一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法，可通过光束转折器调节分光路入射位置控制电极表面光催化产生气泡的运动，从而控制该气泡与另外分光路中的气泡发生相互作用；其次，斩光系统可以被安装在主光路或者任意分光路中，调控双气泡或者单气泡的弹跳特性；再次，三维电动位移台速度可调，可以控制单气泡或双气泡在电极表面的运动，且可使相对静止在电极表面生长的气泡处于一定的流场中，利于研究流场中气泡的动力学规律。本发明专利技术通过多种外部扰动方式的组合控制气泡的动力学行为，且外部扰动系统精密可调控，装置易于改装，对气泡动力学行为的研究很有价值，在实际应用中十分灵活。

【技术实现步骤摘要】
一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法
本专利技术属于光催化及多相流交叉
，具体涉及一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法，特别涉及到光催化过程中通过外部扰动调控光电极表面及表面附近气泡动力学行为的装置与方法。
技术介绍
多相流动和能质传输现象广泛存在于能源转化和利用的主要过程，如氢能制备中的微多相流光化学与热化学反应过程、大型热能动力系统与过程内部的汽液两相流动与传热、油气藏高效开采与混输过程中的气-液-固三相流等。而气泡作为分散相，对整个体系的动量、质量和热量传递具有直接的重要影响。因此对于气泡动力学行为的深入理解是研究气液两相系统传递规律和机理的基础，能对许多实际工业问题提供高效科学的指导。目前针对气泡动力学领域的研究，国内外学者主要集中在沸腾换热方面，研究单孔形成气泡的生长及脱离行为特性，及其对优化气水管理和增强流场内的质量传递等的影响；也有学者研究气泡与壁面之间的相互作用规律，如上浮气泡撞击水平或者倾斜壁面，气泡在壁面上发生弹跳或滑移等行为过程中的能量传递及行为特性等；也有学者研究体系中气泡间的碰撞和融合等行为特性对气液两相体系能质传递效率的影响规律等。在气泡行为控制方面，有学者通过在微型压电泵内引入引流道促进气泡脱离，有学者采用超声波控制微气泡在液体中的运动或通过外加磁场控制气泡的生长与脱离，也有学者通过气泡静电纺丝装置控制气泡的形态，在医疗领域还有通过微处理器和压力模块控制气泡的产生频率及混匀程度等。但是通过光催化手段产生气泡，并由外部扰动控制气泡的行为特性，尤其是通过多种外部扰动方式调控光催化过程中气泡在电极表面上的滑动、碰撞及在电极表面附近的弹跳、聚并等动力学行为的研究鲜有报道。
技术实现思路
本专利技术公开了一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法，通过多种外部扰动方式调节激光在电极表面的时空特性，从而控制光催化产生气泡的行为特性。其中，单激光双光路的设计可通过移动激光聚焦位置驱动双气泡的移动、碰撞和聚并等行为特性，另外通过斩波系统及三维电动位移平台可以控制气泡在电极表面上的弹跳和滑动等行为特性，同时可以控制气泡的生长脱离特性。该专利技术旨在深入研究光催化过程中控制气泡行为的内在机理，发展一种研究气泡行为对多相流体系能质传输效率的影响机制的实验系统与方法。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置，系统装置包括激发光源系统、外部扰动系统、催化反应系统和高速摄像系统，所述激发光源系统产生激发光束，通过外部扰动系统改变入射至催化反应系统内的光束属性，由高速摄像系统记录催化反应系统内的气泡行为，其中激发光源系统包括激光器、消色差激光扩束镜、半透半反棱镜和凸透镜，由上至下安装在支撑棒上，外部扰动系统包括斩波片、斩波控制器、三维电动位移台、精密运动控制器和光束转折器，斩波片连接斩波控制器，三维电动位移台连接精密运动控制器，光束转折器安装在光学平台上。进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置，其特征在于，激光器产生的激光束通过消色差激光扩束镜、半透半反棱镜和凸透镜的轴心位置，凸透镜安装在一维位移台上，斩波片安装在激光器与消色差激光扩束镜之间，也可以安装在半透半反棱镜和光束转折器之间，或者安装在半透半反棱镜和凸透镜之间，高速摄像系统安装在三维调节架上，高亮度LED灯正对显微镜，电化学工作站、精密运动控制器和高速摄像机连接计算机。进一步地，一种基于上述装置的由激光驱动气泡动力学行为的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，所述激光器产生激发光束，激发光经过半透半反棱镜后被平均分为两束，反射光束部分经光束转折器反射后与透射光束部分通过凸透镜进行聚焦，透射光和反射光在电极表面聚焦位置分别产生单气泡；步骤二，调节光束转折器的反射角度，控制反射光束驱动的气泡在电极表面运动，并与透射光束在电极表面驱动的气泡发生相互作用；步骤三，通过调节斩波控制器控制斩波片的斩波频率，对光路进行斩光，从而驱动电极表面催化反应产生气泡的动力学行为。步骤四，通过三维电动位移台控制激光聚焦光斑在电极表面上相对运动，从而驱动电极表面气泡动力学行为。步骤五，由高速摄像系统记录催化反应系统中气泡的动力学行为。进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的方法，其特征在于，外部扰动系统可以实现多种扰动方式，包括斩波片对光路进行斩光，光束转折器调节入射光束在电极表面的位置，和三维电动位移台控制聚焦光斑在电极表面的相对运动。进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的方法，其特征在于，通过一维位移台调节凸透镜在光路中的位置，使凸透镜距离光电极表面9cm-11cm之间，控制透射光和反射光在电极表面聚焦光斑直径小于1mm。进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为方法，其特征在于，光束转折器的倾斜角度调整范围为±4°，使反射光路聚焦光斑位置与透射光路聚焦光斑位置距离1mm以内。进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的方法，其特征在于，外部扰动系统中多种扰动方式独立工作，每种扰动方式可以单独控制电极表面气泡的动力学行为，也可以多种扰动方式耦合控制电极表面气泡的动力学行为。进一步地，一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的方法，其特征在于，通过精密运动控制器控制三维电动位移台带动反应池运动，间接带动反应池内光电极运动，从而控制光电极上的聚焦光斑发生相对运动，进而控制光催化产生的气泡在电极表面上的动力学行为。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术所述的一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法，基于单激光双光路的设计，可以使双光路分别在电极表面产生气泡，并通过多种外部扰动方式调控气泡的动力学行为特性。首先，本专利技术可通过光束转折器调节反射光路入射位置驱动电极表面产生的气泡的运动，从而控制该气泡与透射光路中的气泡发生相互作用；其次，斩光系统可以安装在主光路或者任意分光路中，控制双气泡或者单气泡的弹跳特性，结合光束转折器的角度调节，可以控制弹跳中的气泡与静止气泡发生相互作用；再次，三维电动位移台速度可调，不但可以控制单气泡或双气泡在电极表面的运动，而且可以使相对静止在电极表面生长的气泡处于一定的流场中，促进微气泡在反应界面的快速脱附与扩散。本专利技术通过多种外部扰动方式的耦合控制气泡的动力学行为，其外部扰动系统精密可调控，装置易于改装，对气泡动力学行为的研究很有价值，在实际应用中十分灵活。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是激光驱动气泡在电极表面上的移动与聚并示意图，图2(a)是气泡受激光驱动在电极表面移动示意图，图2(b)为实拍图片，其中带有箭头标志的气泡为移动的气泡，箭头方向代表移动方向，带有字母标志的为电极表面固有的气泡；图3是单激光双光路控制双气泡间相互作用的高速摄像图片，图3(a)为移动的气泡与固定位置大小近似相等的气泡融合的过程，图3(b)为移动的小气泡与固定位置较大的气泡融合的过程；图4是弹跳中的小气泡与大气泡相互作用的高速摄像图片。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述：参见图1，本专利技术的一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置与方法，系统装置由激发光源系统、外部扰动系统、催化反应系统和高速摄像系统四部分组成，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置，其特征在于，系统装置包括激发光源系统、外部扰动系统、催化反应系统和高速摄像系统，所述激发光源系统产生激发光束，通过外部扰动系统改变入射至催化反应系统内的光束属性，由高速摄像系统记录催化反应系统内的气泡行为，其中激发光源系统包括激光器(1)、消色差激光扩束镜(4)、半透半反棱镜(5)和凸透镜(7)，由上至下安装在支撑棒(19)上，外部扰动系统包括斩波片(2)、斩波控制器(3)、三维电动位移台(15)、精密运动控制器(16)和光束转折器(6)，斩波片(2)连接斩波控制器(3)，三维电动位移台(15)连接精密运动控制器(16)，光束转折器(6)安装在光学平台(11)上。

【技术特征摘要】
1.一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置，其特征在于，系统装置包括激发光源系统、外部扰动系统、催化反应系统和高速摄像系统，所述激发光源系统产生激发光束，通过外部扰动系统改变入射至催化反应系统内的光束属性，由高速摄像系统记录催化反应系统内的气泡行为，其中激发光源系统包括激光器(1)、消色差激光扩束镜(4)、半透半反棱镜(5)和凸透镜(7)，由上至下安装在支撑棒(19)上，外部扰动系统包括斩波片(2)、斩波控制器(3)、三维电动位移台(15)、精密运动控制器(16)和光束转折器(6)，斩波片(2)连接斩波控制器(3)，三维电动位移台(15)连接精密运动控制器(16)，光束转折器(6)安装在光学平台(11)上。2.根据权利要求1所述的一种通过多种外部扰动方式调控气泡行为的装置，其特征在于，激光器(1)产生的激光束通过消色差激光扩束镜(4)、半透半反棱镜(5)和凸透镜(7)的轴心位置，凸透镜(7)安装在一维位移台(8)上，斩波片(2)安装在激光器(1)与消色差激光扩束镜(4)之间，也可以安装在半透半反棱镜(5)和光束转折器(6)之间，或者安装在半透半反棱镜(5)和凸透镜(7)之间，高速摄像系统安装在三维调节架(17)上，高亮度LED灯(9)正对显微镜(13)，电化学工作站(10)、精密运动控制器(16)和高速摄像机(14)连接计算机(18)。3.一种基于上述装置的由激光驱动气泡动力学行为的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，所述激光器(1)产生激发光束，激发光经过半透半反棱镜(5)后被平均分为两束，反射光束部分经光束转折器(6)反射后与透射光束部分通过凸透镜(7)进行聚焦，透射光和反射光在电极表面聚焦位置分别产生单气泡；步骤二，调节光束转折器(6)的反射角度，控制反射光束驱动的气泡在...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭烈锦，曹振山，王晔春，胡晓玮，陈娟雯，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61