[发明专利]固着液滴的内部三维瞬态速度场获取方法

说明书

本发明公开固着液滴的内部三维瞬态速度场获取方法，首先利用观测装置对固着液滴进行实时观测，再将观测装置得到的图片数据在基于互相关算法的PIV程序上进行处理之后，再通过坐标变换和速度变换以得到全面真实的液滴内部截面二维流场，最后基于不可压缩流体的连续性方程，对于坐标与速度变换后得到的不同截面的二维速度场结果，通过插值方法计算可以得到任意时刻的速度场，在此基础上进行计算得出第三个方向的速度分量，进而获得相应的三维瞬态速度场。相较于传统的从液滴侧面横向拍摄的方法，本方法避免了拍摄时曲面折射带来的图像畸变和图像修正后液滴界面处流场信息缺失的问题，得到了更全面真实的液滴内部流场。

技术领域

本发明属于液滴可视化研究领域，更加具体地说，涉及一种固着液滴的内部三维瞬态速度场获取方法，主要涉及固着液滴内部各纵截面的流场可视化和内部空间三维流场的获取。

背景技术

固着液滴是指附着在固体表面上的液滴，又称固体表面液滴或固体衬底液滴，其接触面积受接触线的限制，在日常生活、科学研究和工业生产中十分常见，如喷雾冷却、DNA阵列排布、喷墨打印、医疗诊断等。液滴中的流动可以由重力、温度变化或浓度驱动，流动也会影响液滴的特性。液滴中流场的变化在液滴应用中有着重要的作用，因此，捕捉液滴的内部流场就成了众多应用的关键。

国内外针对固着液滴的内部流场研究主要通过采用在液滴中加入跟随性良好的示踪粒子或荧光粒子，并借助合适的激光片光源来照亮拟测量的液滴纵截面区域，在垂直该区域的液滴一侧通过选择合适的相机来进行拍摄，然后把图像数字化送入计算机，利用自相关或互相关原理进行处理的粒子图像测速(PIV)或平面激光诱导荧光(PLIF)的方法，这两种光学测试技术能够实现空间瞬时流场的实时测量，能够捕捉液滴内部的流场特征，能够为研究者呈现出液滴内部的流场演变过程。

然而，对于直接从液滴侧面通过PIV技术或PLIF技术来测量液滴内部流场的方法，由于液相和气相之间折射率不匹配，且弯曲界面处折射复杂，出射光线方向不一致，图像会有严重的畸变，不能准确反映液滴内部流场，因此，在进一步分析之前，应该对原始结果进行适当地修正，恢复后的图像会在液滴界面附近缺失大约20％的流场信息，而那里正是蒸发与表面张力驱动流产生的关键位置，因此，这种图像恢复的方式也存在一定的不足。

同时，传统的直接从液滴侧面测量内部流场的方法仅仅可以分析中心纵截面的速度场情况，不能对全局速度场有比较全面的掌握和了解，这不利于更加深刻地了解固着液滴蒸发时的流动传热传质机理。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供固着液滴的内部三维瞬态速度场获取方法。本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现，需要说明的是本课题组之前已经申请中国发明专利“固着液滴的内部全流场可视化方法”，申请号为2019103176361，申请日为2019年4月19日，本申请的工作为在先中国发明申请的后续工作，故在本申请中引入在先中国发明申请的全部内容，以清楚完整说明相关技术方案。

固着液滴的内部三维瞬态速度场的观测装置，在激光器的发出端依次设置凸透镜、柱面镜和反射镜，反射镜与水平方向成45度角；在反射镜上方设置透明基底和加热板，透明基底和加热板彼此接触，透明基底和热电偶相连，加热板与温控仪相连，热电偶和温控仪相连，通过热电偶—温控仪—加热板的控制以实现加热板对透明基底温度的控制；

在透明基底的上表面设置待测液滴，透明基底的下表面设置直角棱镜，在直角棱镜的斜下方设置滤光片和相机，调整相机镜头和机身的角度，以使镜头所在平面、相机传感器平面与待测液滴的纵截面相交于一条直线，同时使激光诱导液滴内部荧光粒子产生的荧光近似垂直入射到相机镜头，相机的成像数据输送给数据处理设备；

驱动装置，与透明基底相连，使透明基底和位于透明基底上的待测液滴一起进行往返的周期性运动，在这个周期性运动中，将激光面进行固定不动，激光面实现从液滴中心到液滴一侧边缘，再到液滴中心，再到液滴另一侧边缘的周期运动，借助相机记录液滴蒸发过程中不同截面的流场情况，相机的成像数据输送给数据处理设备。