[发明专利]低沸点高挥发性介质常压环境液滴生成、蒸发性观测与撞壁试验系统及方法

说明书

本发明公开一种低沸点高挥发性介质常压环境液滴生成、蒸发性观测与撞壁试验系统及方法，包括密封液滴生成装置、冷却装置、压力控制装置、信息采集处理装置，各装置之间通过管路连接；通过该平台设计的低温环境维持低沸点高挥发性介质的液体形态，并在常压环境下生成单液滴，极大限度地模拟了实际激光手术喷雾冷却等喷雾冷却方式中的操作环境，更加符合实际情况；可以在常温常压环境下对这类液体单液滴滴落过程中的蒸发特性进行研究，以便更好地掌握实际液滴的滴落特性，为喷雾冷却的数值模拟提供参考数据；可以准确分析这类液体单液滴撞击固体平板的动力学特性，更加深入地了解这类液体喷雾冷却液滴撞击受热面的撞击机理。

技术领域

本发明属于液滴生成、滴落过程中的蒸发性观测与撞壁试验系统领域，具体涉及一种低沸点高挥发性介质在常压环境下液滴生成、蒸发性观测与撞壁试验系统及方法。

背景技术

喷雾液滴飞行过程中的蒸发与撞壁现象广泛存在于喷雾燃烧、喷雾冷却、喷雾干燥以及喷墨打印等技术领域。其中，喷雾冷却是指连续液态工质，借助高压气体或自身压力经喷嘴雾化成细小液滴后，喷射到受热部件表面，通过单相或两相换热机理带走热量的冷却方式，具有散热能力强、换热温差小、工质循环量小、没有沸腾滞后性、冷却均匀性好等特点，是解决高热流密度散热问题的有效方式，在电子元器件冷却，激光手术喷雾冷却等方面的应用日益突出，如何提高喷雾冷却的换热能力和换热效率是目前的一个研究热点。低沸点高挥发性介质喷雾冷却是一个十分复杂的物理过程，包含闪蒸雾化、液滴破碎、蒸发、聚合、碰撞等诸多过程，涉及到非平衡热力学、液滴动力学、传热传质、多相流等多学科交叉难点问题。虽然在实际应用中已得到了初步应用，但是相关理论研究仍不成熟，还未能从理论上揭示过程的本质，也不能很好的满足工业装置开发和设计的需要。由于喷雾液滴群动力学与热力学行为的复杂性与特殊性，研究者通常针对喷雾中单个液滴的动力学与热力学行为开展研究。掌握单液滴蒸发与撞壁的行为特性和动力学机理，能够为喷雾液滴群的蒸发特性与撞壁行为提供基础物理模型和数据，具有重要研究意义。

实际上，低沸点高挥发性介质喷雾冷却在激光皮肤医学皮肤冷却保护和大功率芯片低温高效散热领域具有重要实际应用。以激光治疗皮肤病为例，脉冲激光治疗鲜红斑痣(port wine stain，PWS)的目的是使目标血管中的热损伤达到最大，又避免伤及其上的正常表皮。但对于大部分病变来说，表皮损伤的阈值激光剂量可能低于达到完全祛除PWS病变的剂量。同时，在激光溶脂治疗过程中，埋藏更深或者体积更大的脂肪团需要更高的激光能量来消融，但过高的能量可能会导致表皮等正常皮肤组织的热损伤。由于激光能量受到限制，需进行较长的手术操作时间。同时，表皮和真皮温度不应超过47℃，否则会导致皮肤灼伤或者水泡等并发症。采用低沸点制冷剂动态喷雾冷却可以有效解决上述问题，在激光手术治疗过程中对表皮和真皮进行冷保护，降低皮肤和血管的不可逆热损伤。目前激光手术喷雾冷却中往往使用的是R134a等低沸点高挥发性液体，这类液体在实验室以常温高压储存于制冷剂钢罐中，若直接打开高压阀门，高压液体直接进入常压环境，在较大的压差作用下形成喷雾，无法生成单液滴；

为了生成低沸点高挥发性介质的单液滴，一种方法是让高压液体进入与存储压力相仿的高背压密闭环境，调节二者的压力，使得高压液体在微小的压力差下进入高压密闭腔体生成单液滴。但这种利用高背压密闭腔体生成单个液滴的方法，对设备耐压要求较高，很难实现液滴生成可视化观测，若在高背压密闭腔体开设可视化窗口，一方面使得系统设计、加工制造变得十分复杂，另一方面高压气体容器开设可视化窗，会给操作带来巨大的安全隐患，一旦可视化玻璃破裂会引起爆炸。同时由于高压密闭腔体大小限制，对其微小单液滴生成与撞击壁面观测受到很大限制，没法实现对液滴蒸发性的连续实时观测和大距离液滴较高速撞击壁面动力学研究；同时，高压环境下影响液滴的挥发，不利于后期模拟实际常压环境下对液滴滴落过程中的耗散和在固体表面上的挥发情况进行探究。鉴于现行的单液滴实验的弊端及其难以在常压环境下生成单液滴，使得对其常压环境下的液体蒸发和动力学研究变得困难。

发明内容