CN110160917A - 接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置及方法。所述测量系统应用于接触熔化传热研究领域，包括位移测量模块、干涉测量模块和荧光粒子显微测速模块。本发明利用激光位移测距模块高精度测量被测主体中相变材料顶部的下降高度；利用荧光粒子显微测速模块实现了对相变材料底部局域边界高度、曲率以及微液膜内局域流场的测量；利用干涉测量模块实现了对相变材料中心底部微液膜厚度变化的高精度测量；把以上测量所得数据结合已推导的物理模型可间接测量出底部液膜表面张力及相变材料反冲力的数值。

Description

接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置及方法
技术领域
本发明属于接触熔化传热研究领域，主要配合激光干涉测量、粒子图像测速技术，探究接触熔化过程中液膜表面张力及相变材料反冲力的大小情况。
背景技术
接触熔化现象广泛出现在能源存储、减材制造、地质钻探和核技术等工程领域中，准确预测接触熔化的传热传质过程对工程应用具有重要意义。以相变储热为背景的研究专注于预测相变材料的宏观熔化速率，在各类简化假设的基础上得到了多种多样的预测模型。
虽然目前有各种修正的接触熔化预测模型，但都无法很好地精确预测完整的实际熔化过程。这是因为在熔化过程中，微液膜的表面张力以及相变材料反冲力对在接触熔化中后期过程中影响显著。通过目前的理论模型很难直接预测出固液界面形状及其变化，进而也难以推算出液膜表面张力及相变材料反冲力的大小。
因此采用实验进行测量并用以修正理论模型是解决无法通过理论预测的有效手段。目前测量表面张力及反冲力的仪器大多采用直接测量的技术路径。但是考虑到熔化过程中固液界面高度和剩余固体质量始终变化，也难以使用针对静态测量的常规通用仪器直接测量液膜的表面张力大小和相变材料的反冲力大小，这使得现今没有出现一种通用可以测量出接触熔化过程中表面张力及反冲力的测量装置及方法。
发明内容
本发明针对以上技术难点，本发明公开了接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置及方法。
接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置包括激光位移测距模块、干涉测量模块以及荧光粒子显微测速模块；
所述的激光位移测距模块包含激光位移传感器和轻质反射镜；激光位移传感器发出的测量激光经轻质反光镜反射后由原路返回并被激光位移传感器接收；所述的轻质反光镜水平放置在被测主体顶部；
所述的干涉测量模块包括连续激光器、分束镜、透明加热板和高速摄像机；透明加热板水平布置在被测主体底部；连续激光器发射的单色连续激光被分束镜反射后，沿被测主体的中轴线穿过透明加热板后分别在透明加热板上表面、被测主体底部的相变交界面反射，反射光穿过分束镜被高速摄像机记录采集；
所述的荧光粒子显微测速模块包括脉冲激光器、片光源镜组和摄像机；脉冲激光器产生脉冲激光，经过片光源镜组后形成片光，片光透过透明加热板并激发被测主体底部经加热产生的微液膜中的荧光粒子，所得荧光信号被摄像机采集。
优选的，所述的被测主体内部含有均匀分布的荧光粒子。
优选的，所述的被测主体是轴对称构型。
优选的，所述的荧光粒子是涂有罗丹明B的纳米颗粒。
优选的，所述的摄像机拍摄角度与片光平面垂直
本发明还公开了一种所述测量装置的接触熔化过程中表面张力及反冲力测量方法：
1)预先制备好均匀混有荧光粒子的轴对称型相变材料；
2)启动激光位移测距模块、干涉测量模块以及荧光粒子显微测速模块；
3)待光路运行稳定后，开启透明加热板加热至所需设定温度；
4)待透明加热板壁面温度稳定后，把步骤1)制备的相变材料放在透明加热板上开始进行接触熔化过程；
5)底部透明加热板的壁面温度高于相变材料的熔点，使得在相变材料底部持续熔化产生微液膜；随着熔化过程不断进行，相变材料高度不断减小，微液膜的厚度不断增大；
所述的激光位移测距模块通过激光位移传感器发出测量激光，被水平放置在相变材料顶部的轻质反射镜反射，经过原路被激光位移传感器重新接收，经过位移传感器进行信息处理后得到单位时间内相变材料顶部的下降高度ΔH；
所述的干涉测量模块通过连续激光器发射的单色连续激光被分束镜反射后，穿过透明加热板后分别在透明加热板上表面、微液层与相变材料交界面反射后，穿过分束镜被高速摄像机记录采集，经过计算机后处理可得到单位时间内相变材料轴中心微液膜bc段的厚度变化Δδbc，通过计算得到当前厚度δbc；
所述的荧光粒子显微测速模块通过脉冲激光器产生脉冲激光，经过片光源镜组后形成片光源，激发微液膜局域区域中的荧光粒子，所得荧光信号被拍摄角度与片光平面垂直的摄像机采集，结合预先标定可处理获得ad段当前高度δad、单位时间内高度变化Δδad，ae段曲线yae(x)和该局域内的流场速度分布u(x)；
6)通过测量得到物理量yae(x)、δbc和δad进行高精度拟合处理得到相变材料底部固液界面ab段曲线yab(x)，进而计算得到边缘处的曲率半径R及切线倾角θ，结合查阅可知的液体表面张力系数σ带入表面张力积分公式，即可计算得到液膜表面张力大小Ftension。
7)通过单位时间内相变材料顶部的下降高度ΔH、微液膜bc段的厚度变化Δδbc和固液界面ab段曲线yab(x)可准确计算得到相变材料的剩余质量M和质心位移ΔHc，通过对时间t进行二次微分处理即可得到质心加速度ac；根据所测流场信息修正润滑假设模型得到微液膜内的压力分布信息，对固液接触面范围内进行积分得到压力Fp；最后根据边缘处切线倾角θ带入公式Fr＝sinθFtension+Fp-Ma(θ)即可计算得到相变材料反冲力Fr。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)因为采用了激光位移测距的技术手段，克服了以往采用通过照相记录相变材料下降高度导致的精确度不足的技术问题，进而达到了匹配适应激光干涉测量精度的技术效果。
(2)因为采用了荧光粒子显微测速和激光干涉测厚的技术手段，克服了无法准确预测固液界面几何形状和曲率分布的技术问题，进而达到了通过测量所得的固液界面形状带入积分算法计算得到液膜表面张力大小的技术效果。
(3)因为采用了荧光粒子显微测速的技术手段，克服了仅依靠润滑假设引发的压力场信息不准确的技术问题，达到了通过所测流场信息矫正压力场信息进而能准确计算得到微液膜内压力分布的技术效果。
(4)因为采用了集成激光位移测距、荧光粒子显微测速和激光干涉测厚高精度测量的技术手段，克服了相变材料质心位移测量和剩余质量测量的技术困难，从而达到了通过牛顿第二定律计算得到相变材料反冲力的技术效果。
附图说明
图1为本发明的接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置的结构示意图。
附图中，各部件列表如下：激光位移传感器1，测量激光2，轻质反光镜3，均匀混有荧光粒子的相变材料4，微液膜5，透明加热板6，连续激光器7，单色连续激光8，分束镜9，高速摄像机10，脉冲激光器11，片光源镜组12，片光13，摄像机14，荧光信号15。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方案作进一步详细说明。
一种接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置,包括位移测量模块、干涉测量模块和荧光粒子显微测速模块；
如图1所示，激光位移传感器1发出测量激光2，被水平放置在相变材料顶部的轻质反光镜反射3，经过原路被激光位移传感器1重新接收，经过激光位移传感器进行信息处理后得到单位时间内相变材料顶部的下降高度ΔH。
如图1所示，连续激光器7发射的单色连续激光8被分束镜9反射后，穿过透明加热板6后分别在透明加热板6上表面、微液层与相变材料交界面反射后，穿过分束镜9被第一高速摄像机10记录采集，经过计算机后处理可得到单位时间内相变材料轴中心微液膜bc段的厚度变化Δδbc，通过计算得到当前厚度δbc；
如图1所示，脉冲激光器11产生脉冲激光，经过片光源镜组12后形成片光13，激发微液膜5局域区域中的荧光粒子，所得荧光信号15被拍摄角度与片光平面垂直的摄像机14采集，结合粒子图像测速程式预先标定可处理获得ad段当前高度δad、单位时间内高度变化Δδad，ae段曲线yae(x)和该局域内的流场速度分布u(x)；
通过测量得到物理量yae(x)、δbc和δad进行高精度拟合处理得到相变材料底部固液界面ab段曲线yab(x)，进而通过曲率半径公式计算得到边缘处的曲率半径R及切线倾角θ，结合查阅NIST化学互联网手册得到液体表面张力系数σ带入表面张力公式Ftension＝σ2πRsinθ，即可计算得到液膜表面张力大小Ftension。
通过单位时间内相变材料顶部的下降高度ΔH、微液膜bc段的厚度变化Δδbc和固液界面ab段曲线yab(x)可通过公式和准确计算得到相变材料的剩余质量M和质心位移ΔHc，通过对时间t进行二次微分处理即ac＝ΔHc″可得到质心加速度ac；根据所测流场信息修正润滑假设模型得到微液膜内的压力分布信息，对固液接触面范围内进行积分得到压力Fp；最后根据边缘处切线倾角θ带入公式Fr＝sinθFtension+Fp-Ma，即可计算得到相变材料反冲力Fr。
如图1所示，在本发明实施实例中采用相变材料作为被加热材料。样品被加热至熔点以上，伴随有熔化过程发生，并利用上述手段测量样品熔化过程中的微液膜表面张力和相变材料反冲力。其具体实施方法如下：
在测量开始前，需要预先制备好均匀混有荧光粒子的轴对称型相变材料，然后启动激光位移测距模块、干涉测量模块以及荧光粒子显微测速模块中所有设备。待各模块光路运行稳定后，开始开启透明加热板加热功能至所需设定温度。待透明加热板壁面温度稳定后，把相变材料轻放在透明加热板上开始进行接触熔化过程。在熔化过程中计算机能实时记录激光位移传感器、高速摄像机和摄像机的采集数据或图像，在经过计算处理后，即可测量得到接触熔化过程中的实时液膜张力和反冲力大小。

Claims (6)

1.接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置，其特征在于包括激光位移测距模块、干涉测量模块以及荧光粒子显微测速模块；
所述的激光位移测距模块包含激光位移传感器(1)和轻质反射镜(3)；激光位移传感器(1)发出的测量激光经轻质反光镜(3)反射后由原路返回并被激光位移传感器(1)接收；所述的轻质反光镜(3)水平放置在被测主体顶部；
所述的干涉测量模块包括连续激光器(7)、分束镜(9)、透明加热板(6)和高速摄像机(10)；透明加热板(6)水平布置在被测主体底部；连续激光器(7)发射的单色连续激光被分束镜(9)反射后，沿被测主体的中轴线穿过透明加热板(6)后分别在透明加热板(6)上表面、被测主体底部的相变交界面反射，反射光穿过分束镜(9)被高速摄像机(10)记录采集；
所述的荧光粒子显微测速模块包括脉冲激光器(11)、片光源镜组(12)和摄像机(14)；脉冲激光器(11)产生脉冲激光，经过片光源镜组(12)后形成片光，片光透过透明加热板(6)并激发被测主体底部经加热产生的微液膜中的荧光粒子，所得荧光信号被摄像机(14)采集。
2.根据权利要求1所述的接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置，其特征在于所述的被测主体内部含有均匀分布的荧光粒子。
3.根据权利要求1所述的接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置，其特征在于所述的被测主体是轴对称构型。
4.根据权利要求1或2所述的接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置，其特征在于所述的荧光粒子是涂有罗丹明B的纳米颗粒。
5.根据权利要求1所述的接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置，其特征在于所述的摄像机(14)拍摄角度与片光平面垂直。
6.一种权利要求1所述间接测量装置的接触熔化过程中表面张力及反冲力的测量方法，其特征在于：
1)预先制备好均匀混有荧光粒子的轴对称型相变材料(4)；
2)启动激光位移测距模块、干涉测量模块以及荧光粒子显微测速模块；
3)待光路运行稳定后，开启透明加热板(6)加热至所需设定温度；
4)待透明加热板(6)壁面温度稳定后，把步骤1)制备的相变材料(4)放在透明加热板(6)上开始进行接触熔化过程；
5)底部透明加热板(6)的壁面温度高于相变材料(4)的熔点，使得在相变材料(4)底部持续熔化产生微液膜(5)；随着熔化过程不断进行，相变材料(4)高度不断减小，微液膜(5)的厚度不断增大；
所述的激光位移测距模块通过激光位移传感器(1)发出测量激光(2)，被水平放置在相变材料(4)顶部的轻质反射镜(3)反射，经过原路被激光位移传感器(1)重新接收，经过位移传感器(1)进行信息处理后得到单位时间内相变材料(4)顶部的下降高度ΔH；
所述的干涉测量模块通过连续激光器(7)发射的单色连续激光(8)被分束镜(9)反射后，穿过透明加热板(6)后分别在透明加热板(6)上表面、微液层(6)与相变材料(4)交界面反射后，穿过分束镜(9)被高速摄像机(10)记录采集，经过计算机后处理可得到单位时间内相变材料(4)轴中心微液膜(6)bc段的厚度变化Δδbc，通过计算得到当前厚度δbc；
所述的荧光粒子显微测速模块通过脉冲激光器(11)产生脉冲激光，经过片光源镜组(12)后形成片光源(13)，激发微液膜(5)局域区域中的荧光粒子，所得荧光信号(15)被拍摄角度与片光平面垂直的摄像机(14)采集，结合预先标定可处理获得ad段当前高度δad、单位时间内高度变化Δδad，ae段曲线yae(x)和该局域内的流场速度分布u(x)；
6)通过测量得到物理量yae(x)、δbc和δad进行高精度拟合处理得到相变材料(4)底部固液界面ab段曲线yab(x)，进而计算得到边缘处的曲率半径R及切线倾角θ，结合查阅可知的液体表面张力系数σ带入表面张力积分公式，即可计算得到液膜表面张力大小Ftension。
7)通过单位时间内相变材料(4)顶部的下降高度ΔH、微液膜(6)bc段的厚度变化Δδbc和固液界面ab段曲线yab(x)可准确计算得到相变材料(4)的剩余质量M和质心位移ΔHc，通过对时间t进行二次微分处理即可得到质心加速度ac；根据所测流场信息修正润滑假设模型得到微液膜(5)内的压力分布信息，对固液接触面范围内进行积分得到压力Fp；最后根据边缘处切线倾角θ带入公式Fr＝sinθFtension+Fp-Ma(θ)即可计算得到相变材料反冲力Fr。
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