度为初始过冷度。如无特别说明，本文提到的过冷度均为初始过冷度。

图3给出了水-酒精混合蒸气Marangoni凝结形态瞬态变化的典型过程。从图3(a)中可看到，初始时刻（=0 s）凝结面上开始有大量大小相近的小液珠生成，随后小液珠逐渐合并而变大，=0.6 s时凝结面出现较大的液珠，=2.8 s时大液珠已占据约1/4凝结面，随着液珠不断合并，至=10.6 s大液珠所占面积已超过凝结面的1/2，但此时仍然有大量小液珠，随着凝结的进行，整个凝结面在=22.9 s时几乎完全被液膜所占据，之后凝结形态基本保持不变。图3(b)为另外一个典型工况下的凝结形态变化过程，其液珠成长过程与图3(a)中规律相类似。此外，可以看出，混合蒸气凝结形态瞬态变化过程中，凝结开始后的某一时间段内液珠凝结形态变化剧烈，当液膜占据大部分凝结面后，其凝结形态基本维持不变。因此可以把这段时间定义为液珠成长时间，即凝结形态从开始变化剧烈至最终基本维持不变的时间。研究发现，在本文研究的实验工况范围内，凝结液珠的成长时间随实验工况变化范围较大，但其量级都为10 s左右。

2.2 初始过冷度对凝结形态的影响规律

以前的相关研究已经表明，凝结表面过冷度是影响凝结形态和凝结传热特性的主要因素。本实验在保持其他实验条件不变的情况下，缓慢改变射流冷却水温度，进而使得凝结表面的初始过冷度发生变化。

图4为凝结形态随初始过冷度的变化。从图中可以看出，在=0.05 s时，高初始过冷度（∆=30.4 K）工况下，凝结表面出现了膜状凝结与珠状凝结同时存在的现象，且液膜所占面积较大。随着初始过冷度降低（∆=26.2、13.7 K），液膜所占面积比例减小，小液珠数目开始增多。当初始过冷度继续降低到7.1 K以下时，所有凝结形态都表现为珠状凝结，凝结面被大量大小相近的小液珠所覆盖。

分析低过冷度工况（∆=4.7、5.9、7.1 K）凝结形态的变化可以发现，当=13 s时，∆=7.1 K工况下，液膜占据凝结面；随着过冷度降低，∆=5.9 K时，小液珠所占面积约为凝结面面积的1/5；∆=4.7 K时，1/3的凝结表面被小液珠覆盖，其余凝结面被大液珠所占据。分析其他时刻（=5、8 s）凝结形态的变化得到类似的结论。随着初始过冷度降低，液珠成长时间大约从13 s增加到20 s。因此，相同凝结时刻下，随着初始过冷度的降低，最大液珠半径越来越小，液珠成长时间增长，液珠长大速度变慢。在其他工况下凝结形态随初始过冷度的变化规律类似。

2.3 酒精蒸气浓度对凝结形态的影响规律

在混合蒸气凝结换热过程中，水-酒精混合物处于汽液相平衡状态。不同酒精蒸气浓度下，由浓度差引起的Marangoni对流强度不同，因此形成的非膜状凝结形态也必然存在较大的差别。

图5所示为水-酒精混合蒸气的凝结形态随酒精蒸气浓度的变化规律。从图中可以看出，当=15 s时，酒精蒸气浓度为0.5%工况下，最大液珠已经占据一半以上的凝结表面，而酒精蒸气浓度为5%工况的最大液珠还较小。分析其他时刻，液珠大小随酒精蒸气浓度的变化，得到相同的结论：同一凝结时刻下，随着酒精蒸气浓度从0.5%增加到5%，最大液珠所占面积基本呈现减小的趋势。研究不同酒精蒸气浓度下液珠的成长时间，可以发现：随着酒精蒸气浓度增高，液珠成长时间约由15 s增加到25 s。其他工况下凝结形态随酒精蒸气浓度的变化规律类似。总的来看，酒精蒸气浓度越高，液珠成长时间越长，液珠成长速度越慢。

2.4 蒸气流速对凝结形态的影响规律

蒸气流速的变化导致凝结液表面受到的蒸气剪切力发生变化，最终可能使凝结形态发生变化。因此，有必要研究不同蒸气流速下凝结形态的变化。

图6所示是水-酒精混合蒸气凝结形态随蒸气流速的变化。从图中可以看出，=10 s时，不同蒸气流速对应的凝结表面右侧均有较大液珠；=20 s时，一半以上的凝结表面被大液膜覆盖。对比其他时刻的凝结形态也可以看出，相比于初始过冷度和酒精蒸气浓度，蒸气流速对凝结形态的影响并不明显。

图6 凝结形态随蒸气流速的变化（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 最大液珠半径变化规律

最大液珠半径是定量表征凝结形态的重要参数之一。通过图像边缘提取技术，对水-酒精混合蒸气Marangoni凝结中的最大液珠半径进行了定量统计。

图7所示是最大液珠半径与凝结形态的对应关系。从图中可以看出，随着凝结的进行，凝结液珠由小变大，直至形成大液膜，凝结形态不再发生显著变化。在此过程中，最大液珠半径max逐渐增大，初始时刻（=0 s）最大液珠半径约为2 mm，当大液膜覆盖大部分凝结表面，最大液珠半径的数量级达到10 mm。此外，从图中还可以看出，随着液珠的长大，其形状不再是近似圆形，而是呈现不规则的形状。对于不规则液珠的半径，本文将其用等面积的圆形液珠的半径来代替。

图8给出了最大液珠半径随初始过冷度的变化规律。分析=3 s时最大液珠半径的变化，可以发现，过冷度为7.1、5.9 K时，最大液珠半径分别约为9.3和9.1 mm，过冷度为4.7、3.2及2.2 K时，最大液珠半径分别约为7.5、6.3及4.7 mm。可以看出，最大液珠半径随初始过冷度的变化而发生改变，随着初始过冷度降低，最大液珠半径逐渐减小。

图9所示为最大液珠半径随酒精蒸气浓度的变化规律。从图中可以看出，凝结时刻=2 s时，酒精蒸气浓度为0.5%工况下，最大液珠半径约为6.5 mm；酒精蒸气浓度为1%时，最大液珠半径约为5.3 mm；酒精蒸气浓度为2%和5%工况所对应的最大液珠半径分别约为3.2和1.7 mm。酒精蒸气浓度对最大液珠半径的影响较大；同一凝结时刻，随着酒精蒸气浓度的增加，最大液珠半径逐渐减小。

图10所示为最大液珠半径随蒸气流速的变化规律。从图中可以看出，在液珠生长的前3 s左右的时间内，不同蒸气流速下，最大液珠半径随凝结时间的变化规律基本一致。而且，当蒸气流速继续增大到4 m·s-1时，最大液珠半径随着凝结的进行有一定程度的波动。对照其凝结形态可知，这是因为蒸气流速较大时，凝结液珠脱离凝结表面，而原位置处又有新的液珠生成，如此往复。

4 结 论

设计搭建了水平表面上凝结实验系统，针对水-酒精混合蒸气Marangoni凝结开展可视化研究，利用高速摄像机观察记录凝结形态，采用图像边缘提取技术对凝结图像进行处理，研究了初始过冷度、酒精蒸气浓度及蒸气流速对Marangoni瞬态凝结过程的凝结形态和最大液珠半径的影响，得到以下结论。

（1）在凝结形态瞬态变化过程中，凝结开始的一段时间内凝结形态变化剧烈，凝结液珠经历形成、合并及逐渐长大的过程，最终形成大的液膜并基本保持不变。液珠成长时间的数量级约为10 s。

（2）凝结初始阶段，过冷度较高时，凝结表面出现膜状凝结与珠状凝结同时存在的现象，且液膜所占面积较大；随着过冷度降低，液膜所占面积比例减小，小液珠数目开始增多；过冷度继续降低，凝结面就会被大量大小相近的小液珠所覆盖。随着初始过冷度降低，酒精蒸气浓度增加，液珠成长时间变长，液珠成长速度变慢。相比之下，蒸气流速对液珠的成长过程影响不明显。

（3）随着凝结进行，最大液珠半径逐渐增大，初始时刻最大液珠半径约为2 mm，当凝结形态不再发生显著变化时，最大液珠半径达到10 mm的数量级。同一凝结时刻，随着初始过冷度增加、酒精蒸气浓度降低，最大液珠半径逐渐增大。

符 号 说 明

p——蒸气压力，kPa r,rmax——分别为液珠真实半径、最大液珠半径，mm ∆T——初始过冷度，K t——凝结时间，s U——蒸气流速，m·s-1 we∞——酒精蒸气质量分数，%

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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

国家重点基础研究发展计划项目（2015CB251504）；国家自然科学基金项目（51436006，U1261210）。

2016-01-08收到初稿，2016-06-01收到修改稿。

联系人：王进仕。第一作者：陈娜娜（1989—），女，硕士，助理工程师。