同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置制造方法及图纸

本公开提供一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置，该装置包括：储液模块、固定模块、润湿高度获取模块以及计算模块，储液模块用于盛放液体工质；固定模块用于固定被测物体，并使被测物体的底端没入液体工质的液面以下；润湿高度获取模块用于获取液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，计算模块用于计算被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数。本公开提供的同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能的方法及装置具有简捷、便利、易实现、低成本、可大规模拓展等优势，能够快速、简便地实现开放式微通道基毛细结构的毛细性能的综合评价，具有重要的科学价值和工程应用意义。

Method and device for simultaneously measuring capillary pressure, permeability and capillary performance parameters

The invention provides a method and device for simultaneously measuring capillary pressure, permeability and capillary performance parameters. The device comprises a liquid storage module, a fixed module, a wetting height acquisition module and a calculation module, a liquid storage module for storing liquid working substances, and a fixed module for fixing the measured object and making the bottom end of the measured object. The wetting height acquisition module is used to acquire the wetting height of liquid working substance at different time during the capillary rising process of the measured object, and the calculation module is used to calculate the capillary pressure, permeability and capillary performance parameters of the measured object. The method and device for simultaneously measuring capillary pressure, permeability and capillary properties provided by the present disclosure have the advantages of simplicity, convenience, easy realization, low cost, large-scale expansion, etc. It can quickly and easily realize the comprehensive evaluation of capillary properties of open microchannel-based capillary structures, and has important scientific value and engineering value. Application significance.

【技术实现步骤摘要】
同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置
本公开涉及微流体管理及相变传热
，尤其涉及一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置。
技术介绍
毛细压力驱动的液体流动和气液相变现象普遍存在于自然界和工业过程中，在许多应用中表现出非常重要的作用，比如海水脱盐和淡水纯化、微流体管理、高效的热质传递，尤其是高功率密度电子器件冷却。被动式的两相传热器件，如热管、毛细微槽蒸发器、蒸汽腔等，能有效解决制约当今电子工业发展的热管理瓶颈问题，具有毛细结构的部件是这些器件的核心部件，其毛细性能决定了两相传热器件的最大取热能力。在评价毛细结构的毛细性能时，毛细压力ΔPcap和渗透率K是两个最重要的独立参数，毛细压力反映了驱动液体在毛细结构中流动的动力大小，渗透率反映了液体在毛细结构中流动时受到的阻力大小，毛细性能参数S1可以表达为两者的乘积，即S1＝K·ΔPcap。目前主要有两种毛细结构，一种是传统的烧结金属粉末形成的多孔毛细结构，另一种是开放式微通道毛细结构，也包括对微通道表面修饰微米结构或纳米结构而形成的基于开放式微通道的复合结构，可以统称为开放式微通道基毛细结构。通常在计算毛细结构的毛细性能参数时，除了测量其他参数以外，还需要知道毛细结构的渗透率。对于烧结金属粉末多孔毛细结构，可以用Blake-Kozeny方程计算其渗透率。然而在实现本公开的过程中，本申请专利技术人发现，对于开放式微通道基毛细结构，通常利用强迫液体流动法测量渗透率，该方法的实验装置涉及的主要部件有高压气瓶、过滤器、内含加热器的蓄水池、密封测试腔、进出水管道、压力传感器、精密天平等，测试装置和流程较为复杂，耗时较多。缺乏一种能同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置。公开内容(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本公开提供一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置，以缓解现有技术中缺乏一种能同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法，包括：步骤A：获取被测物体的几何尺寸，计算被测物体的孔隙率；步骤B：固定被测物体，使被测物体的底端没入液体工质的液面以下；步骤C：获取液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，得到润湿速度；步骤D：根据液体工质的物理性质参数、被测物体的孔隙率及液体工质在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度计算所述被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数。在本公开的一些实施例中，所述步骤A中：若被测物体为开放式微通道基毛细结构，通过下式计算被测物体的孔隙率ε：其中，A1为开放式微通道基毛细结构中微通道横截面积，A2为肋片的横截面积。在本公开的一些实施例中，所述步骤D包括：步骤D1：通过下式计算所述被测物体的毛细压力ΔPcap：ΔPcap＝ρgheq其中，ρ为液体工质的密度，g为重力加速度，heq为液体工质在被测物体内毛细升高过程中的最终平衡高度；步骤D2：计算被测物体的第一毛细性能参数S1，包括：步骤D2a：若不考虑液体工质毛细升高初期的重力效应：通过下式计算所述被测物体的第一毛细性能参数S1：步骤D2b：若考虑液体工质毛细升高初期的重力效应：通过下式计算所述被测物体的第一毛细性能参数S1：其中，v＝dh/dt为液体工质的润湿速度，ε为被测物体的孔隙率，μ为液体工质的黏度，h为t时刻液体工质的润湿高度，K为被测物体的渗透率；步骤D3：利用下式计算被测物体的渗透率K：K＝S1/ΔPcap步骤D4：通过下式计算所述被测物体的第二毛细性能参数S2：S2＝S1/2σ其中，σ为液体工质的表面张力。在本公开的一些实施例中，其中：所述步骤D2a中：将多个h2和t的数据点拟合得到液体工质在被测物体内毛细升高过程中润湿高度的平方h2随时间t变化的函数关系曲线及曲线斜率k1，利用被测物体的孔隙率ε、液体工质的黏度μ和斜率k1计算得出被测物体的毛细性能参数所述步骤D2b中：根据多个不同时间t对应的润湿高度h的数据点得到多个润湿速度v的数据点，再拟合多个v和1/h的数据点得到液体工质在被测物体内毛细升高过程中润湿速度v随润湿高度倒数1/h变化的函数关系曲线及曲线斜率k2，利用被测物体的孔隙率ε、液体工质的黏度μ和斜率k2计算得出被测物体的毛细性能参数S1＝K2εμ。根据本公开的另一个方面，还提供一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的装置，用于同时测量被测物的毛细压力、渗透率和毛细性能参数，包括：储液模块，用于盛放液体工质；固定模块，用于固定被测物体，并使所述被测物体的底端没入所述液体工质的液面以下；润湿高度获取模块，用于获取液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度；以及计算模块，与所述润湿高度获取模块电连接，并执行如下操作：步骤A：根据被测物体的几何尺寸，计算被测物体的孔隙率；步骤B：根据液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，得到润湿速度；步骤C：根据液体工质的物理性质参数、被测物体的孔隙率及液体工质在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度计算所述被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数。在本公开的一些实施例中，所述被测物体为开放式微通道基毛细结构，包括开放式微通道毛细结构及对微通道表面修饰微米结构或纳米结构而形成的基于开放式微通道的复合结构。在本公开的一些实施例中，其中：所述开放式微通道基毛细结构中微通道的横截面为矩形、梯形、三角形或圆弧形；所述开放式微通道基毛细结构的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、有机高分子材料中的至少一种。在本公开的一些实施例中，还包括：测量模块，用于测量所述被测物体的几何尺寸。在本公开的一些实施例中，所述液体工质为已知密度ρ、黏度μ和表面张力σ的液体；其中，所述液体工质为：蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。在本公开的一些实施例中，所述润湿高度获取模块包括：标尺或已知尺寸的参照物；以及润湿情况记录仪，所述润湿情况记录仪为高速摄影仪或红外热成像仪中的至少一种。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法及装置具有以下有益效果：本公开提供的同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能的方法及装置通过获取液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，即可根据液体工质的物理性质参数、被测物体的孔隙率及液体工质在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度代入本公开提供的理论公式计算得到所述被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数。测量方法及装置具有简捷、便利、易实现、低成本、可大规模拓展等优势，能够快速、简便地实现开放式微通道基毛细结构的毛细性能的综合评价，具有重要的科学价值和工程应用意义。附图说明图1为本公开实施例提供的同时测量开放式微通道基毛细结构的毛细压力、渗透率和毛细性能的方法的步骤图。图2为本公开实施例中开放式微通道基毛细结构的断面示意图。图3为本公开实施例中被测物体为铜微通道毛细结构、液体工质为蒸馏水时，液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间t对应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法，包括：步骤A：获取被测物体的几何尺寸，计算被测物体的孔隙率；步骤B：固定被测物体，使被测物体的底端没入液体工质的液面以下；步骤C：获取液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，得到润湿速度；步骤D：根据液体工质的物理性质参数、被测物体的孔隙率及液体工质在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度计算所述被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数。

【技术特征摘要】
1.一种同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法，包括：步骤A：获取被测物体的几何尺寸，计算被测物体的孔隙率；步骤B：固定被测物体，使被测物体的底端没入液体工质的液面以下；步骤C：获取液体工质在被测物体内毛细升高过程中不同时间对应的润湿高度，得到润湿速度；步骤D：根据液体工质的物理性质参数、被测物体的孔隙率及液体工质在被测物体内不同时间对应的润湿高度、润湿速度计算所述被测物体的毛细压力、渗透率和毛细性能参数。2.根据权利要求1所述的同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法，所述步骤A中：若被测物体为开放式微通道基毛细结构，通过下式计算被测物体的孔隙率ε：其中，A1为开放式微通道基毛细结构中微通道横截面积，A2为肋片的横截面积。3.根据权利要求2所述的同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法，所述步骤D包括：步骤D1：通过下式计算所述被测物体的毛细压力ΔPcap：ΔPcap＝ρgheq其中，ρ为液体工质的密度，g为重力加速度，heq为液体工质在被测物体内毛细升高过程中的最终平衡高度；步骤D2：计算被测物体的第一毛细性能参数S1，包括：步骤D2a：若不考虑液体工质毛细升高初期的重力效应：通过下式计算所述被测物体的第一毛细性能参数S1：步骤D2b：若考虑液体工质毛细升高初期的重力效应：通过下式计算所述被测物体的第一毛细性能参数S1：其中，v＝dh/dt为液体工质的润湿速度，ε为被测物体的孔隙率，μ为液体工质的黏度，h为t时刻液体工质的润湿高度，K为被测物体的渗透率；步骤D3：利用下式计算被测物体的渗透率K：K＝S1/ΔPcap步骤D4：通过下式计算所述被测物体的第二毛细性能参数S2：S2＝S1/2σ其中，σ为液体工质的表面张力。4.根据权利要求3所述的同时测量毛细压力、渗透率和毛细性能参数的方法，其中：所述步骤D2a中：将多个h2和t的数据点拟合得到液体工质在被测物体内毛细升高过程中润湿高度的平方h2随时间t变化的函数关系曲线及曲线斜率k1，利用被测物体的孔隙率ε、液体工质的黏度μ和斜率k1计算得出被测物体的毛细性能参数所述步骤D2b中：根据多个不同时间t对应的润湿高度h的数据点得到多个润湿速度v的数据点，再...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文斌，胡学功，何雨，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11