[實用新型]一種測量平面內液滴的二維彩虹折射裝置

有效

• 申請號: 202022946522.4
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN214539124U
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 吳學成;吳迎春;李燦;陳玲紅;鄭成航;高翔;邱坤贊;岑可法
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G01N15/00;G01N21/41;G01B11/00;G01K11/00
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 白靜蘭;胡紅娟

本實用新型公開了一種測量平面內液滴的二維彩虹折射裝置：激光片光源發射和霧化液滴發生系統，包括激光器、光束調制元件和霧化裝置，激光器發射的激光束經光束調制元件調制成垂直偏振的片光源，并照射霧化裝置產生的霧化液滴，形成液滴的彩虹信號；光束調制元件依次包括垂直偏振片、平凹柱透鏡和平凸柱透鏡；彩虹信號采集系統，依次包括凸透鏡、水平狹縫光闌、柱透鏡和數碼相機，用于將不同高度和不同水平位置的霧化液滴的彩虹信號分開成像并記錄得到二維彩虹圖像；彩虹信號處理系統，對二維彩虹圖像進行處理，獲得待測平面內霧化液滴的位置、粒徑與折射率。該裝置具有非接觸、二維、高精度和原位在線等特點，可以分析涉及液滴的流體多相流。

技術領域

本實用新型涉及氣液兩相流測量領域，具體涉及一種可以測量平面內霧化液滴二維位置、粒徑和折射率的二維彩虹折射測量裝置。

背景技術

液體霧化是能源、動力、環境等工業領域廣泛存在的氣液兩相流現象，如液體燃料霧化蒸發燃燒、脫硫脫硝噴淋設備中氣液混合和吸收等。對氣液兩相流場速度、粒徑、濃度、溫度、組分等參數的準確測量，有助于人們掌握復雜氣液兩相流機理，從而指導工業優化設計和制造。

相關研究人員已發明并應用了多種液滴測量方法，主要可以分為機械接觸法、電磁場法，以及光學測量法(包括紅外線、可見光和X 射線等)。傳統機械接觸式方法雖然原理和操作較為簡單，但是其接觸式的測量方式總是無法避免地破壞了流場原有的分布結構。光學測量法對原有氣液兩相流沒有干擾，且通常具有測量精度高、實時快速、信息量大等優點，近年來已在各個研究領域得到了廣泛的應用。其中噴霧穿透深度、噴射速度和霧化錐角等宏觀參數的測量方法已經相為成熟。但實際研究中希望進一步了解到流場內部的液滴霧化情況，特別是液滴的蒸發速率；在化學組分一定的條件下，其主要取決于和周圍環境的接觸表面積和液滴溫度這兩個參數。因此，發展同時在線測量液滴粒徑、溫度分布及其演變規律的光學測量方法是十分必要的。

近年來研究中常用于測量液滴粒徑的光學方法有：高速攝影技術、馬爾文粒度分析儀、激光米氏散射技術、激光誘導熒光法、數字全息技術、干涉粒子成像技術等；可用于測量液滴溫度的方法有：雙色激光誘導熒光法，激光誘導磷光法，拉曼散射法等。與上述測量方法相比，彩虹折射技術具有同時精確測量霧化液滴粒徑和溫度及演變規律特點，近幾年來在霧化氣液兩相流領域得到了快速發展。當單色激光照射液滴時，液滴的二階散射光之間相互干涉會形成逐漸衰減的明暗相間條紋，稱為艾里結構。該結構的位置與形狀分別對液滴折射率和粒徑等液滴特性參數十分敏感。因此，通過對彩虹信號進行反演，同時得到液滴的粒徑與折射率，進而推導出與液滴折射率有關的液滴溫度或濃度等參數。

Roth等首次提出標準彩虹折射法用于研究單分散液滴。但高頻紋波結構、液滴非球形等會極大影響該技術測量的精度。在此基礎上， Van Beeck等進一步提出了全場彩虹折射法用于多分散液滴群的測量。通過延長曝光時間和擴大通光孔徑，同時記錄成千上萬顆具有一定粒徑分布液滴群的平滑彩虹，進而獲得液滴群的平均折射率和粒徑分布等信息。多分散液滴消除了對粒徑特別敏感的高頻紋波結構；同時因為記錄成千上萬液滴的合成彩虹圖，而抹平了極少數非球形液滴的影響。全場彩虹折射技術解決了高頻紋波結構和非球形液滴影響測量的問題，已廣泛應用于噴霧蒸發、燃燒的診斷上。盡管全場彩虹折射技術測量對象為霧化液滴群，但其和標準彩虹折射技術一樣仍屬于“單點”零維測量范疇。吳學成等提出了一維彩虹折射法，能同時得到測量線上不同高度處液滴的參數，實現了“零維”到“一維”測量的突破，為連續跟蹤液滴粒徑和溫度演化提供有利工具。吳迎春等基于一維彩虹折射法，提出了相位彩虹折射法，可以測量液滴折射率、粒徑及其微小變化，進而測量液滴瞬態蒸發率等傳熱傳質參數。但這些技術的測量區域局限為單點或一維線段，而無法獲得現實條件下廣泛存在的二維空間內液滴粒徑與折射率。

為給非穩態復雜噴霧流場的研究提供更好的測試手段，彩虹折射技術需進一步發展到二維甚至三維，其對于更全面深入研究噴霧機理具有重要意義。

實用新型內容