CN108458750B - 纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，用激光控制器对三个激光光源分别进行扫描得到调谐激光；步骤二，用波分复用器对调谐激光进行耦合得到耦合激光；步骤三，将耦合激光穿过石英玻璃板和光栅得到对照激光；步骤四，通过光谱采集器件接收对照激光得到对照图谱；步骤五，将耦合激光依次穿过纯水液滴、石英玻璃板以及光栅得到测量激光；步骤六，通过光谱采集器件接收测量激光得到测量图谱；步骤七，在对照图谱和测量图谱中选出不受水蒸气吸收影响的两个波长位置；步骤八，结合对照图谱和测量图谱得到纯水液滴沸腾过程中液态水的温度、厚度、测量误差以及水蒸气的温度和气泡大小。

Description

纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法

技术领域

本发明涉及一种纯水液滴沸腾过程中参数的测量方法，具体涉及一种纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法。

背景技术

在各种工业过程中，微米级液滴在各种加热面上的沸腾现象广泛存在，诸如空间站热控制系统、核反应堆安全、灭火、涡轮机叶片冷却、热金属铸模表面冷却、低温热泵冷却等。随着微电子技术的迅速发展，传统单相空气冷却系统已无法满足高热流散热的需求，液滴沸腾的高效换热性能可保证微电子元件处于合理的温度，因而倍受研究者关注。

为了更好地了解和控制液滴沸腾过程，需要对液滴沸腾过程中多个参数进行定量分析。然而，在许多情况下，液滴内部的液相与气相参数是相互耦合的，这给模型建立和求解带来困难。传统的测量方法只能实现对单相参数进行测量，无法对多相的参数进行同步测量。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法。

本发明提供了一种纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，通过激光控制器对中心波长为v₁、v₂、v₃的三个激光光源分别进行扫描得到三个调谐激光；步骤二，采用波分复用器对三个调谐激光进行耦合得到耦合激光；步骤三，将耦合激光穿过石英玻璃板后被光栅分光得到中心波长为v₁、v₂、v₃的三个对照激光；步骤四，通过光谱采集器件接收三个对照激光的光强信号得到三个对照图谱；步骤五，将耦合激光依次穿过沸腾状态的纯水液滴和承载纯水液滴的石英玻璃板后被光栅分光得到中心波长为v₁、v₂、v₃的三个测量激光；步骤六，通过光谱采集器件接收三个测量激光的光强信号得到三个测量图谱；步骤七，在对照图谱和测量图谱中选出不受水蒸气吸收影响的两个波长位置，记作波长v₂’、v₃’；步骤八，结合波长v₁、v₂’、v₃’采用比值法得到纯水液滴在沸腾过程中液态水的温度T_l、厚度L以及测量误差u；步骤九，结合波长v₂和波长v₃位置附近完整的吸收线积分面积，通过双线法得到纯水液滴在沸腾过程中液滴内部的水蒸气的温度T_v和气泡大小d。

在本发明提供的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，还可以具有这样的特征：其中，波长v₁、v₂、v₃均为红外光谱中的波长，波长v₁处液态水的光谱吸收系数小于波长v₂、v₃处液态水的光谱吸收系数。

在本发明提供的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤八的数据计算基于比尔-朗伯吸收定律：

τ(ν_i)表示吸收介质对激光的透射率，I_oi表示激光的入射光光强，I_ti表示激光被介质吸收后的透射光光强，不同波长位置下的液态水的光谱吸收系数k_i与液态水的温度T_l的对应关系可在傅里叶红外光谱上获得:k_i＝f(T_l),i＝(1,2',3')。

在本发明提供的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤九中，水蒸气的温度T_v和气泡大小d与水蒸气在波长v₂和v₃位置附近完整的吸收线积分面积A_i(i＝2,3)之间满足以下关系式：A_i＝d·p·S_i(T_v),(i＝2,3)，进而水蒸气的温度T_v：

水蒸气的气泡大小d：

S_i(T_v)(i＝2,3)是水蒸气在近红外吸收光谱中波长v_i(i＝2,3)附近与水蒸气温度T_v相关的线强,T_v0是参考温度296K，k是玻尔兹曼常数，h是普朗克常数，c是光速，E'₂'和E'₃'是两个跃迁的低位能，p是大气压强。

在本发明提供的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤一之前还需要调节三个激光光源、光栅以及光谱采集器件的位置。

在本发明提供的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，还可以具有这样的特征：其中，激光光源为半导体激光器。

在本发明提供的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，还可以具有这样的特征：其中，石英玻璃板上设置有用于加热的温控电机热片。

在本发明提供的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，还可以具有这样的特征：其中，光谱采集器件为光电探测器。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，因为使用三个激光光源与光谱采集器件就可以得到三个对照图谱和三个测量图谱，进而通过对对照图谱和测量图谱进行数据处理结合比值法和双线法就可以实现对加热透射固体表面上的纯水液滴在沸腾过程中液态水的温度T_l、厚度L、测量误差u以及液滴内部水蒸气的温度T_v、气泡大小d进行在线同步测量，该方法操作简单、成本低廉。

附图说明

图1是本发明的实施例中纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例中三个对照图谱的示意图；以及

图3是本发明的实施例中三个测量图谱的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法作具体阐述。

本实施例通过使用纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量装置来对纯水液滴沸腾过程中的气液两相多参数进行测量。

图1是本发明的实施例中纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量装置的结构示意图。

如图1所示，纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量装置100包括激光控制器10、激光光源20、波分复用器30、准直器40、石英玻璃板50、非球面镜60、光栅70、光谱采集器件80、计算机90。

激光控制器10用于调谐激光波长。

激光光源20同于发射激光。在本实施例中，激光光源20为半导体激光器，激光光源20的数目为三个，三个激光光源20可以发射处三条不同波长的激光。在本实施例中，三条激光的中心波长分别为v₁、v₂、v₃。

波分复用器30用来将三条不同波长的激光耦合成一束。准直器40用来使发散光变成平行光并进行聚光。石英玻璃板50用来承载纯水液滴，石英玻璃板50的下部设置有用于对纯水液滴进行加热使纯水液滴处于沸腾状态的温控电加热片51。非球面镜60用于增大光束直径。光栅70用于将耦合成一束的激光分成三条不同波长的激光。光谱采集器件80用于接收经过光栅分光得到的激光。在本实施例中，光谱采集器件80为光探测器，并且光探测器的数目为三个，三个光探测器可以分别接收一条激光。计算机90用于对光谱采集器件80所收集的信息进行数据处理。

纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法包括以下步骤：

步骤一，调节三个激光光源20、准直器40、非球面镜60、光栅70以及三个光谱采集器件80的位置和角度。

步骤二，通过激光控制器对10中心波长分别为v₁、v₂、v₃的三个激光光源20分别进行扫描得到三个调谐激光。调谐激光为经过调谐后得到的激光。波长v₁、v₂、v₃均为红外光谱中的波长，并且波长v₁位于液态水光谱吸收系数相对较小的位置，波长v₂、v₃位于液态水光谱吸收系数较大且对应的液态水光谱吸收系数对温度的变化率也较大的位置。

步骤三，采用波分复用器30对三个调谐激光进行耦合得到一束耦合激光。

步骤四，将耦合激光依次穿过石英玻璃板50和非球面镜60后被光栅70分光得到中心波长分别为为v₁、v₂、v₃的三个对照激光。

图2是本发明的实施例中三个对照图谱的示意图。

步骤五，通过光谱采集器件80接收三个对照激光的光强信号得到三个对照图谱。如图2所示，对照图谱为波长-光强信号扫描图谱。

步骤六，将纯水液滴滴在加石英玻璃板50上，石英玻璃板50上的温控电加热片51将纯水液滴加热至沸腾状态。

步骤七，将耦合激光依次穿过沸腾状态的纯水液滴、石英玻璃板50以及非球面镜60后被光栅70分光得到中心波长为v₁、v₂、v₃的三个测量激光。

图3是本发明的实施例中三个测量图谱的示意图。

步骤八，通过光谱采集器件80接收三个测量激光的光强信号得到三个测量图谱。如图3所示，测量图谱为波长-光强信号扫描图谱。

步骤九，如图2、3所示，在对照图谱和测量图谱中选出不受水蒸气吸收影响的两个波长位置，记作波长v₂’、v₃’。

步骤十，使用计算机90对对照图谱和测量图谱中的数据进行处理：结合波长v₁、v₂’、v₃’采用比值法得到纯水液滴在沸腾过程中液态水的温度T_l、厚度L以及测量误差u。其中，数据计算基于比尔

-朗伯吸收定律：

τ(ν_i)

表示吸收介质对激光的透射率，I_oi表示激光的入射光光强，I_ti表示激光被介质吸收后的透射光光强，不同波长位置下的液态水的光谱吸收系数k_i与液态水的温度T_l的对应关系可在傅里叶红外光谱上获得:k_i＝f(T_l),i＝(1,2',3')。

步骤十一，使用计算机90对对照图谱和测量图谱中的数据进行处理：结合波长v₂和波长v₃位置附近完整的吸收线积分面积A_i(i＝2,3)，通过双线法得到纯水液滴在沸腾过程中液滴内部的水蒸气的温度T_v和气泡大小d。其中，水蒸气的温度T_v和气泡大小d与水蒸气在波长v₂和v₃位置附近完整的吸收线积分面积A_i(i＝2,3)之间满足以下关系式：A_i＝d·p·S_i(T_v),(i＝2,3)，

水蒸气的温度T_v：

水蒸气的气泡大小d：

S_i(T_v)(i＝2,3)是水蒸气在近红外吸收光谱中波长v_i(i＝2,3)附近与水蒸气温度T_v相关的线强,T_v0是参考温度296K，k是玻尔兹曼常数，h是普朗克常数，c是光速，E'₂'和E'₃'是两个跃迁的低位能，p是大气压强。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，因为使用三个激光光源与光谱采集器件就可以得到三个对照图谱和三个测量图谱，进而通过对对照图谱和测量图谱进行数据处理结合比值法和双线法就可以实现对加热透射固体表面上的纯水液滴在沸腾过程中液态水的温度T_l、厚度L、测量误差u以及液滴内部水蒸气的温度T_v、气泡大小d进行在线同步测量，该方法操作简单、成本低廉。

进一步地，本方法基于比尔-朗伯定律进行数据计算，能够同时高精度的反演纯水液滴内部的液态水的温度和液滴厚度，液滴内部的水蒸气的气泡的大小和温度，并且消除光散射、偏转等引起的光强减弱而带来的测量误差。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，通过激光控制器对中心波长为v₁、v₂、v₃的三个激光光源分别进行扫描得到三个调谐激光；

步骤二，采用波分复用器对三个所述调谐激光进行耦合得到耦合激光；

步骤三，将所述耦合激光穿过石英玻璃板后被光栅分光得到中心波长为v₁、v₂、v₃的三个对照激光；

步骤四，通过光谱采集器件接收三个所述对照激光的光强信号得到三个对照图谱；

步骤五，将所述耦合激光依次穿过沸腾状态的纯水液滴和承载所述纯水液滴的所述石英玻璃板后被光栅分光得到中心波长为v₁、v₂、v₃的三个测量激光；

步骤六，通过所述光谱采集器件接收三个所述测量激光的光强信号得到三个测量图谱；

步骤七，在所述对照图谱和所述测量图谱中选出不受水蒸气吸收影响的两个波长位置，记作波长v_2’、v_3’；

步骤八，结合波长v₁、v_2’、v_3’采用比值法得到所述纯水液滴在沸腾过程中液态水的温度T_l、厚度L以及测量误差u；

步骤九，结合波长v₂和波长v₃位置附近完整的吸收线积分面积，通过双线法得到所述纯水液滴在沸腾过程中液滴内部的水蒸气的温度T_v和气泡大小d。

2.根据权利要求1所述的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，其特征在于：

其中，所述波长v₁、v₂、v₃均为红外光谱中的波长，

所述波长v₁处液态水的光谱吸收系数小于所述波长v₂、v₃处液态水的光谱吸收系数。

3.根据权利要求1所述的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，其特征在于：

其中，步骤八的数据计算基于比尔-朗伯吸收定律：

τ(ν_i)表示吸收介质对激光的透射率，I_oi表示激光的入射光光强，I_ti表示激光被介质吸收后的透射光光强，

不同波长位置下的液态水的光谱吸收系数k_i与液态水的温度T_l的对应关系可在傅里叶红外光谱上获得:

k_i＝f(T_l),i＝(1,2',3')

L表示纯水液滴在沸腾过程中液态水的厚度，u表示测量误差。

4.根据权利要求1所述的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，其特征在于：

其中，步骤九中，所述水蒸气的温度T_v和气泡大小d与所述水蒸气在波长v₂和v₃位置附近完整的吸收线积分面积A_i(i＝2,3)之间满足以下关系式：

A_i＝d·p·S_i(T_v),(i＝2,3)

进而所述水蒸气的温度T_v：

所述水蒸气的气泡大小d：

S_i(T_v)(i＝2,3)是水蒸气在近红外吸收光谱中波长v_i(i＝2,3)附近与水蒸气温度T_v相关的线强,T_v0是参考温度296K，k是玻尔兹曼常数，h是普朗克常数，c是光速，E'₂'和E'₃'是两个跃迁的低位能，p是大气压强。

5.根据权利要求1所述的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，其特征在于：

其中，步骤一之前还需要调节三个所述激光光源、所述光栅以及所述光谱采集器件的位置。

6.根据权利要求1所述的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，其特征在于：

其中，所述激光光源为半导体激光器。

7.根据权利要求1所述的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，其特征在于：

其中，所述石英玻璃板上设置有用于加热的温控电机热片。

8.根据权利要求1所述的纯水液滴沸腾过程中气液两相多参数同步测量方法，其特征在于：

其中，所述光谱采集器件为光电探测器。

Images