引 言
超声波在介质中传播时，由于其与介质间的相互作用，会引起一系列的特殊效应，如机械效应、空化效应、热效应、化学效应等。因此，在化工[1]、检测[2]、除垢[3]以及强化沸腾换热[4-7]等方面超声波都有着重要的应用。蒸汽直接接触凝结现象由于其极好的传热和传质能力而被广泛应用于化工、核能等领域，如汽水混合加热器、蒸汽喷射泵以及抑压式安全壳中用于降低壳内压力的抑压水池等。蒸汽直接接触凝的强化对于应用这一现象的设备的优化有着极其重要的意义和作用。然而，目前关于超声波强化沸腾换热的研究较多，但其用于强化蒸汽直接接触凝结现象却少有报道。因此，外加超声波场可能是强化蒸汽直接接触凝结现象的一种很好的方法。
超声波对气泡行为影响的研究是分析其强化气泡凝结换热的基础。在声场中当振动频率达到一定值时，气泡表面变得不稳定，这种不稳定性称为Faraday 不稳定性[8]。Faraday不稳定性可能会使气泡表面上形成幅值极小的表面波[9]。Matsumoto 和Ueno 等人[10]发现在含有表面活化剂的水中超声波可能引起气泡表面的高幅值振动。Makuta 等[11]发现随着超声波功率增加，气泡破碎加剧。目前，对于超声波场中气泡行为的研究多集中在绝热气泡方面。对于相变气泡的行为研究较少，在凝结气泡表面上是否会形成表面波动等方面尚无定论。因此，本文利用高速摄像仪，通过可视化研究方法比较有、无超声波作用下过冷池中蒸汽气泡的凝结过程，并进一步分析超声波对蒸汽气泡凝结换热的影响。
1 实验装置
图1 所示为实验装置简图。蒸汽由电加热锅炉产生，通过内径6 mm 的圆管注入到水箱中。蒸汽流量通过蒸汽阀与旁通阀调节。水箱中的水温用直径0.5 mm 的K 型铠装热电偶测量，测点距蒸汽管轴心约45mm。铜制冷却盘管和电加热棒用于调节和维持水箱中的水温，水温波动控制在±1 K 内。温度信号由NI 数据采集系统采集。超声波发生器水平置于水箱中，其端面水平方向上距蒸汽注射管轴心约62 mm。超声波发生器的工作频率为20±1 kHz，功率设定为400 W。水箱中的工质为蒸馏水，实验在常压下进行，过冷度范围为15-60 K。蒸汽气泡凝结过程由PHOTRON 公司生产的高速摄影仪（Fastcam SA5）记录，采样频率为5000 fps。实验中采用背光系统以增强拍摄的清晰度。
2 数据处理
为获得气泡位置、直径、面积等参数，必须对数字图像进行预处理。图2 所示是由高速摄像拍摄得到的典型蒸汽气泡图像及对其的处理过程。为消除图像上的噪音并保持气泡的边缘信息，对图像先后进行灰度滤波、Winner 滤波、腐蚀、膨胀和重构等操作。然后，对预处理后的图像采用Otsu 法进行二值化分割处理。由于反光等原因，图像二值化后，气泡中间通常是不连通的。需要对图像进行求补和填充，最后对填充后的图像分别标记识别。图像处理详细过程见文献[12]。
由于气泡外形通常并非理想圆形，多数研究利用等效半径来衡量气泡的大小。因此，本文采用与所测气泡相同体积的球体半径作为等效半径，
本文仅研究完全脱离蒸汽注射管道后的气泡的凝结过程。此时，蒸汽气泡与过冷水间的传热量等于蒸汽凝结的相变传热，因此根据能量守恒定律有，
3 实验结果及分析
3.1 可视化结果
无超声波时典型的蒸汽气泡变化过程示于图3。在脱离蒸汽管道前，蒸汽气泡逐渐生长，其表面始终相对光滑；当其生长到一定程度后脱离蒸汽管道。随后，蒸汽气泡逐渐凝结变形，最终分裂或破碎成小气泡。超声波场中典型的蒸汽气泡生长和泡凝结过程示于图4，蒸汽气泡生长过程与无超声波作用时的情况类似。当超声波场中的气泡脱离蒸汽注射管道后，蒸汽气泡破碎程度相对于无超声波时更加剧烈。此外，在超声波场中的蒸汽气泡表面上观察到晶格状或波纹状的毛细波（capillary wave）。
图6 示出气泡表面毛细波随气泡凝结过程的发展。如图所示，随着气泡的凝结，气泡表面的波动分布变得非常不规则、不均匀。这可能是由于气液间剧烈的传质过程导致的。气泡表面不均匀的毛细波分布为气泡表面积的测量与几何建模带来了极大的困难。
图7 所示为不同过冷度下蒸汽气泡相对半径随时间变化，图中与后文拟合换热关联式所针对的气泡，均已完全从蒸汽管道脱离。可以看出，无论施加超声波与否，过冷度对气泡凝结过程均会产生显著影响。随过冷度升高，蒸汽气泡相对半径减小速度更快，凝结过程加剧。相同过冷度下，与无超声波情况相比，处于超声波场中的气泡凝结速度更快。
超声波场中气泡凝结换热被强化可能是以下原因造成的：首先，超声波声压传播及由超声波引起的空化效应产生的微射流和湍动效应会引起气液界面附近过冷水局部压力波动并使局部流体质点快速振动[14]。这会搅浑气泡周围液相热边界层，减薄热边界层厚度并降低气泡壁面附近液体温度，增加凝结换热驱动温差，强化气泡凝结换热。其次，当声场的振动频率和强度达到一定值时，气泡变得不稳定（Faraday 不稳定性）[15]，其表面可能形成非常细微的毛细波，如图5 所示。毛细波的存在会拓展凝结换热表面积[16-18]，并同样起到搅浑热边界层的作用，降低气泡壁面附近液体温度[18]，强化气泡凝结换热。最后，由于声波压力波的传播使气泡周围压力不均匀，可能使气泡产生附加的运动，强化气泡凝结换热中对流换热部分。
3.2 无超声波时气泡凝结换热
表1 示出不同作者得到的蒸汽气泡凝结换热经验关联式及实验中气泡的尺寸范围。目前，大部分拟合凝结换热关联式所用气泡的等效直径小于6 mm[21, 23-26]。虽然Issa 等[27]所用的气泡等效直径可达5-50 mm，但其实验中的过冷度偏低，只有5.6-15.1 K。本文实验中蒸汽气泡等效直径和过冷度范围分别为2-25 mm 和15-60 K，与绝大部分学者的实验范围不同。
50 K 过冷度下的实验数据与其他作者关联式比较如图8 所示。由于文献[19-21, 25-26]中拟合关联式时所用的气泡尺寸均较小，气泡表面比较光滑。而本文中的气泡较大，气泡脱离后发生较明显的变形，其表面出现褶皱，不再光滑。因此，相同条件下，本文的实验数据高于大部分关联式的预测值[19-21, 25-26]。由于Issa 等[27]所选用的气泡很大且气泡雷诺数极高，因此气泡在上升时的变形与表面波动比本文中的情况更加剧烈，造成本文的实验数据低于Issa 等[27]关联式的预测值。
目前，国内外学者通常把蒸汽气泡凝结换热Nuc 看作Reb、Ja 和Pr 的函数。本文基于此对较大气泡凝结换热的Nuc 重新进行拟合，其中Pr 项的指数与大部分作者相同，设定为1/3。对目前获得的实验数据进行最小二乘法拟合，得到蒸汽气泡凝结换热的Nuc 为，
3.3 超声波对气泡凝结换热影响
对过冷水中的蒸汽气泡外加超声波时，气泡凝结过程加剧。描述气泡凝结换热的无量纲参数中Pr 项和Reb 项主要反映气泡周围对流引起的换热，其中Pr 体现流体物性的影响，Reb 体现气泡相对速度的影响。上述超声波强化凝结的原因对过冷水的物性无影响，且超声波引起的额外气泡水平方向运动已包含在Reb 中。因此，Pr 项和Reb 项的指数近似不变。而超声波的存在引起的热边界层搅浑与凝结换热表面积增加通常主要影响Ja 项及常数项[18, 22]。综上，超声波场中蒸汽气泡凝结换热Nusselt 数可表示为，
4 结 论
本文利用高速摄像仪记录15-60 K 过冷度下，有、无超声波时蒸汽气泡凝结过程，以研究气泡凝结换热现象，得到如下结论：
（1）有、无超声波时，蒸汽气泡凝结过程均会随过冷度升高而加速；相同过冷度下，相比于无超声波时，超声波场中的气泡凝结更迅速。
（2）基于15-60 K 过冷度下蒸汽气泡凝结的实验数据给出了计算较大蒸汽气泡（2mm<Deq<25 mm）凝结换热的经验关联式，与实验数据比较，符合较好。
（3）超声波场中的蒸汽气泡表面上会形成晶格状毛细波，增加气泡有效表面积并加强气泡周围流体热边界层扰动，使凝结换热过程得到强化。基于实验数据与相关分析，得到了15-60 K 过冷度下、超声波场中较大蒸汽气泡（2 mm<Deq<21 mm）凝结换热计算关联式。
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