超急速爆发沸腾的瞬态压力测量研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 2007年学术会议论文’ 编饥073269 超急速爆发沸腾的瞬态压力测量 尹铁男1’2 淮秀兰1 1中国科学院工程热物理研究所，北京，100080 2中国科学院研究生院，100049 Tel：010 Email：h丕!堡婴垒i!：旦羔乜：垒旦：壁翌 摘要：采用由可编程脉冲激光加热器、微型腿力传感器及高频数字示波器等组成的实验系统对无水乙 醇爆发沸腾过程中的压力进行了测量。结果表明，爆发沸腾过程中的压力脉动与激光能量密度有关， 能量越高压力脉动越剧烈，但波形‘j能量密度并不呈线性关系，是不同能量下气泡形核、生K、合并、 破裂等复杂因素的综合体现。 关键词：激光加热；爆发沸腾；压力测量：乙醇 I ● 1引言 爆发沸腾是在瞬态高热流作用下引发的一种超常沸腾现象，其主要特征在丁．液体被 快速加热至高度过热，从而导致超急速爆发式的汽泡形核与生长。近年来爆发沸腾也被 成功应用于喷墨打印、激光清洗、激光手术等高新技术中，展示出了J’‘阔的应用前景。 在爆发沸腾实验过程中由于不同的实验方法与实验：__|二质，有着不同的压力测量范嗣，给 压力传感器的选择和相应记录仪器的配置带来了很大的困难。所以，尽管人们对爆发沸 腾压力测量都采用了类似的方式，但结果却相差很大‘1】【2】，尚没有被普遍认可的方案。 2实验系统与实验方法 图1爆发沸腾实验系统 图2铂金属试件结构 实验系统如图1所示，主要由计算机、激光器、压力传感器、液池、数字示波器组 资助 1661 试件为在一个端面上镀有一层厚度约为O．5um铂金的石英玻璃柱。 国外学者大都采用常规：1二业用传感器对爆发沸腾过程进行压力测餐，例如S．Glod【3J 满足实验要求，但存在着外形尺寸过大的问题。爆发沸腾除具有超急速特性外，还具有 微尺度的特点，尤其在初期形核阶段，临界气泡半径在纳米级14J。采用尺寸远大于发生 沸腾的区域的传感器所测得的数据反映出来的是这个较大平面的平均结果。本文实验采 可以准确测量液池内某点的压力值，增加了数据可信度。 实验测量过程中，薄膜试件浸没于盛有实验工质的液池内，在激光控制器上设置好 脉冲激光加热器的输出参数，通过控制器来控制激光器的输出参数。实验工质乙醇对波 试件的表面，部分能量用于加热薄膜试件，薄膜试件受热升温后对液体T质加热产生爆 发沸腾；在脉冲激光加热器输出激光的同时，向压力数据采集记录系统发出触发信号， 压力数据采集记录系统开始进行数据采集。 r 2实验结果与分析 图3压力测量示波器盟示结果 图4转换后的压力结果 得到的不同激光功率密度下的压力随时间变化曲线。 由于气泡群演变包含汽泡形核、生长、合并、破裂等复杂因素，描述气泡群生长的 通用方程尚未建立起来，只能通过远场压力推算气泡群的生长演变。首先假设：热源为 单脉动源、气泡群与周围液体界面光滑、液体介质尺度无限大，则液体中的声学压力p，、 气泡体积y、距脉动源的距离r的相互关系划5】： ^ ， 、 f ＼pId2ykt—rfc1 pf妒，，)一po=—兰——二≥丁—_ q∥ 口f (1) po是环境液体压力，f为时间，岛液体密度，c液体中声速，矿气泡群体积。在给 定位置上，压力正比于气相生欧速率，可由(1)得到气泡体积及其生氏速率： 1662 d矿O一，．／c)一