强激光影响云雾-不饱和空气湍流混合过程的装置及方法

本发明属于云雾研究与人工影响天气，尤其涉及一种强激光影响云雾-不饱和空气湍流混合过程的装置及方法。

背景技术：

1、云雾饱和气流与周围不饱和气流之间的湍流夹卷混合过程，是云物理和动力过程中不确定性最大的过程之一，也被认为是解开暖云降水之谜的关键所在。但是，由于数值模拟和飞机观测等研究手段的诸多不足，使得对于湍流夹卷混合过程影响云雾的机制认识还远远不够。

2、云雾室是人工影响天气领域用于研究云微物理和动力过程的重要设备。我国相继建造了多种类型具有不同功能的云室，容积在数十立方米到上百立方米不等。另外，还有一些特种云雾室，比如申请号为cn1557132a公开了一种模拟过冷雾的混合云室；申请号为cn111145626a的发明专利公开了一种模拟激光穿越不同云层的装置。在这些云雾室中开展的相关研究，为云物理学理论和人工影响天气技术的发展提供了宝贵的数据。然而，由于缺少稳定可控的实验室模拟装置，对云雾-不饱和空气湍流混合过程相关认识还不够深入。随着理论研究的不断深入，研制一款稳定可靠、功能多样的专用云雾室对相关理论模型进行验证，相应的需求日益突出。同时，由于云雾-不饱和空气的混合涉及多相流动问题，二者交界面处的流动极为复杂，传统的测量手段无法实现该过程的观测，需要引入新的流场手段实现水气交界面混合过程的观测。

3、另一方面，飞秒激光是近年来国际上非常受到关注的一种影响云雾的新方式，具有广阔的应用前景。飞秒强激光脉冲在空气中聚焦成光丝结构，短时间内能沉积大量的能量，从而产生明显的湍流扰动，对局地云雾产生重要影响。然而，这种强激光诱导产生的湍流扰动具体如何对云雾产生影响，相关的机理还没得到很好揭示。更为重要的是，现有的实验室飞秒激光影响云雾实验都是在小型封闭腔体中开展的，模拟的云雾环境单一、条件苛刻，也使得该技术备受质疑。因此，对飞秒强激光影响云雾技术，还需要进一步开展精细的观测实验，对相关机理和技术可行性进行深入验证，才能更快推断该技术走向应用。

4、因此，需要设计一种强激光影响云雾-不饱和空气湍流混合过程的装置及方法来解决上述的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种强激光影响云雾-不饱和空气湍流混合过程的装置及方法。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种强激光影响云雾-不饱和空气湍流混合过程的装置，包括：

3、支架组件，所述支架组件固定在地面上；

4、云雾模拟腔室，所述云雾模拟腔室固接在所述支架组件上；所述云雾模拟腔室内设置有温湿度测量组件；所述云雾模拟腔室内还设置有排水组件和温度控制组件；

5、云雾发生组件，所述云雾发生组件设置在所述云雾模拟腔室下方并与所述云雾模拟腔室内腔连通；

6、强激光干预组件，所述强激光干预组件用于在所述的云雾模拟腔室中需要的位置处产生不同强度的湍流扰动；

7、拍照记录组件，所述拍照记录组件与所述云雾模拟腔室对应设置。

8、优选的，所述支架组件包括若干纵向平行设置的立柱，相邻的两所述立柱之间固接有横梁；所述云雾模拟腔室固接在若干所述立柱之间；两所述横梁之间滑动连接有连接横杆，所述连接横杆的底端固接有连接竖杆，所述连接竖杆伸入所述云雾模拟腔室内。

9、优选的，所述云雾模拟腔室包括水平固接在若干所述立柱之间的底板，相邻的所述立柱之间固接有壁面，所述壁面的侧边两两固接，所述壁面的底端与所述底板顶面密封固接；所述云雾发生组件位于所述底板下方并与所述云雾模拟腔室内腔连通。

10、优选的，所述云雾模拟腔室内盛装有水层，所述排水组件和所述温度控制组件均设置在所述水层对应设置。

11、优选的，所述云雾发生组件包括超声雾化器，所述超声雾化器与设置在所述底板下方的收集底座固接并连通，所述收集底座的顶端固接并连通有上部输送管，所述上部输送管贯穿所述底板并伸入所述云雾模拟腔室内。

12、优选的，所述强激光干预组件包括飞秒激光器，所述飞秒激光器的出射口朝向所述云雾模拟腔室并设置有聚焦透镜；所述壁面上依次开设有所述飞秒激光器出射口对应设置的第一通光孔和第二通光孔；所述第二通光孔远离所述第一通光孔的一侧对应设置有挡光器。

13、优选的，所述温湿度测量组件包括若干纵向等间距固接在所述连接竖杆上的温度传感器和若干湿度传感器，最低端的所述温度传感器进入水层中，最低端的所述湿度传感器距离水层的距离为5cm-20cm。

14、优选的，所述拍照记录组件包括ccd相机，所述ccd相机的镜头朝向所述云雾模拟腔室；所述壁面上开设有与所述ccd相机镜头对应设置的观察口。

15、优选的，与开设有所述观察口的所述壁面相邻的两所述壁面分别设置有第三通光孔反射镜，所述反射镜与所述第三通光孔对应设置；所述第三通光孔远离所述反射镜的一端设置有柱面镜，所述柱面镜远离所述第三通光孔的一端设置有第二激光器，所述第二激光器的出射口与所述柱面镜对应设置。

16、一种强激光影响云雾-不饱和空气湍流混合过程的方法，包括以下步骤：

17、s1.开启强激光干预组件并调节激光脉冲能量，使得飞秒激光脉冲在云雾模拟腔室中部位置形成光丝结构，并记录成丝的高度；

18、s2.挡住强激光干预组件出射口，往云雾模拟腔室底部注入蒸馏水，形成水层；

19、s3.开启温度控制组件，将水层温度加热到指定值，并读取相应高度温度值，记录温度值时间变化；

20、s4.当相应高度温度值分钟变化幅度小于5％时，开启云雾发生组件，并设置相应的参数；

21、s5.开启拍照记录组件，记录云雾粒子运动图像；

22、s6.满足设置时间后，关闭云雾发生组件，并记录云雾气流的变化过程；

23、s7.当云雾自然消散后，对云雾模拟腔室进行彻底通风以去除所有液滴，恢复原始状态，从而为下一次测量准备条件；

24、s8.重复s1-s5步骤；

25、s9.当云雾弥散高度至光丝位置高度时，移开挡住强激光干预组件出射口的物体，记录相应飞秒激光脉冲聚焦区域粒子运动图像；

26、s10.满足设置时间后，关闭云雾发生组件，利用拍照记录组件记录云雾气流的变化过程；

27、s11.重复s1-s10，进行多组对比实验；

28、s12.对比无强激光干预和有强激光干预两种情况下，不同时刻拍照记录系统粒子图像的差异，分析强激光人工干预的效果。

29、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明使用时，先向云雾模拟腔室内加入适量的水，然后通过强激光干预组件先限定界限后挡住，并通过温度控制组件调节水温到指定值，然后启动云雾发生组件，使得云雾到达预设的界限，然后通过拍照记录组件记录云雾的变化规律；然后清空云雾模拟腔室，再次调节水层温度、启动云雾发生组件到界限，然后移开挡住强激光干预组件的挡板，使飞秒激光脉冲穿过云雾，并记录该强度飞秒激光脉冲影响下的云雾变化规律，研究飞秒激光脉冲大于云雾混合的影响，并通过拍照记录组件进行记录。

30、本发明的装置，可以通过改变云雾模拟腔室底部水层的温度，与实验室温度在垂直方向上形成温度梯度，从而可以模拟不稳定对流层和稳定逆温层等大气环境下的云雾-不饱和空气湍流混合过程以及用于研究利用强激光对该过程进行人工干预的效果，结构简单，模拟的大气环境多样，操作方便，可以用于研究湍流扰动对云滴行为的影响，为云雾物理研究和人工影响天气技术的发展提供参考。