[发明专利]接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置及方法。所述测量系统应用于接触熔化传热研究领域，包括位移测量模块、干涉测量模块和荧光粒子显微测速模块。本发明利用激光位移测距模块高精度测量被测主体中相变材料顶部的下降高度；利用荧光粒子显微测速模块实现了对相变材料底部局域边界高度、曲率以及微液膜内局域流场的测量；利用干涉测量模块实现了对相变材料中心底部微液膜厚度变化的高精度测量；把以上测量所得数据结合已推导的物理模型可间接测量出底部液膜表面张力及相变材料反冲力的数值。

技术领域

本发明属于接触熔化传热研究领域，主要配合激光干涉测量、粒子图像测速技术，探究接触熔化过程中液膜表面张力及相变材料反冲力的大小情况。

背景技术

接触熔化现象广泛出现在能源存储、减材制造、地质钻探和核技术等工程领域中，准确预测接触熔化的传热传质过程对工程应用具有重要意义。以相变储热为背景的研究专注于预测相变材料的宏观熔化速率，在各类简化假设的基础上得到了多种多样的预测模型。

虽然目前有各种修正的接触熔化预测模型，但都无法很好地精确预测完整的实际熔化过程。这是因为在熔化过程中，微液膜的表面张力以及相变材料反冲力对在接触熔化中后期过程中影响显著。通过目前的理论模型很难直接预测出固液界面形状及其变化，进而也难以推算出液膜表面张力及相变材料反冲力的大小。

因此采用实验进行测量并用以修正理论模型是解决无法通过理论预测的有效手段。目前测量表面张力及反冲力的仪器大多采用直接测量的技术路径。但是考虑到熔化过程中固液界面高度和剩余固体质量始终变化，也难以使用针对静态测量的常规通用仪器直接测量液膜的表面张力大小和相变材料的反冲力大小，这使得现今没有出现一种通用可以测量出接触熔化过程中表面张力及反冲力的测量装置及方法。

发明内容

本发明针对以上技术难点，本发明公开了接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置及方法。

接触熔化过程中表面张力及反冲力的间接测量装置包括激光位移测距模块、干涉测量模块以及荧光粒子显微测速模块；

所述的激光位移测距模块包含激光位移传感器和轻质反射镜；激光位移传感器发出的测量激光经轻质反射 镜反射后由原路返回并被激光位移传感器接收；所述的轻质反射 镜水平放置在被测主体顶部；

所述的干涉测量模块包括连续激光器、分束镜、透明加热板和高速摄像机；透明加热板水平布置在被测主体底部；连续激光器发射的单色连续激光被分束镜反射后，沿被测主体的中轴线穿过透明加热板后分别在透明加热板上表面、被测主体底部的相变交界面反射，反射光穿过分束镜被高速摄像机记录采集；

所述的荧光粒子显微测速模块包括脉冲激光器、片光源镜组和摄像机；脉冲激光器产生脉冲激光，经过片光源镜组后形成片光，片光透过透明加热板并激发被测主体底部经加热产生的微液膜中的荧光粒子，所得荧光信号被摄像机采集。

优选的，所述的被测主体内部含有均匀分布的荧光粒子。

优选的，所述的被测主体是轴对称构型。

优选的，所述的荧光粒子是涂有罗丹明B的纳米颗粒。

优选的，所述的摄像机拍摄角度与片光平面垂直

本发明还公开了一种所述测量装置的接触熔化过程中表面张力及反冲力测量方法：

1)预先制备好均匀混有荧光粒子的轴对称型相变材料；

2)启动激光位移测距模块、干涉测量模块以及荧光粒子显微测速模块；

3)待光路运行稳定后，开启透明加热板加热至所需设定温度；

4)待透明加热板壁面温度稳定后，把步骤1)制备的相变材料放在透明加热板上开始进行接触熔化过程；