深度学习辅助的海水过冷流动沸腾中气泡动力学与传热表征

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Deep learning-assisted characterization of bubble dynamics and heat transfer in subcooled flow boiling of seawater

　　

**摘要**

海水的过冷流动沸腾是一个复杂的过程，对于基于海洋的热系统至关重要，然而溶解盐对气泡动力学的影响仍然不明确，关于其对传热影响的报告相互矛盾。本研究利用深度学习辅助的计算机视觉方法，调查了海水中过冷流动沸腾的复杂气泡动力学和传热特性。在锆合金表面上，使用盐浓度分别为1%和3%的人工海水进行了过冷沸腾实验。为了克服密集沸腾状态下重叠视觉数据的挑战，部署了U-Net管道来准确识别和分割气泡边界，从而实现形态参数的精确提取。结果表明，随着海水盐度的增加，沸腾曲线向上偏移，由于盐沉积形成的微腔体增加了活性成核位点密度，在较低的Jakob数下实现了更高的传热速率。此外，气泡底部的蒸发引起局部浓度梯度，触发Marangoni力将气泡固定在加热表面上，导致Sauter平均直径随过冷度和盐度的增加而增大。统计分析显示，气泡纵横比服从对数正态分布，而周长服从Weibull分布。最后，提出了新的气泡纵横比和Sauter平均直径的预测关联式，显著提高了海水沸腾环境的预测精度。

**引言**

沸腾在化学工程和过程工程应用中广泛的热管理和能量转换方面不可或缺。精确表征沸腾机制对于高性能系统的稳健设计、工艺优化和运行安全至关重要，这些系统涵盖从热蒸馏装置和蒸馏塔再沸器到核反应堆应急堆芯冷却系统[1]、[2]。随着海洋资源开采的加强，将原海水用作初级工质或最终散热介质获得了前所未有的关注。这一转变在海上核平台被动余热排出系统、海上推进冷却网络和大规模海水淡化设施的部署中尤为明显。然而，预测海水的热水力行为仍然是一个艰巨的挑战，因为其基本传热特性和气泡动力学与纯水存在显著差异[3]。与单一组分系统不同，海水沸腾构成高度耦合的多组分热量和传质问题。汽液界面的持续蒸发引起溶解盐的局部浓度极化，进而驱动复杂的浓度梯度传质扩散。同时，靠近加热壁面的局部过饱和促进盐结晶和后续结垢沉积。这些相互依存的现象——多组分相变、界面传质和动态结垢——显著改变了表面润湿性、活性成核位点密度和气泡生长-脱离动力学。因此，这些耦合的物理化学过程为海水系统中流动沸腾传热的机理建模和分析引入了深刻的不确定性。

Varanasi等人[4]在麻省理工学院发现，盐倾向于在传热表面上结晶和沉积，显著降低表面的传热性能。他们利用高速光学和红外成像研究了溶液中气泡接触线的蒸发。气泡底部微液层的蒸发导致盐的局部过饱和显著增加，引起盐以"咖啡环"模式结晶和沉积。Uesawa等人[5]使用不同浓度的NaCl溶液、人工海水、真实海水和蒸馏水进行了池沸腾实验。实验发现，海水产生盐沉积，形成额外的热阻层，恶化传热。Wu等人[6]发现热工水力学参数也影响结晶沉积过程。随时间推移，沉积可分为沉积诱导期、成核期、晶体生长期和渐近期。沉积厚度不均匀性和沉积孔隙率在这些时期中各不相同，不同的沉积特性影响表面传热效率。Bindra[7]提出气泡生长速率直接影响沉积速率。通过摄像头记录表面气泡的频率、尺寸和位置，估算了表面的总沉积速率。Helali等人[8]通过将河水和海水注入纯蒸馏水中进行了对比过冷流动沸腾实验。他们的研究发现，将河水或海水注入蒸馏水中均阻碍了蒸馏水的传热过程。这是因为河水含有溶解度相对较高的碳酸钙等盐类，而海水含有氯化钠和氯化钾等盐类，这些盐在金属表面沉淀和沉积，形成热障。Akiba等人[9]研究了长期海水池沸腾条件下盐沉积的位置和几何形状，以及沉积对传热能力削弱的程度。他们建立了一个简单模型来预测盐沉积与传热能力降低之间的关系。Huang和Pan[10]利用Kelvin四线测量法在涂层铂丝上进行稳态池沸腾研究，以获取精确的壁温。他们报告说，在去离子水中产生的气泡显著更大，并且在高热流密度下经常合并，而氯化钠溶液和海水在相同热流密度下气泡合并基本不存在。这些研究共同发现，与去离子水相比，使用海水作为工质的换热表面传热能力有所降低。

然而，其他研究人员发现海水（盐水溶液）可以增强传热性能。Buongiorno[11]建议沉积物会改变表面润湿性、孔隙率和粗糙度等参数，从而影响表面的传热特性。具有一定厚度的海水沉积层会改善传热并增加表面的临界热通量（CHF）。Sun等人[12]、Tsang等人[13]和Hsu等人[14]对海水的传热特性进行了研究。他们的研究发现，水中溶解离子混合物密度的增加提高了溶液的粘度，抑制气泡合并，从而增强沸腾传热性能。Hsu等人[14]和Huang等人[10]发现，加热表面水的快速蒸发增加了局部氯化钠（NaCl）浓度，提高了表面张力。这导致了局部Marangoni效应，从而增强传热。Lee等人[15]研究了3.5%海水流经长竖直管的传热性能。他们报告说，与去离子水相比，使用海水作为工质使临界热通量（CHF）增加了9.7%，传热系数提高了近10倍。然而，根据电子显微镜结果，他们排除了因海盐沉积改善润湿性而增强传热的可能性。Fogaca等人[16]、[17]对蜂窝结构铜板上海水的沸腾特性进行了实验研究。他们发现海水在铜表面产生沉积物，盐沉积活性增加了表面润湿性和毛细作用，改善了表面传热，沸腾传热CHF增加了110%。Wu等[18]对盐水中的核态池沸腾传热和气泡行为进行了实验研究。基于可视化数据分析，盐的存在和沉淀减小了气泡脱离直径和生长时间，同时增加了气泡脱离频率，从而增强池沸腾传热系数。Li等人[21]在Inconel 600表面使用固定盐度3.5%的人工海水进行了实验，依赖传统的图像处理技术——如阈值分割和边缘检测的手动调整——进行气泡识别。他们关注气泡尺寸和纵横比分布，其统计分析主要关注基本的气泡尺寸和纵横比分布，未报告具体的概率密度模型或高级经验关联式。

因此，目前研究阶段，对于溶解盐如何影响沸腾过程中气泡动力学尚无全面理解，关于溶解盐是否能增强传热的报告不一致——甚至相互矛盾。为了弥合这一关键知识空白，本研究系统地调查了在锆合金表面上两种控制浓度（1%和3%）人工海水的过冷流动沸腾特性。为了准确捕捉盐水气泡形成的高度瞬态和复杂特性，开发了一种由U-Net卷积神经网络（CNN）驱动的自动化计算机视觉管道，从高速成像中提取物理参数，实现形态参数的自动提取和分割精度指标（IoU和Dice系数）。通过分析不同过冷度和盐度下的沸腾曲线、活性成核位点密度和气泡形态的统计分布——包括纵横比、圆度、等效直径和周长——本研究旨在分离溶解海盐的具体热物理效应。此外，提出了新的经验关联式来数学再现这些气泡参数，最终为海水沸腾传热界面机制提供更清晰、数据驱动的理解。

**实验装置描述**

如图1所示，实验装置主要由主环路、水箱和加热系统、辅助旁路系统、成像和照明系统以及数据采集系统组成。在广泛的操作条件范围内进行了一系列实验，具体涵盖雷诺数为5200和10,400，过冷度为5、10和20 K，壁面过热度从4到34 K，盐度为1%和3%，系统压力维持在

**不同盐浓度下的沸腾曲线**

图5展示了锆（Zr）合金表面在两种盐浓度（1%和3%）海水溶液中的核态沸腾传热性能。两者均以热通量对Jakob数的形式绘制。对于所有溶液，随着Jakob数增加，传热速率非线性增加，其中表面温度的增加指数级增加气泡生成和热量移除。较高的流动质量通量通常使曲线向上偏移或在更高的热通量下运行。

**结论**

基于对锆合金表面海水过冷流动沸腾的实验调查和深度学习辅助分析，可以得出以下关键结论：

- **先进图像处理：** U-Net CNN和自动化图像处理管道的实施有效克服了传统光学提取的局限性，使密集沸腾状态下复杂气泡形态的高保真分割和追踪成为可能。
- **盐结晶和沉积：** 盐沉积形成的微腔体增加了活性成核位点密度，改善传热性能。
- **Marangoni效应：** 气泡底部蒸发引起的局部浓度梯度触发Marangoni力，将气泡固定在加热表面上，导致Sauter平均直径增大。
- **统计分布：** 气泡纵横比服从对数正态分布，周长服从Weibull分布。
- **预测关联式：** 提出了新的气泡纵横比和Sauter平均直径预测关联式，显著提高了海水沸腾环境的预测精度。

**CRediT作者贡献声明**

Bing Tan：撰写—初稿、调查、获取资金、概念构思。Sihong He：调查。Qiang Yang：形式分析。Kai Wang：撰写—初稿、验证。Jiyun Zhao：撰写—审阅与编辑、监督。Kai Lu：撰写—审阅与编辑、概念构思。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为会影响本文所报告的工作。

**致谢**

本工作由国家自然科学基金资助（项目编号：12405201）；国家自然科学基金（项目编号：52475151）；黑龙江省教育厅优秀青年基金（项目编号：YQJH2023309）；福州大学人才计划（项目编号：XRC-26083）；福州大学人才计划（项目编号：XRC-24013）；广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2021A1515110604，2022A1515012075）；中国博士后科学基金（Grant）资助。

Bing Tan | Sihong He | Qiang Yang | Kai Wang | Jiyun Zhao | Kai Lu