本发明属于光催化及多相流交叉技术领域，具体涉及一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法，特别涉及到光催化过程中通过外部扰动调控光电极表面及表面附近气泡动力学行为的装置与方法。
背景技术：
多相流动和能质传输现象广泛存在于能源转化和利用的主要过程，如氢能制备中的微多相流光化学与热化学反应过程、大型热能动力系统与过程内部的汽液两相流动与传热、油气藏高效开采与混输过程中的气-液-固三相流等。而气泡作为分散相，对整个体系的动量、质量和热量传递具有直接的重要影响。因此对于气泡动力学行为的深入理解是研究气液两相系统传递规律和机理的基础，能对许多实际工业问题提供高效科学的指导。
目前针对气泡动力学领域的研究，国内外学者主要集中在沸腾换热方面，研究单孔形成气泡的生长及脱离行为特性，及其对优化气水管理和增强流场内的质量传递等的影响；也有学者研究气泡与壁面之间的相互作用规律，如上浮气泡撞击水平或者倾斜壁面，气泡在壁面上发生弹跳或滑移等行为过程中的能量传递及行为特性等；也有学者研究体系中气泡间的碰撞和融合等行为特性对气液两相体系能质传递效率的影响规律等。在气泡行为控制方面，有学者通过在微型压电泵内引入引流道促进气泡脱离，有学者采用超声波控制微气泡在液体中的运动或通过外加磁场控制气泡的生长与脱离，也有学者通过气泡静电纺丝装置控制气泡的形态，在医疗领域还有通过微处理器和压力模块控制气泡的产生频率及混匀程度等。但是通过光催化手段产生气泡，并由外部扰动控制气泡的行为特性，尤其是通过多种外部扰动方式调控光催化过程中气泡在电极表面上的滑动、碰撞及在电极表面附近的弹跳、聚并等动力学行为的研究鲜有报道。
技术实现要素：
本发明公开了一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法，通过多种外部扰动方式调节激光在电极表面的时空特性，从而控制光催化产生气泡的行为特性。其中，单激光双光路的设计可通过移动激光聚焦位置驱动双气泡的移动、碰撞和聚并等行为特性，另外通过斩波系统及三维电动位移平台可以控制气泡在电极表面上的弹跳和滑动等行为特性，同时可以控制气泡的生长脱离特性。该发明旨在深入研究光催化过程中控制气泡行为的内在机理，发展一种研究气泡行为对多相流体系能质传输效率的影响机制的实验系统与方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置，系统装置包括激发光源系统、外部扰动系统、催化反应系统和高速摄像系统，所述激发光源系统产生激发光束，通过外部扰动系统改变入射至催化反应系统内的光束属性，由高速摄像系统记录催化反应系统内的气泡行为，其中激发光源系统包括激光器、消色差激光扩束镜、半透半反棱镜和凸透镜，由上至下安装在支撑棒上，外部扰动系统包括斩波片、斩波控制器、三维电动位移台、精密运动控制器和光束转折器，斩波片连接斩波控制器，三维电动位移台连接精密运动控制器，光束转折器安装在光学平台上。
进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置，其特征在于，激光器产生的激光束通过消色差激光扩束镜、半透半反棱镜和凸透镜的轴心位置，凸透镜安装在一维位移台上，斩波片安装在激光器与消色差激光扩束镜之间，也可以安装在半透半反棱镜和光束转折器之间，或者安装在半透半反棱镜和凸透镜之间，高速摄像系统安装在三维调节架上，高亮度led灯正对显微镜，电化学工作站、精密运动控制器和高速摄像机连接计算机。
进一步地，一种基于上述装置的由激光驱动气泡动力学行为的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，所述激光器产生激发光束，激发光经过半透半反棱镜后被平均分为两束，反射光束部分经光束转折器反射后与透射光束部分通过凸透镜进行聚焦，透射光和反射光在电极表面聚焦位置分别产生单气泡；
步骤二，调节光束转折器的反射角度，控制反射光束驱动的气泡在电极表面运动，并与透射光束在电极表面驱动的气泡发生相互作用；
步骤三，通过调节斩波控制器控制斩波片的斩波频率，对光路进行斩光，从而驱动电极表面催化反应产生气泡的动力学行为。
步骤四，通过三维电动位移台控制激光聚焦光斑在电极表面上相对运动，从而驱动电极表面气泡动力学行为。
步骤五，由高速摄像系统记录催化反应系统中气泡的动力学行为。
进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的方法，其特征在于，外部扰动系统可以实现多种扰动方式，包括斩波片对光路进行斩光，光束转折器调节入射光束在电极表面的位置，和三维电动位移台控制聚焦光斑在电极表面的相对运动。
进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的方法，其特征在于，通过一维位移台调节凸透镜在光路中的位置，使凸透镜距离光电极表面9cm-11cm之间，控制透射光和反射光在电极表面聚焦光斑直径小于1mm。
进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为方法，其特征在于，光束转折器的倾斜角度调整范围为±4°，使反射光路聚焦光斑位置与透射光路聚焦光斑位置距离1mm以内。
进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的方法，其特征在于，外部扰动系统中多种扰动方式独立工作，每种扰动方式可以单独控制电极表面气泡的动力学行为，也可以多种扰动方式耦合控制电极表面气泡的动力学行为。
进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的方法，其特征在于，通过精密运动控制器控制三维电动位移台带动反应池运动，间接带动反应池内光电极运动，从而控制光电极上的聚焦光斑发生相对运动，进而控制光催化产生的气泡在电极表面上的动力学行为。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述的一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法，基于单激光双光路的设计，可以使双光路分别在电极表面产生气泡，并通过多种外部扰动方式调控气泡的动力学行为特性。首先，本发明可通过光束转折器调节反射光路入射位置驱动电极表面产生的气泡的运动，从而控制该气泡与透射光路中的气泡发生相互作用；其次，斩光系统可以安装在主光路或者任意分光路中，控制双气泡或者单气泡的弹跳特性，结合光束转折器的角度调节，可以控制弹跳中的气泡与静止气泡发生相互作用；再次，三维电动位移台速度可调，不但可以控制单气泡或双气泡在电极表面的运动，而且可以使相对静止在电极表面生长的气泡处于一定的流场中，促进微气泡在反应界面的快速脱附与扩散。本发明通过多种外部扰动方式的耦合控制气泡的动力学行为，其外部扰动系统精密可调控，装置易于改装，对气泡动力学行为的研究很有价值，在实际应用中十分灵活。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是激光驱动气泡在电极表面上的移动与聚并示意图，图2(a)是气泡受激光驱动在电极表面移动示意图，图2(b)为实拍图片，其中带有箭头标志的气泡为移动的气泡，箭头方向代表移动方向，带有字母标志的为电极表面固有的气泡；
图3是单激光双光路控制双气泡间相互作用的高速摄像图片，图3(a)为移动的气泡与固定位置大小近似相等的气泡融合的过程，图3(b)为移动的小气泡与固定位置较大的气泡融合的过程；
图4是弹跳中的小气泡与大气泡相互作用的高速摄像图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1，本发明的一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法，系统装置由激发光源系统、外部扰动系统、催化反应系统和高速摄像系统四部分组成，其中激发光源系统包括激光器1、消色差激光扩束镜4、半透半反棱镜5和凸透镜7，外部扰动系统包括斩波片3、斩波控制器4、三维电动位移台15、精密运动控制器16和光束转折器6，催化反应系统包括反应池12和电化学工作站10，高速摄像系统包括高速摄像机14和显微镜13。
其中激光器1产生激发光束，主光路激光经半透半反棱镜5平均分为两束功率相等的光束，其中透射分光束直接经过凸透镜7聚焦，而反射分光束经过光束转折器6再反射后通过凸透镜7聚焦，两束光分别入射至反应池12内的水平光电阳极表面，凸透镜7通过一维位移台8调节在光路中的位置来调节光电极表面的聚焦光斑大小，斩波片2由接斩波控制器3控制斩波频率，高速摄像系统安装在三维调节架17上，高亮度led灯9正对显微镜13，满足背影法拍摄的进光量需求，三维电动位移台15由精密运动控制器16控制运动方向及速度，电化学工作站10、精密运动控制器16和高速摄像机14需连接计算机18通过软件进行控制。
其中电解液为0.5mol/l的硫酸钠溶液，光电阳极采用水热法制备的tio2纳米阵列薄膜电极，阴极为铂丝电极，高速摄像机14拍摄速度设置范围为500～10000fps，显微镜13放大倍率设置为2.4×，激光器1波长376nm，激光功率设置13mw，电化学工作站10的恒电压设置为0.1v，斩波器的斩波频率范围是4hz-3.7khz，凸透镜7焦距为100mm，一维位移台8行程±6.5mm，光束转折器6倾斜角度调整范围为±4°，光束提升高度为180mm，三维电动位移台15x、y轴方向最大行程50mm，最大移动速度12mm/s，分辨率达到2.5μm，z轴方向最大行程50mm，最大移动速度5mm/s，分辨率达到0.1μm。
本发明的创新方法主要体现在，所述的一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法，基于单激光双光路的设计，可以使双光路分别在电极表面产生气泡，并通过多种外部扰动方式的耦合控制气泡的动力学行为特性，系统装置容易改装，可重复性强，在实际应用中十分灵活。
本发明基于上述装置与方法，给出以下实施例：
实施例1：气泡在电极表面上的移动与聚并
气泡间的相互作用包括碰撞接触、尾流诱导接触和剪切运动。本实施例中，通过调节三维电动位移台15控制激光聚焦光斑在电极表面的相对位置，相对运动的激光束驱动气泡在电极表面上发生移动和聚并，实施方案及结果如下所述：
基于图1所示实验系统，不使用斩光系统、半透半反棱镜5和光束转折系统6，三维电动位移台15由精密运动控制器16进行控制，电解液为0.5mol/l的na2so4溶液，激光功率13mw，施加偏压0.1v，高速摄像拍摄速度250fps，显微镜放大倍数2.4×，实验均在室温常压下进行。
在上述实施条件下，激光聚焦位置产生气泡，通过三维电动位移台(15)控制电极表面的激光聚焦位置发生相对移动，从而驱动气泡在电极表面发生运动，平移过程中气泡继续生长，并与电极表面上停留的其他气泡发生碰撞和聚并，最终气泡脱离表面而上升，激光驱动气泡在电极表面运动的示意图如图2(a)所示。这里特别要说明的是，实验通过移动光电极的位置使光束在电极表面的相对位置发生变化，这样做的好处是使移动中的气泡始终处于摄像机视野中心，便于观察，实验效果图如图2(b)所示，图中带有箭头标志的气泡为移动的气泡，箭头方向代表移动方向，带有字母标志的为电极表面固有的气泡。
实施例2：单激光双光路双气泡间的相互作用
本实施例将讨论单激光双光路产生双气泡相互作用的调控方法，其中包括移动中的气泡与固定气泡聚并，弹跳中的小气泡与固定大气泡发生碰撞并聚并，实施方案及效果如下所述：
基于图1所示实验系统，斩波片2可安装在主光路或任意分光路中，斩波频率为20hz，电解液为0.5mol/l的na2so4溶液，激光功率13mw，施加偏压0.1v，高速摄像拍摄速度10000fps，显微镜放大倍数2.4×，实验均在室温常压下进行。
在上述实施条件下，利用半透半反棱镜5和光束转折系统6将主光路分为两个分光路，分别经过凸透镜7中心附近入射至电极表面，一束垂直入射到电极表面产生固定位置的气泡，另一束经过光束转折器6调节入射角度，在光电极上产生移动的气泡，二者产生的气泡可以发生相互作用，如碰撞与聚并等。图3给出了受激光驱动而移动的气泡与固定位置气泡融合的过程，图3(a)为移动的气泡与固定位置大小近似相等的气泡融合的过程，图3(b)为移动的小气泡与固定位置较大的气泡融合的过程。图中可以看出，气泡融合过程发生变形，且在气泡聚并的瞬间便脱离电极表面，气泡聚并时间即液膜变薄与液膜破裂的时间总和在1ms以内，合并加变形的过程共持续2ms左右。
将斩波片2安装在半透半反棱镜5光束转折器6之间，只对该分光路进行斩光，分光路产生的气泡发生弹跳，本实施例中斩波频率为20hz。通过光束转折器调节入射光角度可以驱动弹跳中的小气泡在电极表面移动，当弹跳中的小气泡接近固定位置的大气泡时，会被大气泡吸引并与之发生碰撞，发生一定次数碰撞之后被大气泡吞并吸收，过程如图4所示。在本实施例中的气泡相互作用时，可以设置三维位移台面以固定速度在一定范围内水平移动，相当于使气泡的生长及相互作用过程中处于一定的流场中，这对于研究剪切流中的气泡行为很有帮助。
需要说明的是，以上所述实施例只是本发明能够实现的部分实例，本发明不限于这些实施例，对于实施例中所用的实验器材和仪器型号不作特别限制，可以由相同或相近功能的实验器材和仪器代替，试验工况也可以在一定范围内进行替代，因此本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。