CN106814012A - 一种观察基板上蒸发液滴内流体对流失稳现象的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及观察基板上液滴蒸发过程流体对流失稳现象，属于物理测量领域。主要由电子显微镜1、微型液滴注射器2、恒温油浴3、金属基板4、数据采集系统5、接触角测量仪6、K型热电偶7、混有少量铝粉的液滴8、计算机9组成；通过恒温油浴3可控制金属基板4的温度，然后通过悬垂在液滴正上方的电子显微镜1，俯视观察到液滴内部的流体流动轨迹，通过液滴水平侧的接触角测量仪6，可测出液滴与基板的接触角变化，而且可以从侧面观察液滴内部流动图像。数据采集系统5通过布置在基板上的热电偶7，可实时观察基板温度。电子显微镜及接触角测量仪均与计算机9相连接，可观察生成的高清图像并收集储存。

Description

一种观察基板上蒸发液滴内流体对流失稳现象的装置

技术领域：

本发明涉及观察基板上液滴蒸发过程流体对流失稳现象，属于物理测量领域。

背景技术：

在人们的生产生活中，水平基板固着液滴的加热及其蒸发过程是普遍存在的。例如：喷雾技术、雾化燃烧、喷墨打印、DNA分子显像等都是对这一现象的直接利用。除此之外，由于液滴内部对流的产生不依赖重力，它也成为空间微重力科学的一个重要研究课题。所以，无论是工程实际应用或是学术研究，对于基板上液滴蒸发过程内部流体对流失稳现象的观察都是具有重要的价值。

在加热基板上液滴蒸发的过程中，液滴边缘蒸发快而顶部蒸发慢，蒸发速率的不均匀导致液滴表面温度分布不均匀，从而导致液滴表面张力不均匀而在液滴内部产生的流动称为Marangoni对流。之前的研究大多针对蒸发液滴内由水平温度梯度引起的热流体波，而实际液滴蒸发过程中同时存在法向温度梯度和切向温度梯度，液滴内将有可能产生Bénard-Marangoni对流。

现阶段常用的基板蒸发液滴观察方法主要为红外热像仪法与折射观察法。红外热像仪法主要是探测物体向外辐射的热射线的波长，将热射线信号转换为温度信号，测出液滴的温度分布，从而观察到液滴内部的流动图像。折射法主要是利用流体的折射率与温度有关，光线在气液分界面处会发生偏转，所以液滴内部的温度不同，将导致折射光线偏转角度的不同。在出射光线一侧放置屏幕，屏幕上会形成明暗不同的光斑，反映出液滴的温度分布，从而观察到液滴内部的流动图像。

对于红外热像仪法和折射法来说，虽然可以观察到液滴内部的流动图像，但均是通过先检测流体的温度分布，然后通过温度分布来显示流体流动图像，不能较为直观地观察到液滴内部的真实流动图像。其主要缺点有：

一、红外热像仪法和折射法均属于光学方法，都容易受到外界环境干扰。

二、液滴表面近似于半球状弯曲，对于光线具有散射作用，折射法显示的液滴内部流动图像将严重变形，严重失真。

三、由于热成像仪法和折射法均是靠温差成像，因此对于大部分观察目标来说，温度波动范围较小，不能清晰准确地观察到流动图像。如果温度波动振幅低于红外热像仪的温度分辨率，甚至不能观察到流体流动图像。

四、折射法需布置光源与屏幕，对设备及操作要求较高。而热成像仪法中的热成像仪设备昂贵，成本较高。

因此，急需一种先进可行的液滴内部流动观察方法，既能观察到高分辨率的流动图像，又能克服现有技术的不足。

发明内容：

为了克服传统液滴内部流场观察技术的不足，本发明提供了一种电子显微镜观察加热基板上蒸发液滴内部流动装置。

本发明的电子显微镜观察加热基板上蒸发液滴内部流动的装置，其基本组成为：电子显微镜1、微型液滴注射器2、恒温油浴3、金属基板4、数据采集系统5、接触角测量仪6、K型热电偶7、混有少量铝粉的液滴8、计算机9。本发明的基本原理：通过恒温油浴3可控制金属基板4的温度，随着基板温度的变化，附着在基板上的液滴8内产生温度梯度，从而产生对流现象，液滴内铝粉随着对流一起流动,这时通过悬垂在液滴正上方的电子显微镜1，可从俯视的角度观察到液滴内部示踪粒子所显示出的流体流动轨迹，通过液滴水平侧的接触角测量仪6，可测出液滴与基板的接触角变化，而且可以从侧面观察液滴内部流动图像。数据采集系统5通过布置在基板上的热电偶7，可实时观察基板温度。电子显微镜及接触角测量仪均与计算机9相连接，可观察生成的高清图像并收集储存。

本发明提供的观察液滴内部流动的装置与现有方法相比，有以下优点：

一、本发明装置设有电子显微镜，可对液滴内部流体的流动直接显示与观察，即使微弱的流动也能直接观察到，且清晰真实。

二、本发明装置受光的发射折射及波长变化影响较小，因此对外界抗干扰能力强。

三、本发明装置由电子显微镜、接触角测量仪、恒温油浴等耦合作用，可克服现有的实验方法的复杂性，操作简单、易于实现，且对于高清图像易于收集与保存。

附图说明：

图1为电子显微镜观察加热基板上蒸发液滴内部流动装置示意图。

本发明主要由电子显微镜1、微型液滴注射器2、恒温油浴3、金属基板4、数据采集系统5、接触角测量仪6、K型热电偶7、混有少量铝粉的液滴8、计算机9组成。

具体实施方法：

一、设置恒温油浴3至固定温度，一段时间后通过观察数据采集器5得到欲达到的基板温度。

二、将电子显微镜1及接触角测量仪6均对准液滴，调节二者焦距，直至计算机9观察到清晰的实验区域图像。

三、称取少量铝粉加入待观察的流体中混合均匀，在加热基板4上均匀涂抹超疏水涂层，通过微型液滴注射器2向加热基板4中央注射数微升液体，并使其形成液滴。

四、通过计算机9即可观察到高分辨率的液滴内部流场流动图像，之后改变恒温油浴3的控制温度，直至观察到液滴内部形成Marangoni对流及其失稳后所形成的“花瓣状”Bénard-Marangoni对流，并可按需求收集与储存。

Claims (2)

1.本发明涉及一种观察基板上蒸发液滴内流体对流失稳现象的装置，其结构特点在于：它主要由电子显微镜1、微型液滴注射器2、恒温油浴3、金属基板4、数据采集系统5、接触角测量仪6、K型热电偶7、混有少量铝粉的液滴8、计算机9等组成。其特征在于：通过恒温油浴3可控制金属基板4的温度，随着基板温度的变化，附着在基板上的液滴8内产生温度梯度，从而产生对流现象，液滴内铝粉随着对流一起流动，这时通过悬垂在液滴正上方的电子显微镜1，可从俯视的角度观察到液滴内部示踪粒子所显示出的流体流动轨迹，通过液滴水平侧的接触角测量仪6，可测出液滴与基板的接触角变化，而且可以从侧面观察液滴内部流动图像。数据采集系统5通过布置在基板上的热电偶7，可实时观察基板温度。电子显微镜及接触角测量仪均与计算机9相连接，可观察生成的高清图像并收集储存。

2.权利说明1中的一种观察基板上蒸发液滴内流体对流失稳现象的装置，其特点在于利用电子显微镜，接触角测量仪，计算机等耦合作用，来观察加热基板上液滴内部的流动轨迹，并进行图像收集与分析。