本發(fā)明涉及液體汽化過程研究裝置，尤其涉及一種汽化泡熱效應的研究裝置。屬于流體力學及傳熱學范疇，實驗流體力學技術領域。

背景技術：

當一定溫度的液體內部局部壓力降低到液體飽和蒸汽壓時，或者當一定壓力的液體內部局部溫度升高到液體的沸點時，就會產生汽化現(xiàn)象，同時溶解于液體中的氣體也會析出，一同形成汽泡，當汽泡周圍的壓力升高或者溫度降低，泡內的蒸汽重新凝結，汽泡潰滅。這種液體內部汽泡的產生、發(fā)展、潰滅，以及由此引發(fā)的一系列物理和化學變化過程即為汽化泡的演變過程。

汽化泡廣泛存在于流體機械、傳熱傳質、能源及航空航天等工程領域。例如，在水力機械、液體火箭發(fā)動機與動力機械的燃料供應系統(tǒng)以及火力與核電的回路中，空化是一種十分常見的現(xiàn)象，空化的發(fā)生往往會導致機器效率下降并引起振動、噪聲和材料表面破壞等問題，嚴重時會使機器不能正常工作；在燃燒裝置與電子器件中，通過沸騰來強化散熱效果；也有研究人員利用空化及沸騰這種汽化過程來實現(xiàn)滅菌、制備小分子水、污水處理以及材料表面改性等。汽化泡的演變包含了豐富的物理化學信息，一直以來備受研究人員的關注。

液體的汽化過程是一吸熱過程，而凝結過程則會放出熱量，這就使得汽化泡的演變過程伴隨著熱量的傳遞和當?shù)販囟鹊母淖?，并且這一過程在不同液體介質及不同汽化條件下的劇烈程度也是不一樣的。隨著汽化過程熱效應的增強，當?shù)販囟茸兓瘜ζ^程的影響以及熱邊界層對流體動力的影響也越來越顯著。目前研究人員對汽化泡溫度的測量只是通過單點溫度傳感器獲取，即便布置多個溫度傳感器也很難反應出完整的溫度場信息，進而也捕捉不到熱邊界層的變化，更無法將熱邊界層與可視化汽化泡形態(tài)進行對比分析。若采用紅外熱成像技術來采集溫度場信息，由于紅外熱成像的特點，則只能采集到容器表面或者液體表面的溫度場而無法獲得液體內部汽化泡的溫度場。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了在科研中進行汽化泡生成及潰滅過程熱效應的研究，提供一種汽化泡熱效應的研究裝置。該研究裝置能實現(xiàn)可視化圖像和溫度場的同步采集，所獲取的試驗數(shù)據(jù)對汽化泡熱效應的研究有重要價值，同時還能夠便捷地實現(xiàn)研究介質的更換和介質溫度的調節(jié)。

本發(fā)明是通過下述技術方案實現(xiàn)的。

一種汽化泡熱效應的研究裝置，包括汽化泡生成裝置、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

汽化泡生成裝置用于生成汽化泡，并為汽化泡的運動提供空間；包括水箱、銅絲、電極、電極支架、電火花控制器，連接關系：水箱為上方敞口的方形水箱；水箱的一面?zhèn)缺陂_設有通孔，可通過密封墊片和密封環(huán)對通孔進行密封；電極支架放置于水箱的上方；兩根電極通過電極支架懸空固定在水箱的上方并插入到水箱中；兩根電極的頂端分別通過電線與電火花控制器連接，電極底端各連接一根銅絲，需保證兩根銅絲的非連接端不接觸，且位于同一平面上，兩根銅絲的底端的間隔距離小于電火花的擊穿距離。

溫度控制系統(tǒng)用于調節(jié)研究液體的溫度，測量液體或者汽化泡的溫度；包括電加熱管、電加熱管開關、溫度傳感器、溫度采集器，連接關系：電加熱管懸浮放置于水箱的液體中；電加熱管通過電線與電加熱管開關連接；溫度傳感器懸浮放置于水箱的液體中，用于測量所生成氣泡的邊界處的溫度，溫度傳感器通過引線與溫度采集器連接。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集并存儲汽化泡生成及潰滅過程的圖像和溫度場數(shù)據(jù)；包括紅外傳光束、高速熱成像相機、高速相機、計算機，連接關系：紅外傳光束通過水箱側壁的通孔一端放入水箱中，另一端與高速熱成像相機連接；紅外傳光束到兩根銅絲的底端連線的中心點的距離不小于電火花所能生成的最大汽化泡的半徑；高速熱成像相機用于采集汽化泡周圍的溫度場，高速熱成像相機通過數(shù)據(jù)傳輸線與計算機連接；高速相機用于拍攝汽化泡的形態(tài)；高速相機通過數(shù)據(jù)傳輸線與計算機連接；計算機可對高速熱成像相機和高速相機進行控制。

紅外傳光束由保護玻璃、物鏡、紅外光纖束、目鏡、鏡頭卡口、外套管、內套管、探頭保護罩組裝而成；紅外光纖束由多條紅外光纖組成，紅外光纖束前端依次為物鏡和保護玻璃，在紅外光纖束與保護玻璃之間留有物鏡的調節(jié)空間；紅外光纖束后端為目鏡并留有調節(jié)空間；紅外光纖束、物鏡、保護玻璃、目鏡均被內套管包裹，紅外光纖束將內套管填充滿，物鏡、保護玻璃、目鏡的外徑與內套管的內徑相同，物鏡和目鏡與內套管配合連接，保護玻璃與內套管固定連接；內套管安裝有物鏡和保護玻璃的一端的外側被探頭保護罩包裹，其余部分被外套管包裹；內套管安裝有目鏡的一端與鏡頭卡口配合連接；鏡頭卡口與高速熱成像相機的鏡頭配合連接；

所述水箱采用透明亞克力材質；

所述溫度傳感器的探頭到到兩根銅絲的底端連線的中心點的距離不小于電火花所能生成的最大汽化泡的半徑；

所述紅外光纖束采用紅外光纖材質及結構；

所述物鏡、保護玻璃和目鏡均采用藍寶石玻璃材質；

所述內套管采用軟塑料材質；

所述外套管采用橡膠材質。

安裝過程：兩根電極通過電極支架懸空固定在水箱的上方并插入到水箱中，兩根電極的底端各連接一根銅絲，兩根銅絲的非連接端不接觸，且與水箱設有的通孔的孔心位于同一平面上，兩根銅絲的底端的間隔距離小于電火花的擊穿距離；溫度傳感器通過支撐固定于兩根銅絲的上方，溫度傳感器的探頭到兩根銅絲的底端連線的中心點的距離不小于電火花所能生成的最大汽化泡的半徑；將紅外傳光束的探頭保護罩取下，紅外傳光束安裝有物鏡和保護玻璃的一端從水箱側壁的通孔插入水箱中，再將探頭保護罩安裝到紅外傳光束上，保護玻璃到兩根銅絲的底端連線的中心點的距離不小于電火花所能生成的最大汽化泡的半徑；紅外傳光束的外套管與水箱的通孔配合接觸，并通過密封墊片和密封環(huán)對通孔進行密封；紅外傳光束的鏡頭卡口與高速熱成像相機的鏡頭配合連接；高速相機安裝在水箱開設通孔壁面的對面一側，并與通孔的孔心位于同一平面。

具體工作過程：

按照所述安裝過程將研究裝置安裝完畢后，將待研究液體倒入水箱中，液體完全淹沒銅絲，液體的具體高度可根據(jù)試驗需要進行調節(jié)；打開電加熱管開關，電加熱管對研究液體進行加熱，溫度采集器實時顯示水箱內研究液體的溫度，研究液體被加熱到指定溫度后關閉電加熱管開關；調節(jié)并觸發(fā)電火花控制器，使兩根銅絲之間產生電火花，電火花周圍的研究液體被快速加熱而發(fā)生汽化，由于電火花產生的能量高且位置集中，因為所生成的汽化泡呈基本球形；在電火花觸發(fā)的瞬間，通過計算機控制高速熱成像相機、高速相機和溫度采集器按照設定的頻率同步工作，采集汽化泡演變過程中相應的數(shù)據(jù)并存儲在計算機中；溫度傳感器采集得到的汽化泡邊界處的單點溫度能夠用于校準高速熱成像相機采集得到的溫度場；對高速熱成像相機采集得到的溫度場和高速相機采集得到的汽化泡的形態(tài)進行對比分析，就能夠對汽化泡演變過程的熱效應進行深入研究。

根據(jù)試驗需求，可快速更換不同的研究液體，液面高度可調節(jié)，液體溫度可調節(jié)，所生成的汽化泡尺度可通過電火花控制器調節(jié)；由于紅外傳光束的內套管和外套管均采用易變形材質，紅外傳光束的探頭進行適當調節(jié)，可從不同角度采集汽化泡的溫度場數(shù)據(jù)。

有益效果

1、本發(fā)明的一種汽化泡熱效應的研究裝置，能夠實現(xiàn)汽化泡演變過程的汽泡形態(tài)和溫度場的同步采集。

2、本發(fā)明的一種汽化泡熱效應的研究裝置，結構簡單，使用方便，安全可靠，能夠快速更換不同的研究液體，調節(jié)研究液體的溫度，調節(jié)生成汽化泡的尺度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種汽化泡熱效應的研究裝置示意圖；

圖2為紅外傳光束內部示意圖；

圖3為紅外傳光束A-A截面圖。

其中，1—水箱、2—紅外傳光束、3—高速熱成像相機、4—密封墊片、5—密封環(huán)、6—銅絲、7—電極、8—溫度傳感器、9—電加熱管、10—溫度采集器、11—電極支架、12—計算機、13—電火花控制器、14-電加熱管開關、15-高速相機、201-保護玻璃、202-物鏡、203-紅外光纖束、204-目鏡、205-鏡頭卡口、206-外套管、207—內套管、208—探頭保護罩。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1

一種汽化泡熱效應的研究裝置，包括汽化泡生成裝置、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

如圖1所示，汽化泡生成裝置用于生成汽化泡，并為汽化泡的運動提供空間；包括水箱1、密封墊片4、密封環(huán)5、銅絲6、電極7、電極支架11、電火花控制器13，連接關系：水箱1為上方敞口的方形水箱，水箱1的一面?zhèn)缺陂_設有通孔；電極支架11放置于水箱1的上方；兩根電極7通過電極支架11懸空固定在水箱1的上方并插入到水箱1中；兩根電極7的頂端分別通過電線與電火花控制器13連接，底端分別連接兩根銅絲6。

所述水箱1采用透明亞克力材質。

如圖1所示，溫度控制系統(tǒng)用于調節(jié)研究液體的溫度，測量液體或者汽化泡的溫度；包括電加熱管9、電加熱管開關14、溫度傳感器8、溫度采集器10，連接關系：電加熱管9通過支撐固定于水箱1的底部并不與水箱1直接接觸，電加熱管9通過電線與電加熱管開關14連接；溫度傳感器8通過支撐固定于水箱1中間，溫度傳感器8通過引線與溫度采集器10連接。

如圖1所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集并存儲汽化泡生成及潰滅過程的圖像和溫度場數(shù)據(jù)；包括紅外傳光束2、高速熱成像相機3、高速相機15、計算機12，連接關系：如圖2所示，紅外傳光束2由保護玻璃201、物鏡202、紅外光纖束203、目鏡204、鏡頭卡口205、外套管206、內套管207、探頭保護罩208組裝而成；紅外光纖束203由多條紅外光纖組成(如圖3所示)，紅外光纖束203前端依次為物鏡202和保護玻璃201，在紅外光纖束203與保護玻璃201之間留有物鏡202的調節(jié)空間；紅外光纖束203、物鏡202、保護玻璃201、目鏡204均被內套管207包裹，紅外光纖束203將內套管207填充滿，物鏡202、保護玻璃201、目鏡204的外徑與內套管207的內徑相同，物鏡202和目鏡204與內套管207配合連接，保護玻璃201與內套管207固定連接；內套管207安裝有物鏡202和保護玻璃201的一端的外側被探頭保護罩208包裹，內套管207其余部分被外套管206包裹，內套管207安裝有目鏡204的一端與鏡頭卡口205配合連接；鏡頭卡口205與高速熱成像相機3的鏡頭配合連接，高速熱成像相機3通過數(shù)據(jù)傳輸線與計算機12連接；高速相機15通過數(shù)據(jù)傳輸線與計算機12連接；計算機12可對高速熱成像相機3和高速相機15進行控制。

所述紅外光纖束203采用紅外光纖材質及結構；

所述物鏡202、保護玻璃201和目鏡204均采用藍寶石玻璃材質；

所述內套管207采用軟塑料材質；

所述外套管206采用橡膠材質。

安裝過程：兩根電極7通過電極支架11懸空固定在水箱1的上方并插入到水箱1中，兩根電極7的底端各連接一根銅絲6，兩根銅絲6的非連接端不接觸，且與水箱1設有的通孔的孔心位于同一平面上，兩根銅絲6的底端的間隔距離小于電火花的擊穿距離；根據(jù)初步試驗結果所能生成的汽化泡的最大半徑約為50mm；溫度傳感器8通過支撐固定于兩根銅絲6的上方，溫度傳感器8的探頭到兩根銅絲6的底端連線的中心點的距離為52mm；將紅外傳光束2的探頭保護罩208取下，紅外傳光束2安裝有物鏡202和保護玻璃201的一端從水箱1側壁的通孔插入水箱1中，再將探頭保護罩208安裝到紅外傳光束2上，保護玻璃201到兩根銅絲6的底端連線的中心點的距離為60mm；紅外傳光束2的外套管206與水箱1的通孔配合接觸，并通過密封墊片4和密封環(huán)5對通孔進行密封；紅外傳光束2的鏡頭卡口205與高速熱成像相機3的鏡頭配合連接；高速相機15安裝在水箱1開設通孔壁面的對面一側，并與通孔的孔心位于同一平面。

具體工作過程：

試驗需要對50℃水體的汽化泡演變過程的熱效應進行研究。

按照上述安裝過程將研究裝置安裝完畢后，將常溫水體倒入水箱1中，水體完全淹沒銅絲6和溫度傳感器8的探頭，水面的具體高度根據(jù)試驗需要進行調節(jié)；打開電加熱管開關14，電加熱管9對水體進行加熱，溫度采集器10實時顯示水箱1內水體的溫度，水體被加熱到50℃后關閉電加熱管開關14；此時，立刻觸發(fā)電火花控制器13，使兩根銅絲6的端點之間產生電火花，電火花周圍的水體被快速加熱而發(fā)生汽化，由于電火花產生的能量高且位置集中，因為所生成的蒸汽泡呈基本球形；在電火花觸發(fā)的瞬間，通過計算機12控制高速熱成像相機3、高速相機15和溫度采集器10按照2000Hz的頻率同步開始采集，采集蒸汽泡演變過程中相應的數(shù)據(jù)并存儲在計算機12中；溫度傳感器8采集得到的蒸汽泡邊界處的單點溫度能夠用于校準高速熱成像相機3采集得到的溫度場；對高速熱成像相機3采集得到的溫度場和高速相機15采集得到的蒸汽泡的形態(tài)進行對比分析，就能夠對50℃水體的汽化泡演變過程的熱效應進行深入研究。

一組試驗工況完成后，根據(jù)試驗需求，可將水箱1內的水體直接倒出，快速更換其他的研究液體，液面高度和液體溫度均可根據(jù)試驗需求調節(jié)，所生成的汽化泡尺度可通過電火花控制器13調節(jié)；由于紅外傳光束2的內套管207和外套管206均采用易變形材質，紅外傳光束2的探頭進行適當調節(jié)，可從不同角度采集汽化泡的溫度場數(shù)據(jù)。