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静电悬浮液态金属高阶振荡频率转变和表面张力探测装置

来源:西北工业大学 浏览 106 次 发布时间:2024-06-21

液态金属振荡阶数转变是物理学,材料科学与工程和空间材料科学等领域重要的课题。研究液态金属振荡阶数转变有利于揭示振荡内在机制,探测表面张力等热物理性质,对振荡动力学和流体力学等研究领域具有重要促进作用。液态金属振荡阶数转变行为中承载了丰富的热物理性质信息,蕴含着液态金属振荡阶数、频率等特征信息与表面张力等热物理性质之间的相互作用关系。在控制液态金属温度等外界条件下,探究液态金属振荡阶数转变,对于研究液态金属振荡行为与热物理性质的内在联系和实现对液态金属振荡阶数的主动控制具有重要意义。

静电悬浮技术模拟了太空高真空和无容器的特性,能够实现液态金属在无接触状态下稳定悬浮和周期性振荡,是研究液态金属高阶振荡的重要科学技术。目前在实验过程中观察到了液态金属二阶和三阶振荡。见文献:“Li,M.X.,Wang,H.P.,&Wei,B.(2019).Numerical analysis and experimental verification for heat transferprocess of electrostatically levitated alloy droplets.International Journalof Heat and Mass Transfer,138,109-116.”所述。然而,鲜有报道液态金属振荡阶数转变的研究,也缺乏对液态金属高阶振荡状态下表面张力等热物理性质的探测。主要在于三种原因:首先是缺乏定量采集高阶振荡信号的装置;其次是振荡阶数的转变具有不确定性,难于预测。振荡可能向更高阶转变也可能向低阶转变,这与液态金属本身性质和悬浮加热条件有关。再者,液态金属振荡频率很高,振荡阶数转变不易被捕捉,所以液态金属振荡阶数转变前后的振荡频率无法被及时采集到。

针对液态金属振荡信号采集问题,Bendert,J.C.等报道了一种采用竖直窄缝采集液态金属二阶振荡光电信号的方法。该方法解决了液态金属二阶振荡频率等振荡信号无法被实时、定量和准确地采集的问题。通过振荡频率推导出了液态金属的表面张力和粘度等热物理性质。但是,该方法仅对采集液态金属二阶振荡信号准确有效。由于液态金属三阶、四阶、五阶等高阶振荡形态不同于二阶振荡形态,并非沿着竖直窄缝做周期往复振动,所以竖直窄缝的光电探测设备无法被用于采集高阶振荡信号及其转变。

液态金属振荡阶数转变是在连续几个振荡周期内完成的,十分迅速。针对液态金属振荡阶数转变无法被捕捉的问题,本团队公开了采用高速CMOS相机摄取液态金属振荡阶数转变的方法。见文献:“Li,M.X.,Wang,H.P.,Zheng,C.H.,Wang,Q.,&Wei,B.(2023).A videographic and numerical study of nonisothermal oscillationprocess for electrostatically levitated liquid Nb-Si alloy.InternationalJournal of Thermal Sciences,187,108197.”所述。该方法通过高速CMOS相机拍摄图像记录液态金属振荡过程,成功获取到了液态金属从二阶振荡转变为三阶振荡的图像。但是,高速CMOS相机每秒拍摄上千帧图像,且振荡信息采集过程需要几分钟,可见实验最终数据的采集量很大。并且,液态金属振荡分析结果依赖于对拍摄数据的后续处理,这不仅使实验研究滞后而且导致数据处理量大、实验分析效率低。高速CMOS相机价格昂贵,这增加了实验测试的成本。此外,采集到的液态金属振荡图像一般不具有竖直对称性,振荡图像对称轴与竖直线之间通常有一个夹角。即使采用竖直窄缝的光电探测方法采集液态金属二阶振荡信息,振荡振幅会明显小于液态金属真实的振荡振幅,这增加了信号采集的误差。

具有竖直窄缝的光电探测方法无法有效探测液态金属高阶振荡行为,基于静电悬浮系统的高速摄像机无法实时定量的获取液态金属高阶振荡转变信息。目前并没有能够实时、完整和准确的探测液态金属高阶振荡转变的方法。液态金属在高阶振荡过程中的表面张力等热物理性质难以获取。

静电悬浮液态金属高阶振荡频率转变和表面张力探测装置的搭建:

图中:1‑定位激光器,2‑静电悬浮装置,3‑第二分束镜,4‑第三光阑,5‑第三光电探测器,6‑第三处理器,7‑第二光阑,8‑第二光电探测器,9‑第二处理器,10‑第一光阑,11‑第一光电探测器,12‑第一处理器,13‑第一分束镜,14‑圆型外框,15‑支撑杆,16‑底座,17‑刻度线,18‑圆型的遮光板,19‑螺纹,20‑探测间隙。

由定位激光器1、静电悬浮装置2、第一分束镜13、第一光阑10、第一光电探测器11、第一处理器12、第二分束镜3、第二光阑7、第三光阑4、第二光电探测器8、第三光电探测器5、第二处理器9和第三处理器6组成,如图1所示。

定位激光器1与静电悬浮装置2之间的距离为20厘米。第一分束镜13与静电悬浮装置2之间的距离为10厘米。第一光阑10与第一分束镜13之间的距离为5厘米,第一光阑10与第一光电探测器11之间的距离为5厘米。入射光与分束镜法向之间的夹角为,分束镜法向与反射光之间的夹角为。,。

第一分束镜13与第二分束镜3之间的距离为5厘米,第二光阑7与第二分束镜3之间的距离为5厘米,第二光阑7与第二光电探测器8之间的距离为5厘米。第三光阑4与第二分束镜3之间的距离为5厘米,第三光阑4与第三光电探测器5之间的距离为5厘米。入射光与分束镜法向之间的夹角为,分束镜法向与反射光之间的夹角为。,。

第二处理器9与第二光电探测器8相连;第三处理器6与第三光电探测器5相连;第一处理器12与第一光电探测器11相连。所述定位激光发射端1、悬浮液态金属、第一分束镜13、第二分束镜3、第二光阑7和第二光电探测器8在同一水平线,并且同圆心;第二分束镜3、第三光阑4和第三光电探测器5在定位激光反射线上,在同一水平线上。第一分束镜13、第一光阑10和第一光电探测器11在定位激光反射线上,在同一水平线上。

静电悬浮液态金属高阶振荡频率转变和表面张力探测装置的探测过程,定位激光器1发射的光线透过静电悬浮装置2的真空玻璃打在悬浮液态金属上。激光穿过悬浮液滴从静电悬浮装置另一侧的真空玻璃穿出。穿出的定位激光被两个分束镜分成三束。激光首先打在第一分束镜13上,反射光线与法线的夹角为。反射光线通过第一光阑10的探测间隙被第一光电探测器11接收。透过第一分束镜13的光线射在第二分束镜3上。反射光线与法线的夹角为。反射光线打在第三光阑4的探测间隙上,信号被第三光电探测器5接收;透过第二分束镜3上的光线打在第二光阑7的探测间隙上,信号被第二光电探测器8采集。

第一光阑10、第二光阑7和第三光阑4均包括底座16、支撑杆15、圆型外框14和圆型的遮光板18。圆型底座的直径为4厘米,高度1厘米。柱状支撑杆的直径为1厘米,高度10至20厘米,优选地,高度14厘米。所述圆型外框14以其圆心为圆点,在其表面刻有720个从0度至360度的刻度线17,每格刻度线间距为0.5度。圆型外框的外径为10至8厘米,内径为9至5厘米,优选地,圆型外框的外径为8厘米,圆型外框的内径为7厘米。所述遮光板18与圆型外框14通过螺纹19连接。遮光板的外径在9至5厘米之间,厚底为为0.5至1厘米,优选地,遮光板的直径为7厘米,厚度0.3厘米。遮光板可以通过螺纹19相对于圆型外框转动。遮光板中心设有探测间隙20,探测间隙20的形状和尺寸依据液态金属尺寸参数设置。

总结:

静电悬浮液态金属高阶振荡频率转变和表面张力探测装置及方法。突破了当下仅用竖直窄缝探测液态金属二阶振荡的现状,实现了对液态金属三阶和四阶等高阶振荡的探测。通过探测液态金属高阶振荡的频率等振荡信息,能够计算液态金属在高阶振荡状态下的表面张力等热物理性质。