动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置及方法、应用制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种基于飞秒激光加工微纳结构改性表面常压条件下汽泡粘附力测量可视化试验装置，基于该装置，可以完成对飞秒激光加工的带有微纳结构的改性表面对去离子水核化形成的汽泡的粘附力的测量，同时观察汽泡核化生长的极限尺寸以及核化过程中汽泡发生分裂的现象以及概率，提取的数据可用于汽泡动力学与沸腾核化相关模型的建立，以及汽泡核化相应经验关系式与现象的总结，为进一步揭示改性表面对汽泡的作用机制奠定基础。表面对汽泡的作用机制奠定基础。表面对汽泡的作用机制奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置及方法、应用


[0001]本专利技术属于核工程
，具体涉及一种基于飞秒激光加工微纳结构改性表面常压条件下动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置。

技术介绍

[0002]在两相流流动与传热研究中，伴随着传热、传质的沸腾现象一直是研究的重点。目前，在核反应堆、蒸汽发生器、电子元件冷却等重要设备与装置研发与应用均涉及两相流流动传热与换热机理。入口流体，在流动过程中，吸收加热表面传递的热量，当处于某处加热表面的流体吸收足够多的热量后，汽泡便会于此处核化，生长然后脱离，随后伴随主流前往出口，完成循环。在稳态条件下，汽泡是否发生核化、核化的位置取决于入口流体的流量、过冷度、装置热流密度、环境温度、加热表面材质与粗糙特性等。
[0003]汽泡在加热表面核化、生长过程中，由于受到主流工质的流动惯性影响，汽泡的形态会呈现一定的非均匀性。这种汽泡形状的偏斜主要由于重力、表面张力、液体惯性力、汽泡生长力、表面粘附力等因素的影响，并决定核化汽泡在加热表面上的脱离、滑移等行为。研究流动沸腾条件下汽泡在加热表面的行为有助于深入了解汽泡核化机理、局部的流动传热传质机制，有利于更精确的经验关系式开发以及CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟的模型开发，释放反应堆堆芯内燃料组件的设计裕量。
[0004]得益于微电机加工技术、湿法加工(蚀刻)、激光加工等新型加工制造技术的兴起，在传统加热表面人为地塑造具有微米、纳米尺度的形貌特征已成为可能。基于具有微纳结构形貌特征的加热表面相比于传统机械加工的镜面(Ra<0.8μm)，具有换热面积大、毛细作用强、润湿特性好等一系列特点，因而广泛地用于强化两相传热特性。飞秒激光技术作为一种冷加工的激光技术，基于特定的能量和扫描方式，可以形成有序可控的带有微纳结构的改性表面，用于替代传统的机械加工表面。然而，具有微纳级别形貌特征的改性表面所显现的极端润湿性、高粘附力的机制机理认知尚不完全，需要深入的探索。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种在流动沸腾条件下测量改性表面对汽泡粘附力大小、流体惯性力大小的试验装置，同时也可以在流动环境中观察汽泡粘附在改性表面时的生长极限与形状变化，从而为开发基于汽泡动力学的传热传质模型提供基础。
[0006]为达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案实现：
[0007]首先，提供动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置，其包括沸腾池，微纳结构改性表面待测试样位于池底，沸腾池下方设有加热系统；还包括位于待测试样上方的粘附探头，汽泡粘附探头的汽泡粘附力大于待测试样；还包括定滑轮组和微型砝码，汽泡粘附探头和微型砝码位于定滑轮组两端。粘附力测量的原理是使用带有较强粘附力的粘附探头，粘附在改性表面上的沸腾汽泡，另一端通过滑轮施加微型砝码来提高促使汽泡脱离的力，当汽泡刚好脱离待测试样改性表面时，此时的微型砝码的质量所产生的重力总和即为改性表面
对汽泡的粘附力。
[0008]基于以上方案提供的可视化试验装置，可以完成对飞秒激光加工的带有微纳结构的改性表面对去离子水核化形成的汽泡的粘附力的测量，同时观察汽泡核化生长的极限尺寸以及核化过程中汽泡发生分裂的现象以及概率，提取的数据可用于汽泡动力学与沸腾核化相关模型的建立，以及汽泡核化相应经验关系式与现象的总结，为进一步揭示改性表面对汽泡的作用机制奠定基础。
[0009]作为试验装置的优选方案，沸腾池由不锈钢池底与可视材料池壁组成。
[0010]作为试验装置的优选方案，加热系统包括由导热材料制成的导热腔，导热腔内设有电加热棒，导热腔位于待测试样下方。
[0011]作为试验装置的优选方案，导热腔由下至上成收拢状。
[0012]作为试验装置的优选方案，加热系统还包括由保温材料制成的隔热罩，隔热罩设置于沸腾池池底周围，并将导热腔包围在内。
[0013]作为试验装置的优选方案，位于待测试样上方的定滑轮配置有导轨。
[0014]作为试验装置的优选方案，汽泡粘附探头呈半球形或半椭球型。
[0015]作为试验装置的优选方案，待测试样与沸腾池池底平齐。
[0016]其次，提供动态汽泡粘附力测量的可视化试验方法，其采用上述的动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置，实施以下步骤：
[0017]在沸腾池中加入去离子水，启动加热系统进行加热，让池中去离子水沸腾持续30min以上，排除池内不凝性气体；
[0018]降低加热系统的加热功率，将去离子水逐步加热至改性表面上有核化汽泡出现的工况；
[0019]维持上述相应工况，将汽泡粘附探头送至核化汽泡正上方，降落粘附探头使得与汽泡相接触，晃动粘附探头以排除粘附探头表面与汽泡之间的残留水；
[0020]逐步加大加热系统的加热功率，使得汽泡再次生长，但并未生长到脱离的尺寸；
[0021]逐渐增加定质量微型砝码的数量，直至汽泡被粘附探头牵引脱离为止，完成了对待测试样表面汽泡粘附力的测量，并观察汽泡被拉伸的极限尺寸以及汽泡发生分裂的概率。
[0022]再次，提供如上述的动态汽泡粘附力测量的可视化试验方法的应用，其应用于飞秒激光加工制造的带有微米、纳米结构形貌的表面，用以测量改性表面对去离子水核化形成的汽泡的粘附力。
[0023]综上所述，本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0024]利用本专利技术提出的辅助装置，可以完成池式沸腾条件下汽泡沸腾的行为观察，同时测量飞秒激光加工形成的带有微纳结构的改性表面对核化汽泡的粘附力大小，并且统计汽泡分裂的概率与汽泡生长的极限尺寸，用于经验关系式的提出与物理模型的建立。
附图说明
[0025]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。
[0026]图1为试验装置示意图。
[0027]图2为飞秒激光加工的改性表面微纳结构一览图。
[0028]附图标记及对应的零部件名称：1
‑
沸腾池；2
‑
待测试样；3
‑
粘附探头；4
‑
电加热棒；5
‑
导热腔；6
‑
隔热罩；7
‑
定滑轮组；8
‑
导轨；9
‑
微型砝码。
具体实施方式
[0029]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本专利技术作的原理和特征等做进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术保护范围的限定。
[0030]在以下描述中，为了提供对本专利技术的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本专利技术。在其他实例中，为了避免混淆本专利技术，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
[0031]在整个说明书的描述中，对“一个实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置，其特征在于：包括沸腾池，微纳结构改性表面待测试样位于池底，沸腾池下方设有加热系统；还包括位于待测试样上方的粘附探头，汽泡粘附探头的汽泡粘附力大于待测试样；还包括定滑轮组和微型砝码，汽泡粘附探头和微型砝码位于定滑轮组两端。2.根据权利要求1所述的动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置，其特征在于：沸腾池由不锈钢池底与可视材料池壁组成。3.根据权利要求1所述的动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置，其特征在于：加热系统包括由导热材料制成的导热腔，导热腔内设有电加热棒，导热腔位于待测试样下方。4.根据权利要求3所述的动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置，其特征在于：导热腔由下至上成收拢状。5.根据权利要求3所述的动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置，其特征在于：加热系统还包括由保温材料制成的隔热罩，隔热罩设置于沸腾池池底周围，并将导热腔包围在内。6.根据权利要求1所述的动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置，其特征在于：位于待测试样上方的定滑轮配置有导轨。7.根据权利要求1所述的动态汽泡粘附力测量的可视化试验装置，其特征在于：汽泡粘附探头呈半球形或半椭球型。...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹铭泽，张君毅，闫晓，唐吴宇，周磊，昝元锋，徐建军，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：