CN105223106A - 铝粉示踪法观察热流体波 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铝粉示踪法观察热毛细对流失稳后产生热流体波，属于物理测量领域，它主要由光源1、图像采集系统2、片状铝粉3、待测流体4、热水浴5、冷水浴6组成。其在热水浴5和冷水浴6的水平温差驱动下引起混有铝粉3的流体4热毛细对流失稳时，当流体4流动方向改变引起铝粉3流动方向的改变时，使得被照射片状铝粉表面对光源1发出光线的有效反射量改变，图像采集系统2显示的图像明暗亮度随之改变，从而观察到热流体波,具体实施过程：称取片状铝粉、铝粉与流体均匀混合、调节光源及图像采集系统、观察热流体波，主要应用于弯曲界面或平界面流体内热流体波的观察。

Description

铝粉示踪法观察热流体波

技术领域：

本发明涉及铝粉示踪法观察热毛细对流失稳后产生的热流体波，属于物理测量领域。

背景技术：

在气液两相系统中，流体在切向温度梯度的作用下因表面张力梯度产生的流动称为热毛细对流，在微重力环境或地面情况中液层较薄时，浮力的影响减弱，热毛细对流便突显出来，如果外加温度梯度足够大，热毛细对流还会失稳，速度场和温度场呈时空波动状态，产生热流体波等失稳现象。这种时空波动的热毛细对流往往给一些实际的生产过程带来不利影响，例如，在Czochralski(Cz)法单晶体生长过程中，它将引起偏析等缺陷，降低晶体质量。另一方面，热流体波本身是一种典型的有序的耗散结构，研究热流体波的特征，有助于丰富和发展非平衡热力学耗散结构理论。因此，研究热流体波这种失稳现象，既具有重要的工程实用价值，也具有重要的学术意义。过去，人们对热流体波这种耗散结构的研究主要集中于水平界面液层中。实际上，弯曲界面液层内同样可能产生热流体波，如基板上液滴蒸发引起的热流体波。

实验中观察热流体波的现有方法有阴影法和红外热像仪法。其中阴影法的基本原理：对于大多透明流体而言，流体的折射率与温度相关，光线通过流体和空气界面时传播方向会发生偏转，当流体界面温度不同时，折射率就不同，出射光线的偏转也就不同。当在出射光线一侧布置有屏幕时，屏幕上就会形成明暗不同的光斑，间接反映出流体界面的温度分布，从而观察到热流体波的图像。红外热成像仪的工作基本原理：自然界的任何物体都会向外发射热射线，热射线的波长与物体的温度紧密相关，红外热像仪将红外传感器探测到的热射线信号转变为温度信号，测量出物体表面的温度，从而观察到流体表面热流体波的图像。

在水平界面流体上阴影法和红外热像仪法观察热流体波效果较好，但对于具有弯曲界面的流体而言，现有手段不能较好甚至难以观察正确的热流体波图像，主要缺点有：

一、对于具有弯曲界面的流体，由于弯曲界面对光线的散射作用，阴影法显示的热流体波变形严重，无法反映热流体波的正确状态。

二、由于许多流体自身也是红外线的透明体或半透明体，当采用红外热像仪测量流体表面温度时，表面下一定厚度流体的热射线也会穿透或部分穿透流体，热像仪测量到的温度也就不是流体表面的真实温度，从而难以观察到热流体波的正确图像。

三、当出现热流体波但流体表面温度波动较小时，如果温度波动振幅低于红外热像仪的温度分辨率，则不能观察到热流体波图像，因此红外热像仪不能用于观察微弱的热流体波。

四、阴影法和红外热像仪法皆属于光学方法，都容易受到外界环境干扰，且红外热像仪价格昂贵。

因此急需一种可用于具有弯曲界面的流体、分辨率高、投资少、操作方便的热流体波显示方法。

发明内容：

为了克服现有热流体波观察手段的不足，本发明提供了铝粉示踪法观察热流体波。本发明基本组成部分：光源1、图像采集系统2、片状铝粉3、被测流体4、热水浴5、冷水浴6组成。本发明的基本原理：混有铝粉3的流体4流动时将会带动铝粉3流动，跟随流体流动的铝粉受到的阻力小，片状铝粉表面总是与流体流动方向平行。当铝粉表面与入射光垂直时，反射面积最大，图像最亮；当铝粉表面与入射光平行时，反射面积最小，图像最暗。当流体的流动方向由水平方向向竖直方向逐渐转变时，铝粉表面与入射光的夹角由90度向0度变化，图像由亮变暗；反之，则由暗变亮。热毛细对流失稳后流体的流动方向呈时空周期性变化，混有铝粉的流体表面则随之明暗交替变化，从而将非稳态的热流体波显示出来。

本发明提供的铝粉示踪法与现有方法相比，有以下优点：

一、本发明不仅解决了具有弯曲界面流体内热流体波难于显示的问题，也可用于平界面流体内热流体波的显示。

二、本发明是对流体流动状态的直接显示，即使微弱的热流体波也能显示，且铝粉示踪法对外界的抗干扰能力强。

三、本发明不需要复杂的仪器设备，铝粉易于获得、操作简便、投资少、易于实现。

附图说明：

图1为铝粉示踪法观察热流体波装置示意图

本发明主要由光源1、图像采集系统2、片状铝粉3、被测流体4、热水浴5、冷水浴6组成。

具体实施方法：

一、使用天平称取一定量的片状铝粉3(直径小于20微米)，将铝粉加入待观察的流体4中，充分搅拌使铝粉均匀混合于流体中。

二、在被测流体正上方布置图像采集系统2和光源1，均正对流体表面，调节图像采集系统焦距及光源亮度，直至图像采集系统终端观察到清晰的实验区域图像。

三、将实验区域清洗干净，将混有铝粉示踪剂的流体加入到实验区域中，改变热水浴5与冷水浴6之间的温差直至图像采集系统2观察到热流体波图像。

Claims (2)

1.本发明涉及铝粉示踪法观察热毛细对流失稳后产生的热流体波，属于物理测量领域，其结构特点主要由光源1、图像采集系统2、片状铝粉3、被测流体4、热水浴5、冷水浴6组成，其原理特征在热水浴5和冷水浴6的水平温差驱动下引起混有铝粉3的流体4内热毛细对流失稳后，当流体4流动方向改变引起铝粉3流动方向的改变时，使得被照射铝粉表面对光源1发出光线的有效反射量改变，图像采集系统2显示的图像明暗亮度随之改变，从而观察到热流体波。

2.权利说明1中的铝粉示踪法观察热毛细对流失稳后产生的热流体波，其特点在于将铝粉示踪法观察稳态Bénard-Marangoni对流方法的基本原理应用到观察弯曲界面或平界面流体的非稳态热流体波中。