专利名称：超急速沸腾状态下汽泡生长过程的瞬态观测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种液体中汽泡生长过程的瞬态观测系统及方法，具体涉及一种在超急速沸腾状态下，液体中汽泡生长过程的瞬态观测系统及方法。
在观测沸腾状态下的汽泡生长过程时，采用连续摄像或高速摄影的方法(参见《Handbook of Heat Transfer Fundamentals》(secondedition)，McGraw-Hill，1985，《传热学》杨世铭编，高等教育出版社，1987年)。但对于在微秒时间内发生的超急速爆发沸腾，要观测其沸腾过程的汽泡行为，必须要求其摄影的曝光时间为微秒量级或所用的高速摄影的拍摄速度为1百万幅/秒以上。目前，通常的摄像或高速摄影方法均难以达到其拍摄速度、照明光源强度与胶卷感光速度的要求。
本发明一种超急速沸腾状态下汽泡生长过程的瞬态观测系统，其特征在于，该系统包含一脉冲激光器；一有液体的透明容器，该脉冲激光器对该透明容器内的液体进行加热；一接收试件，该接收试件浸没于上述透明容器内的液体内；一电火花闪光装置，该电火花闪光装置置于透明容器的一侧；一显微放大摄影装置，该显微放大摄影装置置于透明容器的另一侧；一程序控制和数据计算机，该计算机分别与微放大摄影装置与脉冲激光器连接，并分别控制微放大摄影装置与脉冲激光器；一示波器，该示波器与接收试件连接，以便接收试件的信号可传递给示波器；一计算机，该计算机与示波器连接，以便记录示波器的信号。
其中的脉冲激光器的输出功率密度在1×102MW/m2到1×104MW/m2，脉冲宽度为1μs到30μs。
其中的高压电火花闪光装置的充电电压高达18KV以上，闪光时间小于0.5μs。
其中的显微放大摄影装置可将汽泡图象放大100倍。
其中的盛有沸腾液体的透明容器用石英玻璃制成，具有良好的透明度。
本发明一种超急速爆发沸腾状态下汽泡生长过程的瞬态观测方法，其特征在于，包括如下步骤(1)采用权利要求1所述的汽泡生长过程瞬态观测系统；(2)在容器内注入实验用的液体工质，使之淹没试件的上端面，用计算机设定激光器的输出功率、脉冲宽度和光斑直径；(3)调节电火花闪光装置，使其闪光光束对准透明容器；(4)调节显微放大摄影装置，使其聚焦在透明容器中试件上；(5)通过计算机控制激光器进行激光照射，同时控制电火花闪光装置放电闪光的延迟时间，计算机及示波器记录及观测汽泡生长过程。
图1是本发明的系统结构图。
本发明一种超急速爆发沸腾状态下汽泡生长过程的瞬态观测方法，包括如下步骤(1)采用权利要求1所述的汽泡生长过程瞬态观测系统；(2)在容器2内注入实验用的液体工质，使之淹没试件3的上端面，用计算机7设定激光器的输出功率、脉冲宽度和光斑直径；(3)调节电火花闪光装置4，使其闪光光束对准透明容器2；
(4)调节显微放大摄影装置5，使其聚焦在透明容器2中试件3上；(5)通过计算机7控制激光器1进行激光照射，同时控制电火花闪光装置放电闪光的延迟时间，计算机9及示波器8记录及观测汽泡生长过程。
本发明提供了一种以高压电火花短脉冲放电作为超强照明光源，通过控制电火花的闪光时间，用普通照相机在暗室状态下拍摄不同沸腾状态下的汽泡形态的方法，来获得超急速爆发沸腾状态下汽泡在从起始沸腾的零时刻至约1毫秒期间各个不同时刻的汽泡生成形态，从而间接获得汽泡生长过程的系列照片。所获得的系列照片，将为对超急速爆发沸腾的深入研究与工业控制提供重要依据。
本发明观测系统的脉冲激光器1为NdYAG可编程脉冲激光器，其波长为1.06μm，脉冲宽度为1～30μs，光斑直径为1～10mm，一次脉冲的功率密度最高可达1.0×104MW/m2。照明用高压电火花闪光装置4的闪光时间小于0.5μs，充电电压为18～20KV。盛有液体的透明容器2用石英玻璃制成。激光接收试件3为一直径为1.6mm的石英玻璃棒，其上端面用真空镀膜机镀一层厚度仅1μm铂金膜，该铂金膜即可用于接收脉冲激光的辐射热，继而将其接收的热传给透明容器3中的液体工质，并使其产生超急速爆发沸腾；同时，该铂金膜又是一个电阻温度传感元件，通过其接收辐射热后的温度—电阻变化，并通过调制器将该电阻变化转变为电压变化后，用数字示波器8记录，从而得到该试件在接收脉冲激光辐射后所产生的温度变化。数字示波器8的记录速度可达500MS/s，即相当于每秒钟可记录5亿个电压变化数据。
(2)调节闪光照明光源的位置，使其闪光光束对准液体容器2。
(3)通过延迟调节器6预设闪光器4滞后于脉冲激光照射的闪光时间。如果滞后时间为零，即相当于在激光照射的同时闪光，从而可以拍摄激光照射后零时间的沸腾图像。若预设的延迟时间为10μs，即相当于在激光照射后10μs时曝光，从而可拍摄到激光照射10μs时刻的沸腾汽泡图象，依次类推。
(4)调节显微放大机5的位置，使其聚焦在液体容器中试件上表面附近的视场。
(5)在照相机内装入高速感光彩色胶卷。本发明采用ISO1600彩色胶卷。
(6)使整个实验环境处于暗室状态，然后打开照相机快门等待感光。
(7)通过计算机操纵激光器进行激光照射，并按预设的延迟时间使电火花放电闪光，此时照相机胶卷因闪光而感光成像。同时，示波器记录下试件表面的温度变化。
(8)保持激光加热器的输出参数不变，改变高压点火花的闪光延迟时间，重复上述操作过程，即可拍摄到相同实验条件下，滞后于激光照射另一时刻的沸腾汽泡生长照片。由此多次重复，即可得到在脉冲激光照射下液体中产生超急速爆发沸腾时汽泡生长过程的系列照片。
(9)改变激光输出参数或改变液体工质种类，即可得到不同工况与不同工质产生超急速沸腾的系列照片。
本发明可广泛用于原子能、高温冶金、超导、微电子及生物工程等各种剧烈沸腾过程的观测与控制。
权利要求
1.一种超急速沸腾状态下汽泡生长过程的瞬态观测系统，其特征在于，该系统包含一脉冲激光器；一有液体的透明容器，该脉冲激光器对该透明容器内的液体进行加热；一接收试件，该接收试件浸没于上述透明容器内的液体内；一电火花闪光装置，该电火花闪光装置置于透明容器的一侧；一显微放大摄影装置，该显微放大摄影装置置于透明容器的另一侧；一程序控制和数据计算机，该计算机分别与微放大摄影装置与脉冲激光器连接，并分别控制微放大摄影装置与脉冲激光器；一示波器，该示波器与接收试件连接，以便接收试件的信号可传递给示波器；一计算机，该计算机与示波器连接，以便记录示波器的信号。
2.根据权利要求1所述的汽泡生长过程瞬态观测系统，其特征在于，其中的脉冲激光器的输出功率密度在1×102MW/m2到1×104MW/m2，脉冲宽度为1μs到30μs。
3.根据权利要求1所述的汽泡生长过程瞬态观测系统，其特征在于，其中的高压电火花闪光装置的充电电压高达18KV以上，闪光时间小于0.5μs。
4.根据权利要求1所述的汽泡生长过程瞬态观测系统，其特征在于，其中的显微放大摄影装置可将汽泡图象放大100倍。
5.根据权利要求1所述的汽泡生长过程瞬态观测系统，其特征在于，其中的盛有沸腾液体的透明容器用石英玻璃制成，具有良好的透明度。
6.一种超急速爆发沸腾状态下汽泡生长过程的瞬态观测方法，其特征在于，包括如下步骤(1)采用权利要求1所述的汽泡生长过程瞬态观测系统；(2)在容器内注入实验用的液体工质，使之淹没试件的上端面，用计算机设定激光器的输出功率、脉冲宽度和光斑直径；(3)调节电火花闪光装置，使其闪光光束对准透明容器；(4)调节显微放大摄影装置，使其聚焦在透明容器中试件上；(5)通过计算机控制激光器进行激光照射，同时控制电火花闪光装置放电闪光的延迟时间，计算机及示波器记录及观测汽泡生长过程。
全文摘要
一种超急速沸腾状态下汽泡生长过程的瞬态观测系统，该系统包含一脉冲激光器；一有液体的透明容器，该脉冲激光器对该透明容器内的液体进行加热；一接收试件，该接收试件浸没于上述透明容器内的液体内；一电火花闪光装置，该电火花闪光装置置于透明容器的一侧；一显微放大摄影装置，该显微放大摄影装置置于透明容器的另一侧；一程序控制和数据计算机，该计算机分别与微放大摄影装置与脉冲激光器连接，并分别控制微放大摄影装置与脉冲激光器；一示波器，该示波器与接收试件连接，以便接收试件的信号可传递给示波器；一计算机，该计算机与示波器连接，以便记录示波器的信号。
文档编号G03B15/16GK1466015SQ02140288
公开日2004年1月7日 申请日期2002年7月3日 优先权日2002年7月3日
发明者刘登瀛, 淮秀兰, 金仁喜, 董兆一, 张正芳 申请人:中国科学院工程热物理研究所