李天宇, 黃冰瑤, 廉天佑, 李松陽(yáng), 李玉陽(yáng),*

(1. 上海交通大學(xué) 動(dòng)力工程與機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240; 2. 中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司, 上海 200241)

0 引 言

液膜現(xiàn)象廣泛存在于自然界和多種工業(yè)過(guò)程中，如噴涂[1]、燃油霧化[2]、換熱冷卻[3]、潤(rùn)滑[4]以及流體輸送[5]等。對(duì)液膜厚度的測(cè)量加深了人們對(duì)這些工業(yè)過(guò)程的認(rèn)識(shí)，為工程裝置的改進(jìn)和優(yōu)化提供幫助。特別是在內(nèi)燃機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃油霧化通常會(huì)形成亞毫米量級(jí)乃至微米量級(jí)的薄層液膜，內(nèi)燃機(jī)中附壁油膜燃燒產(chǎn)生的池火會(huì)導(dǎo)致污染物排放增加[6-7]，而航空發(fā)動(dòng)機(jī)中形成的高速運(yùn)動(dòng)液膜會(huì)顯著影響燃油的初始破碎[8-9]。因此對(duì)液膜厚度的精確測(cè)量能夠促進(jìn)燃油霧化機(jī)理研究的發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有重要意義。

經(jīng)過(guò)多年的研究，針對(duì)液膜厚度的測(cè)量已經(jīng)發(fā)展出了多種方法，其中一些方法由于存在一定的問(wèn)題，目前已鮮有使用。例如，Hughmark和Pressburg[10]早在1961年就使用閥門截取一段流動(dòng)管道中的液體，進(jìn)行稱重并計(jì)算出該段管道中的液膜平均厚度，但該方法不夠精細(xì)，測(cè)量誤差較大，目前已經(jīng)不再使用。利用β射線衰減，Cravarolo等[11]于1961年測(cè)量了圓管中的液膜厚度，但由于成本高昂和輻射問(wèn)題，現(xiàn)該方法同樣不再使用。隨著電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前主要的薄層液膜厚度測(cè)量方法均基于這兩種技術(shù)，分為電測(cè)法和光測(cè)法兩大類。而基于空間測(cè)量范圍，則可分為點(diǎn)測(cè)量方法和空間測(cè)量方法，其中點(diǎn)測(cè)量方法僅能獲取單點(diǎn)的液膜厚度，而空間測(cè)量方法可以在單次測(cè)量中獲取測(cè)量區(qū)域內(nèi)的多點(diǎn)或連續(xù)液膜分布情況。針對(duì)液膜厚度測(cè)量方法，目前已有較多的綜述工作。Clark[12]總結(jié)了多種液膜厚度測(cè)量方法，并按照測(cè)量點(diǎn)尺寸和數(shù)量進(jìn)行了分類，包括平均測(cè)量法、局部測(cè)量法、點(diǎn)測(cè)量法和空間測(cè)量法。其中平均測(cè)量法和局部測(cè)量法僅能獲取整體或較大區(qū)域內(nèi)的平均液膜厚度，空間分辨率很低，目前應(yīng)用很少，本文不作介紹。Pena和Rodriguez[13]總結(jié)了絲網(wǎng)傳感器法在多相流測(cè)量中的應(yīng)用。Riano等[14-15]總結(jié)了平面電極矩陣法在液膜厚度測(cè)量中的應(yīng)用。Tibirica等[16]總結(jié)了微尺度管道中液膜厚度測(cè)量方法，并推薦了無(wú)侵入的光測(cè)法。Ruttinger等[17]總結(jié)了激光誘導(dǎo)熒光法在多相流中氣液邊界層測(cè)量中的應(yīng)用。

本文對(duì)薄層液膜厚度測(cè)量中的主要點(diǎn)測(cè)量方法和空間測(cè)量方法進(jìn)行了綜述，介紹了各方法的基本原理和最新進(jìn)展。其中，第一部分介紹點(diǎn)測(cè)量方法中的電測(cè)法和全內(nèi)反射(TIR)法，第二部分介紹空間測(cè)量方法中的電測(cè)法、熒光強(qiáng)度法和平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)法，最后進(jìn)行了總結(jié)與展望。

1 點(diǎn)測(cè)量方法

對(duì)于單個(gè)位置的薄層液膜厚度測(cè)量，前人已經(jīng)發(fā)展了多種方法。根據(jù)其測(cè)量原理，主要可分為電測(cè)法和光測(cè)法。電測(cè)法的測(cè)量裝置中包含一對(duì)相距一定距離的電極，利用電極對(duì)之間電容或電導(dǎo)與液膜厚度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)液膜厚度的測(cè)量。電測(cè)法包括電容法和電導(dǎo)法，由于二者原理相近，本文不分開(kāi)介紹。光測(cè)法利用光的反射、散射、干涉、吸收等特性進(jìn)行測(cè)量，具體方法較多，原理也有較大差異。限于篇幅，本文僅對(duì)目前應(yīng)用較多的TIR法進(jìn)行介紹，而應(yīng)用較少的方法，如熒光法[18-19]、干涉法[20-23]、光衰減法[24-25]、光纖法[26-29]、光影法[30-32]以及激光散射法[33-34]等，本文中不再詳述。

1.1 電測(cè)法

電測(cè)法中，電極對(duì)被安裝于一個(gè)電路內(nèi)，由于液體和氣體的介電常數(shù)和導(dǎo)電系數(shù)通常存在顯著的差異，會(huì)影響電極對(duì)之間的電場(chǎng)，因此回路中的電流會(huì)隨著液膜厚度的變化而變化。電流經(jīng)過(guò)放大器放大后被檢測(cè)器接收，而電流強(qiáng)度與液膜厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系需要通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)進(jìn)行確定，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)液膜厚度的測(cè)量。在電測(cè)法中，電導(dǎo)法需要液體具有導(dǎo)電性，實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)添加NaCl等電解質(zhì)增強(qiáng)其導(dǎo)電性，但電解質(zhì)的添加會(huì)對(duì)液體物性產(chǎn)生影響；而電容法則適用于不可導(dǎo)電的液體。早在1952年，Dukler[35]就利用電容法對(duì)豎直平板上的下落液膜厚度進(jìn)行了測(cè)量。由于電測(cè)法具有操作簡(jiǎn)單、成本低、采樣率高等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)發(fā)展成為一種被廣泛應(yīng)用的液膜厚度測(cè)量方法[13-14]。

電極對(duì)的形式、尺寸、間距等參數(shù)對(duì)電測(cè)法的測(cè)量精度與測(cè)量范圍均有著顯著的影響[15]。如圖1所示，根據(jù)電極是否侵入流場(chǎng)之中，可以將電極對(duì)分為3種形式，分別為嵌入式電極、雙平行式電極和插入式電極。嵌入式電極將電極對(duì)安裝于待測(cè)壁面，要求壁面為絕緣材料，其理想情況是電極表面和壁面等高，不會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)。如果電極表面與壁面不等高，則會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，同時(shí)液膜厚度測(cè)量結(jié)果也會(huì)存在偏差[36]。嵌入式電極通常包括發(fā)射極、接受極和接地極，其中接地極電位保持為零，防止不同電極對(duì)之間產(chǎn)生串?dāng)_。研究中，所采用的電極對(duì)包括多種形狀，如平行帶電極[36-38]、同心圈電極[39-40]和環(huán)狀電極[41-43]等。為了研究電極對(duì)形狀對(duì)液膜厚度測(cè)量范圍、靈敏度、測(cè)量點(diǎn)尺寸以及響應(yīng)線性度的影響，Riano等[15]計(jì)算了不同形狀電極產(chǎn)生的電場(chǎng)，并利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，其中所采用的電極具體形狀如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明，圖2(e)中所示電極形狀針對(duì)以上4個(gè)參數(shù)的綜合表現(xiàn)最好。由于嵌入式電極位于液膜底部，測(cè)量范圍受到電極間距限制，當(dāng)液膜厚度大于電極間距時(shí)，其信號(hào)將達(dá)到飽和，造成較大測(cè)量偏差[44]。

圖1 不同的電極對(duì)形式示意圖

圖2 不同形狀的嵌入式電極，其中藍(lán)色表示發(fā)射極，紫色表示接受極，黑色表示接地極(基于文獻(xiàn)[15]中的示意圖重新作圖)

Fig.2 Various geometries of flush-mounted electrodes. The blue, purple and black ones denote transmitter, receiver and ground electrode, respectively (Redrawn based on the schematic diagram of Ref.[15])

雙平行式電極通常使用鉑、銠等貴金屬絲。實(shí)驗(yàn)時(shí)將金屬絲一端固定于絕緣壁面，另一端施加一定拉力以避免金屬絲彎曲[45]。相比于嵌入式電極的尺寸，金屬絲直徑更小，一般不超過(guò)100 μm，因此雙平行式電極可以獲得更高的空間精度，但過(guò)細(xì)的金屬絲將導(dǎo)致電極對(duì)的靈敏度過(guò)低[12]。雙平行式電極存在難以避免的缺點(diǎn)，即在測(cè)量中金屬絲會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾。Koskie等[45]的研究結(jié)果表明，液體流過(guò)金屬絲后會(huì)形成尾跡，同時(shí)金屬絲也會(huì)發(fā)生振動(dòng)，形成噪聲，從而降低信噪比。因此對(duì)于特定直徑的金屬絲，需要避開(kāi)特定的雷諾數(shù)，防止金屬絲發(fā)生共振，但也可以通過(guò)調(diào)節(jié)金屬絲的張力以改善共振特性。此外，對(duì)于表面存在波形的液膜，波峰流過(guò)金屬絲后，金屬絲表面會(huì)有殘余的液體，導(dǎo)致液膜厚度測(cè)量結(jié)果偏高，因此難以做到對(duì)液膜厚度的瞬態(tài)測(cè)量[46]。如果不將金屬絲一端固定于壁面，可以降低對(duì)液膜底部的擾動(dòng)，但是需要選擇強(qiáng)度更高和直徑更大的金屬絲，如Wang等[47]選擇了直徑0.5 mm的鎢錸合金絲，但直徑較大的金屬絲限制了液膜厚度的測(cè)量范圍，僅適用于60 μm以上的液膜。為了減弱液體在金屬絲表面的吸附，可以在金屬絲表面鍍一層疏水材料，以降低液膜厚度測(cè)量誤差。

插入式電極將嵌入式電極和雙平行式電極相結(jié)合，其目的是規(guī)避前2種電極的不足[48]。相比于嵌入式電極，插入式電極可以方便地更改電極插入深度，因此可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的液膜厚度測(cè)量。相比于雙平行式電極，單根電極的插入會(huì)降低對(duì)液膜的擾動(dòng)，同時(shí)由于另一部分電極位于液膜底部，由表面張力和粘度引起的液體吸附所造成的誤差也會(huì)降低。但是由于插入式電極一端懸空，在高速流場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此并不適用于高速流場(chǎng)中液膜厚度的測(cè)量。

電容法中發(fā)射極需要選用交流電源，通常情況下，接受極的信號(hào)比較微弱，需要經(jīng)過(guò)放大電路放大后再利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后被記錄與保存。此外，電極浸入液體后會(huì)受到電雙層效應(yīng)的影響，降低測(cè)量精度。為了削弱電雙層效應(yīng)，需要使用頻率不低于50～100 kHz的交流電源[44]。在電導(dǎo)法中也可以選用直流電源，F(xiàn)ukano[49]的研究結(jié)果表明直流電源在較薄的液膜厚度測(cè)量中具有很高的靈敏度。

標(biāo)定過(guò)程在液膜厚度的測(cè)量中至關(guān)重要，該過(guò)程中產(chǎn)生的誤差將嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的精度。目前主流的標(biāo)定方法是生成不同的已知厚度的液膜，測(cè)量液膜所產(chǎn)生的信號(hào)，得到信號(hào)強(qiáng)度隨液膜厚度的變化曲線，最后利用該曲線對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，以計(jì)算出液膜厚度。特定厚度的液膜可以通過(guò)多種方式生成，Thiele等[36]在平整壁面上放置一塊平板，并把平板一側(cè)使用已知高度的墊塊撐起，從而生成一個(gè)漸變厚度液膜。由于不同位置處液膜厚度不同，嵌入式電極表面液膜厚度并不均一，因此只能獲得電極位置處平均厚度的標(biāo)定結(jié)果，同時(shí)電極對(duì)位置的精確度也直接影響標(biāo)定結(jié)果的精度。對(duì)于圓管內(nèi)液膜厚度的標(biāo)定，一種方法是通過(guò)向固定直徑的圓管中心插入不同直徑的圓棒，在圓棒外壁和圓管內(nèi)壁之間生成特定厚度的液膜[50]。另一種方法是在圓筒中插入一個(gè)不同心的圓棒，該圓棒可繞圓筒中心旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變圓棒的旋轉(zhuǎn)角度可以在特定位置獲得不同厚度的液膜。對(duì)于雙平行式電極和插入式電極，可以利用Koskie等[45]提出的方法，其中一個(gè)電極可在步進(jìn)電機(jī)的控制下沿豎直方向移動(dòng)，另一個(gè)電極保持不動(dòng)。移動(dòng)第一個(gè)電極，使其剛剛接觸液膜表面，記錄此時(shí)的輸出結(jié)果，然后改變液膜厚度，重復(fù)此步驟即可獲得完整的標(biāo)定結(jié)果。由于該標(biāo)定方法能夠很好地模擬測(cè)量過(guò)程，因此其標(biāo)定結(jié)果中包含了液體吸附的影響，可以有效降低由液體吸附引起的液膜厚度測(cè)量誤差。

1.2 全內(nèi)反射法

光由光密介質(zhì)傳播至光疏介質(zhì)中時(shí)，如果入射角大于臨界角，就會(huì)發(fā)生全反射。利用光的全反射原理，Hurlburt和Newell[51]發(fā)展了TIR法用于測(cè)量液膜厚度，其原理如圖3所示。TIR法成本低廉，應(yīng)用方便，對(duì)流場(chǎng)無(wú)擾動(dòng)，同時(shí)具有很高的采樣頻率。該方法中，激光被用作光源，壁面為透明材料，同時(shí)在外側(cè)噴涂白色噴漆，使激光在壁面發(fā)散，形成點(diǎn)光源。根據(jù)菲涅爾公式，反射光的強(qiáng)度在入射角逼近臨界角的過(guò)程中會(huì)急劇增大，直至發(fā)生全反射。圖4展示了Kiura等[52]利用TIR法拍攝的光斑形態(tài)，圖中用黑色虛線展示了全反射發(fā)生的位置，可知在發(fā)生全反射之前(黑色虛線內(nèi))，反射光強(qiáng)度很低，在壁面形成的光斑亮度較低。發(fā)生全反射時(shí)，底面上的光斑亮度會(huì)顯著增大，形成亮度較高的光圈。根據(jù)光圈的位置可推算出液膜厚度，如圖3所示，R為光圈的半徑，R0為液膜厚度為0時(shí)光圈的半徑,hL為液膜厚度，hW為壁面厚度，θc為臨界角，θ為壁面中折射角,則有：

R=R0+2hLtanθc

(1)

R0=2hWtanθ

(2)

圖3 全內(nèi)反射法測(cè)量液膜厚度原理示意圖(基于文獻(xiàn)[51]中的示意圖重新作圖)

Fig.3 Schematic diagram of total internal reflection method for liquid film thickness measurement(Redrawn based on the schematic diagram of Ref.[51])

可知在壁面厚度一定的情況下，光圈半徑只和液膜厚度有關(guān)，且隨著液膜厚度的增加線性增大。為了驗(yàn)證該方法的可靠性，Hurlburt和Newell[51]將TIR法用于5～12 mm的液膜厚度測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與卡尺的測(cè)量結(jié)果相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者之間的偏差低于1%。

如果壁面和液膜的折射率已知，TIR法并不需要開(kāi)展標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，可直接由光圈的直徑計(jì)算出液膜厚度，但是不準(zhǔn)確的折射率將給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大的誤差。Shedd和Newell[53]對(duì)TIR法進(jìn)行了發(fā)展，實(shí)驗(yàn)中使用LED燈代替激光作為光源，極大降低了成本，并在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)無(wú)液膜情況以及不同的已知厚度液膜的測(cè)量，計(jì)算出壁面和液膜的折射率，從而提高液膜厚度的測(cè)量精度。Shedd和Newell還對(duì)圖像的處理算法，尤其是光圈位置的判斷方法進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)任意一張由CCD相機(jī)拍攝的光斑圖像，首先從光斑中心沿半徑方向選取一條線，獲取光強(qiáng)沿該方向的變化曲線。對(duì)于該曲線，需要提高信噪比并利用低通濾波消除噪點(diǎn)，使光強(qiáng)曲線平滑化。然后對(duì)該光強(qiáng)曲線求導(dǎo)，獲取不同位置處的光強(qiáng)變化強(qiáng)度，光強(qiáng)變化最強(qiáng)的位置即被定義為全反射發(fā)生的位置。沿不同半徑方向重復(fù)以上平滑化和求導(dǎo)過(guò)程，可獲取不同方向上全反射發(fā)生位置，進(jìn)行圓擬合后即可確定光圈的直徑。為了校驗(yàn)TIR法在較小厚度液膜測(cè)量中的適用性，Shedd和Newell利用TIR法和探針?lè)ǚ謩e測(cè)量了多個(gè)厚度在3 mm以下的液膜厚度，發(fā)現(xiàn)2種方法的測(cè)量結(jié)果偏差低于2.2%。

圖4 利用全內(nèi)反射法拍攝的光圈形態(tài)[52]

由公式(2)可知，R0與壁面厚度有關(guān)，并決定了測(cè)量點(diǎn)的空間大小。如果壁面過(guò)厚，測(cè)量結(jié)果將是很大空間范圍內(nèi)的平均結(jié)果。為了提高空間精度，Kabadin等[54-56]將光源置于液膜上方，可忽略壁面厚度對(duì)測(cè)量點(diǎn)大小的影響。此外，將光源在待測(cè)量區(qū)域內(nèi)陣列分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的同時(shí)測(cè)量，獲取液膜厚度的空間分布信息[54]。由于TIR法依賴于液膜和氣體界面處的全反射，因此僅僅適用于表面波動(dòng)較弱的液膜的厚度測(cè)量，一般認(rèn)為待測(cè)液膜表面傾斜角度需小于5°[51,53]。根據(jù)Paras和Karabelas[57]對(duì)內(nèi)徑50.8 mm圓管中液膜表面波動(dòng)的測(cè)量結(jié)果，液膜表面傾斜角度均不超過(guò)3°，且隨著氣流和液膜速度的增加會(huì)逐漸減小。因此TIR法已被廣泛應(yīng)用于不同環(huán)境中的液膜厚度測(cè)量，如噴霧冷卻[58]、橫噴液霧[52,59]和管流[60-61]等。

2 空間測(cè)量方法

點(diǎn)測(cè)量方法僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)位置的薄層液膜厚度測(cè)量，如果需要測(cè)量空間中不同位置處的薄層液膜厚度，可以通過(guò)移動(dòng)測(cè)量點(diǎn)對(duì)空間進(jìn)行掃描，或者是設(shè)置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，從而發(fā)展為空間測(cè)量方法。和點(diǎn)測(cè)量方法類似，現(xiàn)有的空間測(cè)量方法也主要包括電測(cè)法與光測(cè)法。在電測(cè)法中，將一系列電極對(duì)組成陣列即可實(shí)現(xiàn)空間測(cè)量，這就是電極矩陣法；另外，絲網(wǎng)傳感器法由于安裝方便和成本低廉也得到了廣泛應(yīng)用。本文將在電測(cè)法中對(duì)上述方法進(jìn)行介紹。在光測(cè)法中，熒光法由于對(duì)流場(chǎng)無(wú)擾動(dòng)、時(shí)間和空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)得到了深入發(fā)展，本文將對(duì)熒光強(qiáng)度法與PLIF法進(jìn)行介紹。對(duì)于其他空間測(cè)量光學(xué)方法，如折射率匹配法(RIM)[62-67]等，本文不展開(kāi)分析。

2.1 電測(cè)法

空間測(cè)量方法中的電測(cè)法和點(diǎn)測(cè)量中電測(cè)法的基本原理相同，均是利用液膜對(duì)電極對(duì)之間電容或電阻的影響進(jìn)行測(cè)量。在空間測(cè)量中，會(huì)同時(shí)設(shè)置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)之間以一定的電路進(jìn)行連接。在測(cè)量中，會(huì)利用模擬開(kāi)關(guān)聯(lián)通電源和不同的測(cè)量點(diǎn)，從而獲取不同位置處的液膜厚度測(cè)量結(jié)果。根據(jù)電極的分布形式，可分為發(fā)射極和接受極位于同一平面的電極矩陣法和位于2個(gè)不同平面的絲網(wǎng)傳感器法。

在電極矩陣法方面，Thiele等[36]將電容矩陣用于測(cè)量液膜厚度的空間分布，圖5展示了測(cè)量系統(tǒng)示意圖。電極對(duì)利用印刷電路板技術(shù)加工，在96×64 cm2的區(qū)域內(nèi)均勻分布有32×32對(duì)電極。為了減弱電化學(xué)效應(yīng)，在電極表面進(jìn)行鍍金處理。對(duì)于接受極，在電路板正面將每列電極進(jìn)行連接；而對(duì)于發(fā)射極，則需要在電路板背面將每行電極進(jìn)行連接。Thiele等采用的電源波形為正弦波，頻率為5 MHz，電源通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)和發(fā)射極連接。工作時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)每次僅會(huì)接通電源和其中一行發(fā)射極，而將其他發(fā)射極全部接地。32個(gè)接受極分別連接讀出電路，將交流信號(hào)經(jīng)過(guò)放大并轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)后傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(通道數(shù)64，單通道采樣率1 MHz)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要參數(shù)為通道數(shù)、采樣率、分辨率和輸出方式，分別決定了模數(shù)轉(zhuǎn)換器可同時(shí)采集的信號(hào)數(shù)量、頻率、轉(zhuǎn)換精度以及單次采集時(shí)間。在數(shù)據(jù)記錄儀處理并記錄了所有讀出電路的信號(hào)后，模擬開(kāi)關(guān)會(huì)斷開(kāi)當(dāng)前發(fā)射極與電源的連接并將其接地，隨后會(huì)接通電源與下一行發(fā)射極。通過(guò)將電源和不同發(fā)射極相連接，同時(shí)記錄接受極的輸出信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的掃描。為了確定所使用電極的響應(yīng)時(shí)間，Thiele等測(cè)量了讀出電路輸出電壓隨時(shí)間的變化，結(jié)果表明響應(yīng)時(shí)間約為2.04 μs。因此，對(duì)于32×32的電極矩陣，每秒鐘最大成像數(shù)量高達(dá)15 000張。

圖5 基于平面電容矩陣的電極矩陣法測(cè)量系統(tǒng)示意圖(基于文獻(xiàn)[36]中的示意圖重新作圖)

Fig.5 Schematic diagram of the measurement system for the electrode matrix method based on the capacitance planar sensor system(Redrawn based on the schematic diagram of Ref.[36])

采用與Thiele等相似的電極和電路，Silva等[68]利用電導(dǎo)原理測(cè)量了豎直方管內(nèi)NaCl水溶液的液膜厚度。電極也是采用印刷電路板技術(shù)加工，在620×500 mm2區(qū)域內(nèi)均勻分布有64×64對(duì)電極，相對(duì)于電容矩陣，電導(dǎo)矩陣在液膜厚度較薄時(shí)具有更高的靈敏度。但是對(duì)于油水混合物，在測(cè)量壁面處于水平位置時(shí)，油可能會(huì)預(yù)先附著在電極表面，使得電導(dǎo)矩陣的測(cè)量結(jié)果有很大偏差，因此每次測(cè)量前都需要清理電極表面[41]。不同于點(diǎn)測(cè)量，在空間測(cè)量中電極對(duì)之間會(huì)發(fā)生串?dāng)_，從而對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響[69]。Damsohn等[42-43,70-73]研究了電極形狀對(duì)發(fā)生串?dāng)_以及測(cè)量精度的影響。其中，第一種電極如圖2(e)所示，每對(duì)電極尺寸為2×2 mm2，第二種電極如圖6所示，每對(duì)電極尺寸為3.12×3.12 mm2。結(jié)果表明第一種電極的串?dāng)_低于3%，而第二種電極的串?dāng)_低于0.5%。此外，第一種電極可以精細(xì)地測(cè)量液膜的表面波，但是在較薄液膜厚度下的測(cè)量靈敏度較低；而第二種電極在較薄液膜厚度下的測(cè)量靈敏度較高，但是測(cè)量表面波的能力較弱。因此如果待測(cè)液膜厚度小于100 μm，使用第二種電極更為合適，而當(dāng)待測(cè)液膜厚度大于100 μm時(shí)，則選用第一種電極測(cè)量效果更好。

圖6 平面電極形狀示意圖(基于文獻(xiàn)[70]中的示意圖重新作圖)

Fig.6 Schematic diagram of the geometry of planar electrodes (Redrawn based on the schematic diagram of Ref.[70])

由于普通印刷電路板利用蝕刻加工，基板材料為環(huán)氧樹(shù)脂等材料，銅皮厚度一般為35、50或70 μm，因此電極部分相對(duì)于基板會(huì)突出一定高度。為了增加電路板表面的平整度，可以采用陶瓷基板，其中銅皮是在高溫下被直接鍵合到陶瓷基片表面，因此銅皮厚度最小可低至10 μm，且工作溫度可高達(dá)1000 K。但是目前陶瓷基板可生產(chǎn)的最大尺寸遠(yuǎn)小于環(huán)氧樹(shù)脂基板，同時(shí)加工成本較高。利用光刻技術(shù)，Huang等[74]發(fā)展了微型電極，并將其應(yīng)用于液膜厚度測(cè)量。其中電極的加工分為多個(gè)步驟：首先在晶片上生長(zhǎng)540 nm厚的二氧化硅，用作絕緣層；隨后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)烘膠處理，將1.6 μm厚的光刻膠附著于二氧化硅層之上，并將光刻膠在紫外光下對(duì)準(zhǔn)和曝光后再進(jìn)行烘焙和顯影處理，然后利用電子束物理氣相沉積技術(shù)即可在基片上形成200 nm厚的金膜和10 nm厚的鉻膜；之后利用丙酮將光刻膠剝離后即可獲得電極矩陣，最后重復(fù)以上的旋轉(zhuǎn)烘膠、對(duì)準(zhǔn)曝光和烘焙步驟后，可以在電極矩陣之間生成1 μm厚的絕緣層。利用該方法得到的電極和基板之間的高度差僅為800 nm，同時(shí)電極尺寸更小，可達(dá)到0.5×2.0 mm2。由于電極之間的距離較小，因此該方法可用于小于83 μm的超薄液膜厚度測(cè)量，同時(shí)測(cè)量精度也能夠優(yōu)于0.5 μm。

此外，電極矩陣法中使用了多對(duì)電極，在實(shí)際加工過(guò)程中，各電極對(duì)的尺寸會(huì)存在差異，測(cè)量結(jié)果顯示，同一矩陣內(nèi)的不同電極對(duì)在相同液膜厚度的測(cè)量結(jié)果上相差可能超過(guò)50%[36,68]。因此在電極矩陣的標(biāo)定過(guò)程中，需要對(duì)各電極對(duì)分別進(jìn)行標(biāo)定。

電極矩陣法可以實(shí)現(xiàn)壁面液膜厚度的直接測(cè)量，而絲網(wǎng)傳感器法通過(guò)測(cè)量液體在流道內(nèi)的分布，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液膜厚度的間接測(cè)量，并具有更加簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)[75-78]。利用插入式鉑絲網(wǎng)，Sekoguchi等[79-81]測(cè)量了管流中液膜分布情況。所使用的絲網(wǎng)由直徑0.1 mm的鉑絲組成，固定于厚度為0.1 mm的不銹鋼片上方，絲網(wǎng)大部分區(qū)域覆蓋絕緣層，和不銹鋼片之間相互絕緣，鉑絲的尖端未覆蓋絕緣層，形成電極。當(dāng)待測(cè)電極位置處存在液體時(shí)，鉑絲尖端和不銹鋼片之間可以導(dǎo)電，因此可以根據(jù)輸出電流判斷該電極處是否存在液體。整個(gè)絲網(wǎng)上共有409個(gè)測(cè)量點(diǎn)，將圓管內(nèi)均勻分割為面積相同的區(qū)域。對(duì)所有電極進(jìn)行測(cè)量后，即可得到液體在管道內(nèi)的分布情況，也可以獲得不同壁面位置處的液膜厚度。

在插入式電極矩陣的基礎(chǔ)上，絲網(wǎng)傳感器法將電極形式進(jìn)一步簡(jiǎn)化，利用交叉布置的金屬絲實(shí)現(xiàn)液體分布的測(cè)量。Da Silva等[82]發(fā)展了基于電容原理的絲網(wǎng)傳感器，并將其應(yīng)用于亞克力管中油/水兩相流的測(cè)量。圖7展示了測(cè)量系統(tǒng)示意圖，絲網(wǎng)傳感器包含了2層不銹鋼金屬絲，安裝于方形亞克力管中，金屬絲的安裝平面與流動(dòng)方向垂直，2層金屬絲之間相距1.5 mm，其中一層為發(fā)射極，另一層為接受極。每層金屬絲為16根，直徑為0.12 mm，間距為3.12 mm。絲網(wǎng)傳感器電路部分和電極矩陣相似，均是利用模擬開(kāi)關(guān)、信號(hào)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的記錄和測(cè)量點(diǎn)的遍歷。如果待測(cè)量腔體較為扁平，即2個(gè)壁面的間距遠(yuǎn)小于壁面的尺寸，則可將電極緊貼于這兩個(gè)壁面，并可以將金屬絲替換為金屬片，同時(shí)在金屬片之間安裝接地極，以提高測(cè)量的靈敏度[83]。

圖7 絲網(wǎng)傳感器法測(cè)量系統(tǒng)示意圖(基于文獻(xiàn)[82]中的示意圖重新作圖)

Fig.7 Schematic diagram of the measurement system for the wire-mesh method(Redrawn based on the schematic diagram of Ref.[82])

沿管道軸線方向觀察時(shí)，絲網(wǎng)傳感器的2層金屬絲互相交叉，形成多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。一般認(rèn)為特定測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量區(qū)域?yàn)榫匦危摼匦螀^(qū)域以交叉點(diǎn)為中心，邊長(zhǎng)為金屬絲之間的間距[84-85]。不同于壁面電極矩陣可以設(shè)置接地極，絲網(wǎng)傳感器僅有發(fā)射極和接受極，因此當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理時(shí)，絲網(wǎng)傳感器法的測(cè)量精度會(huì)受到嚴(yán)重影響。Cui等[86]利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了絲網(wǎng)傳感器的軟場(chǎng)效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度的影響，并發(fā)展了由測(cè)量信號(hào)到實(shí)際液體分布的反演算法。在反演算法中，引入了點(diǎn)擴(kuò)散方程，表示圖像系統(tǒng)對(duì)一個(gè)點(diǎn)對(duì)象的響應(yīng)程度[87-88]。利用盲解卷積算法，點(diǎn)擴(kuò)散方程在每次迭代過(guò)程中均會(huì)更新，可以提高算法的適用性。但是反演算法會(huì)犧牲測(cè)量的空間精度，計(jì)算出的液體分布的點(diǎn)數(shù)量會(huì)低于實(shí)際測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量。此外，減小2層金屬絲之間的距離，可以提高絲網(wǎng)傳感器法的測(cè)量精度[86]。

總體而言，電極矩陣法中采用的電極矩陣會(huì)對(duì)液體在壁面的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干擾，因此較為適用于液膜較厚或液膜運(yùn)動(dòng)速度較低的條件。使用非常薄的電極可以降低液膜的干擾，使電極矩陣法有可能應(yīng)用于高速薄層液膜厚度的測(cè)量。絲網(wǎng)傳感器法雖然成本較低，操作簡(jiǎn)便，但是容易對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的干擾，因此適用于低速流動(dòng)條件下氣液混合物的管道內(nèi)分布以及較厚液膜的測(cè)量，并不適用于流速較高的工況。此外，目前廣泛采用的模擬開(kāi)關(guān)控制測(cè)量位點(diǎn)的方法也限制了電測(cè)法在高速液膜厚度分布測(cè)量中的應(yīng)用，這是由于不同測(cè)量位點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間存在差異，如在這一小段時(shí)間內(nèi)液膜運(yùn)動(dòng)距離和測(cè)量位點(diǎn)間距相當(dāng)或更大，則測(cè)量的液膜厚度分布結(jié)果與實(shí)際值之間會(huì)有較大的差異。

2.2 熒光強(qiáng)度法

熒光物質(zhì)吸收光子后會(huì)躍遷至激發(fā)態(tài)，然后由激發(fā)態(tài)的最低振動(dòng)能級(jí)躍遷回基態(tài)的過(guò)程中就會(huì)發(fā)出熒光。熒光的波長(zhǎng)會(huì)高于激發(fā)光，并均勻地向所有方向發(fā)射?；谶@一特性，當(dāng)前普遍利用熒光法測(cè)量待測(cè)液膜厚度。如果待測(cè)液體不含有熒光物質(zhì)，或者所含熒光物質(zhì)缺少可利用的激發(fā)光或熒光光譜，則需要向液體中添加專門的熒光物質(zhì)。所添加的熒光物質(zhì)需要能夠與待測(cè)液體互溶，在激發(fā)光的作用下能夠穩(wěn)定發(fā)出足夠強(qiáng)度的熒光，該熒光必須能夠與激發(fā)光分離，以避免激發(fā)光干擾探測(cè)熒光信號(hào)[89]。在液膜厚度測(cè)量中，單位面積上熒光強(qiáng)度If可由式(3)表示：

If=IeεCφt

(3)

其中，Ie為激發(fā)光強(qiáng)度，ε為熒光物質(zhì)的吸光系數(shù)，C為熒光物質(zhì)濃度，φ為熒光量子產(chǎn)率，t為液膜厚度。因此當(dāng)激發(fā)光強(qiáng)度和熒光物質(zhì)濃度一定時(shí)，熒光強(qiáng)度和液膜厚度為正比關(guān)系，從而可根據(jù)熒光強(qiáng)度推算出液膜厚度。此外，在對(duì)同一液膜厚度的測(cè)量中，Greszik等[90]發(fā)現(xiàn)熒光信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于激光散射信號(hào)的強(qiáng)度，因此熒光強(qiáng)度法靈敏度更高，更適用于液膜厚度測(cè)量。

Cherdantsev等[91]利用熒光強(qiáng)度法測(cè)量了水平矩形管中的液膜厚度。圖8展示了實(shí)驗(yàn)中所采用的測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。和其他光學(xué)方法類似，熒光強(qiáng)度法也要求壁面為透明材料，激光為體光，在穿過(guò)壁面后照亮液膜，同時(shí)利用相機(jī)記錄圖像。熒光強(qiáng)度法作為一種非侵入式測(cè)量方法，對(duì)液膜運(yùn)動(dòng)沒(méi)有干擾，因此可以應(yīng)用于液膜高速運(yùn)動(dòng)以及非常薄的液膜厚度測(cè)量[91-94]。熒光強(qiáng)度法根據(jù)圖像中各像素位置處的曝光度計(jì)算液膜厚度，因此其空間分辨率相對(duì)于電測(cè)法有了顯著的提升。例如，Hoang等[95]在測(cè)量微米尺度的液膜時(shí)，空間分辨率達(dá)到了0.2 μm。此外，熒光強(qiáng)度法在實(shí)驗(yàn)中需要進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，以獲取熒光強(qiáng)度和液膜厚度之間的關(guān)系式。標(biāo)定過(guò)程中需要測(cè)量不同的已知厚度液膜的熒光強(qiáng)度，液膜的生成方法和上文中提到的電測(cè)法中的相關(guān)方法類似，此處不再贅述。

圖8 熒光強(qiáng)度法測(cè)量系統(tǒng)示意圖(基于文獻(xiàn)[95]中的示意圖重新作圖)

Fig.8 Schematic diagram of the measurement system for the fluorescence intensity method(Redrawn based on the schematic diagram of Ref.[95])

熒光強(qiáng)度法的應(yīng)用需要激光能量在空間上分布均勻，在不同時(shí)刻也要保持穩(wěn)定，但是實(shí)際使用中激光能量容易受到溫度等環(huán)境參數(shù)影響，導(dǎo)致光強(qiáng)發(fā)生變化，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。如果在待測(cè)液體中添加2種熒光物質(zhì)，第一種熒光物質(zhì)發(fā)出的熒光可以被第二種熒光物質(zhì)吸收，然后使用2臺(tái)相機(jī)分別捕獲2種熒光物質(zhì)的熒光信號(hào)，則可以用2種熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度之比消除激發(fā)光能量分布不均勻帶來(lái)的影響，獲取液體的酸堿度和溫度等信息[96]。Hidrovo等[97-98]利用發(fā)射再吸收激光誘導(dǎo)熒光(ERLIF)法進(jìn)行了液膜厚度測(cè)量工作，圖9展示了所使用的2種熒光劑的發(fā)射吸收重合區(qū)域?？紤]激發(fā)光和熒光在液膜中傳播時(shí)的吸收過(guò)程，需要將液膜在厚度方向劃分為多個(gè)控制體，圖10展示了液膜吸收激發(fā)光并發(fā)出熒光過(guò)程的示意圖。由于熒光物質(zhì)的吸收，激發(fā)光在傳播過(guò)程中光強(qiáng)會(huì)逐漸衰減，根據(jù)比爾-朗伯定律，在液膜厚度為x處，激發(fā)光光強(qiáng)Ie(x)表達(dá)式為：

圖9 熒光再吸收示意圖(基于文獻(xiàn)[97]中的示意圖重新做圖)

Fig.9 Schematic diagram of fluorescence reabsorption (Redrawn based on the schematic diagram of Ref.[97])

Ie(x)=I0exp[-ε(λlaser)Cx]

(4)

其中ε(λlaser)表示液體在激發(fā)光波長(zhǎng)的吸光系數(shù)，C同樣表示熒光物質(zhì)的濃度。

圖10 液膜產(chǎn)生熒光信號(hào)的示意圖(基于文獻(xiàn)[97]中的示意圖重新做圖)

Fig.10 Schematic diagram of fluorescence generation froma liquid film (Redrawn based on the schematic diagram of Ref.[97])

考慮到相機(jī)距液膜距離一般遠(yuǎn)大于拍攝區(qū)域，拍攝區(qū)域的立體角較小，因此可以認(rèn)為熒光傳播至相機(jī)時(shí)也具有良好的單向性。如果第一種熒光劑的熒光被第二種熒光劑吸收，并在相機(jī)前放置窄帶濾光片，使其僅能接受到第一種熒光劑發(fā)出的特定波長(zhǎng)的熒光，那么第一種熒光劑的熒光強(qiáng)度I'f,1(t,λfilter1)可以表示為:

(1-exp{-[ε(λlaser)C+ε2(λfilter1)C2]t})×

[ε(λlaser)C+ε2(λfilter1)C2]-1

(5)

其中，下標(biāo)1表示第一種熒光劑，下標(biāo)2表示第二種熒光劑。由公式(5)可知，只有當(dāng)ε2(λfilter1)C2O[ε(λlaser)C]時(shí)，才需要考慮熒光的再吸收。第二種熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度If,2(t,λfilter2)可表示為:

If,2(t,λfilter2)=I0ε2(λlaser)C2φ2η2(λfilter2)×

(1-exp{-[ε(λlaser)C]t})×[ε(λlaser)C]-1

(6)

因此2種熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度之比R(t,λfilter1,λfilter2)可表示為:

(7)

可知R只和熒光物質(zhì)以及液膜厚度相關(guān)，和激發(fā)光光強(qiáng)無(wú)關(guān)。因此利用ERLIF法可以消除激發(fā)光在時(shí)間和空間上的不均勻性帶來(lái)的誤差，降低對(duì)激光穩(wěn)定性的要求，提高液膜厚度測(cè)量精度。但是ERLIF法對(duì)熒光物質(zhì)的選取有較高的要求，需要2種熒光物質(zhì)均具有較高的熒光效率，且第二種熒光物質(zhì)對(duì)第一種熒光物質(zhì)發(fā)出熒光的再吸收較強(qiáng)，同時(shí)2種熒光物質(zhì)的發(fā)射峰容易使用窄帶濾波片分辨。由于需要同時(shí)測(cè)量2種熒光信號(hào)，光路中需要分光片及2臺(tái)相機(jī)，且2臺(tái)相機(jī)的視野也需要精確對(duì)應(yīng)，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出了較高的要求。Hidrovo和Hart[97]利用厚度為5～400 μm的液膜測(cè)試了ERLIF法，結(jié)果表明其測(cè)量誤差可低至±1%，與僅使用一種熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度法相比表現(xiàn)更好。

2.3 平面激光誘導(dǎo)熒光法

PLIF法利用片狀激光照亮待測(cè)區(qū)域，同時(shí)利用相機(jī)記錄熒光信號(hào)，可獲得測(cè)量區(qū)域內(nèi)物質(zhì)濃度、溫度和壓力等信息。將PLIF法應(yīng)用于液膜厚度測(cè)量，可以避免激光能量的不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量精度的影響，同時(shí)可以簡(jiǎn)化測(cè)量光路系統(tǒng)。圖11展示了Schubring等[99-100]利用PLIF法測(cè)量液膜厚度的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，由Nd:YAG激光器發(fā)出的532 nm激光經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡片組后形成片光，液膜吸收激發(fā)光后發(fā)出的熒光被垂直方向上的CCD相機(jī)所接收。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為水，并在其中摻入了200 mg/L的熒光物質(zhì)羅丹明B。為了削弱光在界面處的折射現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)中的圓管材料采用和水折射率相近的氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)，同時(shí)在圓管和黑色腔體之間填充FEP，以防止光在圓管外表面和空氣界面處發(fā)生折射。

圖11 PLIF法測(cè)量系統(tǒng)示意圖(基于文獻(xiàn)[99]中示意圖重新作圖)

Fig.11 Schematic diagram of the measurement system for the PLIF method (Redrawn based on the schematic diagram of Ref.[99])

和熒光強(qiáng)度法中根據(jù)熒光強(qiáng)度計(jì)算液膜厚度不同，PLIF法中需要判斷液膜邊界，根據(jù)邊界確定液膜厚度。在邊界判斷過(guò)程中存在一些難點(diǎn)，如圖像對(duì)比度低導(dǎo)致邊界判斷困難，液膜中夾帶的氣泡或氣體中存在的液滴均會(huì)對(duì)邊界的判斷造成干擾。對(duì)于利用PLIF法記錄的原始圖片，首先需要使用中值濾波去除圖像中的單像素噪點(diǎn)，然后通過(guò)選取合適的閾值，獲取二值化圖像，并根據(jù)二值化圖像確定液膜的邊界。在獲取邊界后，也需要進(jìn)行中值濾波去除噪點(diǎn)，并消除氣泡對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[99]。

采用如圖11所示的方法，在圓管外周布置和管道相同材料的填充物，并使視窗和相機(jī)拍攝方向垂直，可以有效避免折射的影響。同時(shí)圓管自身存在曲率，其半徑越小，曲率越大。對(duì)于表面不光滑的液膜，如果其在周向上的曲率小于圓管曲率，那么液膜表面的褶皺不會(huì)影響相機(jī)對(duì)熒光的探測(cè)過(guò)程，因此PLIF法被廣泛應(yīng)用于圓管內(nèi)液膜厚度測(cè)量[101-105]。圖12展示了Shanmugadas等[105]利用PLIF法測(cè)量預(yù)膜式噴嘴中預(yù)膜管上液膜厚度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知?dú)庖簞?dòng)量比(ALR)的增加會(huì)顯著降低預(yù)膜管上液膜厚度，同時(shí)下游的液膜厚度較上游也有明顯增加。而當(dāng)液膜的曲率大于圓管曲率時(shí)，液膜頂部的熒光在傳播中會(huì)在液膜和空氣的界面處發(fā)生折射，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成較大的影響。在這種情況下，需要減小入射激光和相機(jī)之間的夾角，使熒光在傳播過(guò)程中不會(huì)通過(guò)液膜和空氣界面。

圖12 不同ALR時(shí)，不同預(yù)膜管位置處液膜厚度(基于文獻(xiàn)[105]中數(shù)據(jù)重新作圖)

Fig.12 Spatial variation of film thickness at different ALR (Redrawn based on the data from Ref.[105])

由于熒光傳播至液膜和空氣界面處的全反射，即使對(duì)于均勻的液膜，使用PLIF法測(cè)量厚度時(shí)仍會(huì)有較大的測(cè)量誤差，圖13展示了測(cè)量過(guò)程中的全反射現(xiàn)象的示意圖[106]。由于全反射現(xiàn)象，會(huì)使得液膜測(cè)量厚度大于實(shí)際厚度，Haber等[106]的研究結(jié)果表明，全反射會(huì)導(dǎo)致均勻液膜厚度的測(cè)量結(jié)果偏離實(shí)際值約30%。在標(biāo)定過(guò)程中同樣會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，因此利用標(biāo)定結(jié)果可以消除全反射現(xiàn)象對(duì)均勻液膜厚度測(cè)量的影響。但是液膜表面的波動(dòng)會(huì)增強(qiáng)全反射，可導(dǎo)致液膜厚度測(cè)量結(jié)果最大偏高1倍。而當(dāng)液膜表面切向方向和壁面之間夾角低于30°時(shí)，全反射現(xiàn)象造成的偏差將顯著降低至小于10%[106]。

由于平板不存在曲率，因此利用PLIF測(cè)量平板上液膜厚度時(shí)容易受到液膜表面波動(dòng)的干擾。為了避免液膜/氣體界面處的折射，同時(shí)避免氣體中的液滴導(dǎo)致的散射，需要將片光從平板底部入射，并且將相機(jī)也放置于平板底部位置[107]。此時(shí)相機(jī)和片光之間角度低于90°，片光的寬度會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成誤差。但是片光的寬度同樣會(huì)對(duì)標(biāo)定過(guò)程產(chǎn)生影響，導(dǎo)致實(shí)際液膜厚度為0處的標(biāo)定值大于0，因此可以利用標(biāo)定結(jié)果消除片光寬度對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的誤差。

圖13 PLIF法中全反射現(xiàn)象的示意圖(基于文獻(xiàn)[106]中示意圖重新作圖)

Fig.13 Schematic diagram of the total reflection phenomenon in the PLIF method(Redrawn based on the schematic diagram of Ref.[106])

在相機(jī)每個(gè)像素代表的實(shí)際尺寸已知時(shí)，PLIF法在測(cè)量液膜厚度時(shí)可以不開(kāi)展標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，而是根據(jù)理論計(jì)算出像素?cái)?shù)量和液膜厚度之間的關(guān)系。如開(kāi)展標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，同樣需要生成不同厚度的液膜。在平板液膜厚度測(cè)量中，可以在平板上利用墊塊和另一平板生成漸變厚度液膜進(jìn)行標(biāo)定，這與Thiele等[36]在點(diǎn)測(cè)量方法中采用的標(biāo)定技術(shù)是類似的。而在圓管內(nèi)液膜厚度測(cè)量中，可以通過(guò)向圓筒內(nèi)插入不同直徑的圓棒獲得不同厚度液膜，或者插入圓臺(tái)也可獲得漸變厚度液膜。

3 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了薄層液膜厚度測(cè)量中常用的點(diǎn)測(cè)量方法和空間測(cè)量方法，分別用于單個(gè)位置和多個(gè)位置乃至連續(xù)區(qū)間下液膜厚度的測(cè)量。其中電測(cè)法基于電容原理或電阻原理，利用電極對(duì)之間電阻或電容與液膜厚度之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)液膜厚度的測(cè)量。電測(cè)法電路穩(wěn)定性高，成本較低，時(shí)間測(cè)量頻率快，但是受到電極尺寸的限制，導(dǎo)致空間分辨率較低，僅可達(dá)到毫米量級(jí)。電測(cè)法中需要在待測(cè)量壁面安裝電極對(duì)，易導(dǎo)致壁面不平，并對(duì)液膜運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)，因此不適合高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下液膜厚度的測(cè)量。

薄層液膜厚度的光測(cè)法主要基于光的散射和反射等特性，激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)的成熟顯著促進(jìn)了光測(cè)法的發(fā)展。光測(cè)法具有較高的空間分辨率，可達(dá)到微米乃至亞微米量級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)內(nèi)液膜分布的測(cè)量。此外，光測(cè)法為非侵入式測(cè)量，可用于高速運(yùn)動(dòng)中的液膜的厚度測(cè)量，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴文氏管上附著的液膜。

對(duì)于電測(cè)法而言，未來(lái)需要解決的問(wèn)題集中在以下幾個(gè)方面：電極對(duì)之間串?dāng)_的抑制；高靈敏度寬測(cè)量范圍電極的發(fā)展；非侵入式電極矩陣的發(fā)展；高空間分辨率測(cè)量。對(duì)于光測(cè)法，未來(lái)需要解決的主要問(wèn)題在于：高對(duì)比度圖像的拍攝；圖像處理技術(shù)的發(fā)展；高穩(wěn)定性高能量光源的發(fā)展；液膜表面波動(dòng)的精細(xì)測(cè)量；液滴和氣泡的精確測(cè)量及其影響的消除；光學(xué)畸變帶來(lái)的誤差的矯正；液膜厚度分布的超高頻率動(dòng)態(tài)測(cè)量。