Ra制冷劑微型直管?chē)娮靸?nèi)流動(dòng)特性的可視化研究

1、論文題目：R134a制冷劑微型直管?chē)娮靸?nèi)流動(dòng)特性的可視化研究學(xué)生姓名：.指導(dǎo)教師：.摘 要閃蒸噴霧在工業(yè)應(yīng)用中非常廣泛，比如內(nèi)燃機(jī)內(nèi)采用閃蒸噴霧可以提高其工作效率，海水淡化領(lǐng)域中利用閃蒸噴霧原理可以降低能耗，航天飛機(jī)中閃蒸噴霧現(xiàn)象在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行和航天員日常生活中也很常見(jiàn)，在激光皮膚醫(yī)學(xué)中的制冷劑閃蒸噴霧冷卻也有重要應(yīng)用。目前對(duì)閃蒸噴霧相關(guān)研究主要集中在噴嘴外的閃蒸噴霧特性方面，而對(duì)噴嘴內(nèi)的流動(dòng)特征研究甚少。然而，噴嘴內(nèi)流動(dòng)特征對(duì)噴霧特性有重要影響，對(duì)噴霧噴嘴內(nèi)流動(dòng)特性研究十分必要。本文針對(duì)激光皮膚醫(yī)學(xué)中制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻過(guò)程，利用課題組搭建的開(kāi)放式噴霧可視化觀察實(shí)驗(yàn)臺(tái)和設(shè)計(jì)的不同長(zhǎng)徑比膨脹腔

2、新型直管?chē)娮欤ㄆ渑蛎浨婚L(zhǎng)徑比分別為1:4，1:2，1:1，2:1，4:1），應(yīng)用高速攝像儀和大功率LED連續(xù)光源，采用背光法（陰影法）拍攝方法，對(duì)不同壓力（0.8MPa，1.1MPa，1.3MPa，1.5MPa）下不同噴嘴的管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和對(duì)應(yīng)的管外噴霧特性進(jìn)行了可視化研究。通過(guò)圖像數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一個(gè)噴嘴的外部霧化，當(dāng)噴霧壓力增大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的噴霧錐角也隨之而增大；隨著噴霧壓力的增加，其充分霧化時(shí)間延后，膨脹腔內(nèi)部制冷劑液柱發(fā)生明顯破碎霧化的距離更加接近底部；帶膨脹腔的噴嘴和不帶膨脹腔的直管?chē)娮煜啾容^，由于制冷劑液體在膨脹腔內(nèi)與噴嘴外分別經(jīng)歷一次閃蒸霧化與二次閃蒸霧化，其噴霧錐角明顯小，霧化

3、更加充分，更有利于激光手術(shù)時(shí)噴霧在皮膚表面的集中，防止周?chē)つw組織被凍壞。關(guān) 鍵 詞：R134a；閃蒸噴霧；可視化，噴嘴內(nèi)部流動(dòng)；陰影法；噴霧錐角Title: The Visualization Research of Internal Flow of R134a Two-Phase Flashing Spray in Miniature NozzleName: .Supervisor: . ABSTRACTFlashing spray is widely used in industrial applications，such as fuel injection of combustion

4、engines with improvement of its work efficiency, the use of flashing spray in desalination field with the advantage of reducing energy consumption，cryogenic spray cooling in laser dermatology to protect the epidermis from the thermal injuries due to the absorption of laser energy by melanin. Flashin

5、g spray is also relevant for the aerospace engineering, where the high-pressure expands into nearly vacuum environment. At present，the research on flash spray mainly has focused on the spray characteristics outside nozzle，while the flow characteristics within the internal nozzle has been little stud

6、ied. However，the internal flow inside the nozzle has very important effect on the atomization of the spray. Therefore, the understanding of the internal flow and its relationship with the outside spray become very import issues in the relevant industrial applications.This paper mainly focus on appli

7、cation of flashing spray in the laser dermatology. Based on the previous experimental system of flashing spray, five different new nozzles with the expansion chambers are designed. The aspect ratio of expansion chamber are 1:4, 1:2, 1:1, 2:1 and 4:1, respectively. The high speed camera and the high-

8、power LED light are employed to record the internal flow and the atomization with the backlit imaging method. The effect of the driving pressure (0.8MPa，1.1MPa，1.3MPa，1.5MPa) in the cryogen container on the internal flow and atomization is studied.According the analysis of image data，F(xiàn)or the new noz

9、zles with expansion chambers the spray angle increases with the increment of spray driving pressure. And the length of the unbroken liquid column in the expansion chamber also grows the increment of the pressure. It's found that the spray angle produced by the conventional nozzle with no expansi

10、on chamber is obviously lager that those of the new nozzles under the same spray conditions. The smaller spray angle of the new nozzles attributes to the first flashing atomization inside the expansion chamber and the second atomization outside the nozzle. From the clinical requirement of the smalle

11、r spray angle, the new nozzles with expansion chamber are more suitable in the laser dermatology.KEY WORDS: R134a; Flashing spray; Visualization; Internal flow; Backlit imaging method; Spray angle 目 錄1 緒論1 1.1 研究背景1 1.1.1 制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻在激光皮膚手術(shù)中的應(yīng)用1 1.1.2 閃蒸噴霧在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用2 1.2 激光皮膚手術(shù)中R134a制冷劑噴霧可視化研究進(jìn)展4 1.3

12、 本文研究?jī)?nèi)容及目的6 1.3.1 研究?jī)?nèi)容6 1.3.2 研究目的6 1.3.3 本課題研究意義72 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試手段8 2.1 制冷劑閃蒸噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹8 2.2 測(cè)試方法133 噴嘴內(nèi)可視化結(jié)果分析19 3.1 瞬態(tài)噴霧在膨脹腔內(nèi)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程19 3.2 不同噴霧壓力下穩(wěn)態(tài)膨脹腔內(nèi)部噴霧形態(tài)21 3.3 細(xì)直管內(nèi)制冷劑流動(dòng)特性研究244 噴霧可視化結(jié)果分析27 4.1 瞬態(tài)噴霧形態(tài)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程27 4.2 不同噴霧壓力下穩(wěn)態(tài)噴霧形態(tài)285 結(jié)論與展望32 5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)論32 5.2 研究展望33參考文獻(xiàn)34附 錄35致 謝67緒論研究背景及意義閃蒸現(xiàn)象是當(dāng)液體處于熱力學(xué)非平衡過(guò)

13、熱狀態(tài)，即自身所具有的溫度高于其所處環(huán)境壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，該液體所發(fā)生的劇烈蒸發(fā)現(xiàn)象。當(dāng)高壓容器內(nèi)的液體或者液化氣體通過(guò)噴嘴或者小孔噴出時(shí)，在噴出的一瞬間液體快速失壓，而由于熱慣性液體溫度可看成近似不變，液體由噴出前的穩(wěn)定狀態(tài)突然變成噴出后過(guò)熱亞穩(wěn)定狀態(tài)，處于過(guò)熱亞穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)熱液體極不穩(wěn)定，在非平衡熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等多種因素的作用下，液體發(fā)生劇烈破碎霧化，液體破碎成大量液滴并伴隨著氣泡的產(chǎn)生，形成閃蒸噴霧1。制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻在激光皮膚手術(shù)中的應(yīng)用葡萄酒色斑，又稱(chēng)鮮紅斑痣，焰色痣，是一種先天性的、良性的、不自然消褪的血管畸形。在人群中的發(fā)病率為0.3%。葡萄酒色斑的畸形特點(diǎn)在于血管擴(kuò)張

14、和血管數(shù)目的實(shí)際增多，與真皮深層、中層的血管無(wú)神經(jīng)支配可能與擴(kuò)張的加重趨勢(shì)有關(guān)， 隨著年齡的增大，血管進(jìn)行性的擴(kuò)張從而色斑顏色也相應(yīng)地加深。葡萄酒色斑的治療有十余種方法，放射治療歷史悠久，因其繼發(fā)的危險(xiǎn)和美容效果欠佳已趨淘汰。冷凍治療對(duì)、病灶可能達(dá)到滿(mǎn)意療效，但對(duì)大面積病灶會(huì)導(dǎo)致治療后癱痕增生。外科手術(shù)切除植中厚、全厚皮片或局部皮瓣修復(fù)的報(bào)道較多，和其它植皮一樣存在邊緣癱痕、顏色質(zhì)地差和皮片收縮的問(wèn)題。此外還有化妝品、藥物注射、硬化劑、電凝固法、皮膚磨削、紫外線照射等治療方法但是均獲益不大。國(guó)內(nèi)還有單位以中藥腐蝕也沒(méi)有理想療效2。從70年代開(kāi)始，激光開(kāi)始在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展露頭角，最早使用于葡萄酒色斑

15、治療的是二氧化碳激光，這種波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外光能被水強(qiáng)烈吸收，因此穿透距離很小，損傷可控制僅達(dá)到體表30-50微米。因?yàn)槲栈蚴撬?，這決定了只能是非選擇性地破壞病灶與周?chē)５慕M織，難以達(dá)到理想效果。Nd-YAG激光同屬非選擇光熱作用，實(shí)踐中出現(xiàn)相似弊端。70年代末，Argon激光開(kāi)始臨床推廣，代表了葡萄酒色斑治療的一次飛躍。選擇性激光治療可以有選擇性的用特定波長(zhǎng)的激光加熱葡萄酒色斑病變組織內(nèi)的毛細(xì)血管使其到達(dá)熱至消融，而不熱損傷病變血管周?chē)５钠つw組織或者盡可能減少對(duì)正常皮膚組織的傷害，其波長(zhǎng)488nm和514nm，為藍(lán)綠光，能被血紅蛋白及少量皮膚色素較大選擇性吸收，且被周?chē)M織吸收較少，因此

16、可達(dá)到破壞皮膚血管網(wǎng)的目的，又較少產(chǎn)生癱痕，這一工作以Goldman為先驅(qū)。激光穿透深度達(dá)真皮淺層1mm，毛細(xì)血管網(wǎng)恰在0.1mm以?xún)?nèi)，該法使葡萄酒色斑療效大大改善，但其對(duì)兒童的葡萄酒色斑的治療仍然棘手。1985年，F(xiàn)DA（美國(guó)政府食品藥物管理部門(mén)）根據(jù)脈沖染料激光能達(dá)到最小地產(chǎn)生癱痕而有效地消除血管疾病，批淮在其臨床上使用于各年齡組的患者，它的出現(xiàn)代表了葡萄酒色斑及其它血管畸形治療上的又一進(jìn)展。目前臨床上大多案例都采用這種方法。但其也有很大弊端。由于皮膚表皮內(nèi)存在黑色素，它可以很大程度上吸收可見(jiàn)光波段的光，當(dāng)激光打到皮膚表面時(shí)，激光穿透皮膚組織時(shí)，黑色素吸收了相當(dāng)一部分的激光能量，導(dǎo)致到達(dá)真

17、皮內(nèi)病變血管組織的激光能量減少，大大降低了激光皮膚手術(shù)治療效果；而另外一方面，由于黑色素吸收了相當(dāng)量的激光能量，使得皮膚表面溫度迅速升高，從而不可避免的會(huì)灼傷燒傷正常的皮膚組織，這兩點(diǎn)問(wèn)題互相沖突，想要有效治病就得提高激光能量，但是提高能量又會(huì)對(duì)正常皮膚組織造成更大的損傷3。這就限制了治療時(shí)激光能量的提高，對(duì)位置較深的葡萄酒色斑血管組織和較細(xì)的病變毛細(xì)血管治療效果較差。目前，解決這一沖突的主要手段就是在激光手術(shù)過(guò)程中進(jìn)行皮膚表面冷卻處理。冷卻方法包括冰敷、冷寶接觸式冷卻，冷空氣射流冷卻等，這些方法主要采用傳統(tǒng)降溫手段，傳導(dǎo)，對(duì)流等。但是這些冷卻方法有很大弊端，不光冷卻速度慢，冷卻效果差，如接觸

18、式冷卻等方法還會(huì)影響激光皮膚手術(shù)的正常進(jìn)行，很難達(dá)到同步和取得良好的冷卻效果。本文主要研究的是1995年Nelson博士等人提出的制冷劑閃蒸噴霧冷卻（Cryogen Spray Cooling，CSC）動(dòng)態(tài)冷卻方式4。制冷劑閃蒸噴霧冷卻的作用機(jī)理主要是要在激光作用皮膚之前，就將皮膚表面溫度降下來(lái)，在近距離下，將高壓制冷劑儲(chǔ)罐內(nèi)的飽和制冷劑液體通過(guò)噴嘴噴出噴到皮膚表面，飽和態(tài)制冷劑液體通過(guò)噴嘴噴出的時(shí)候，由于其低沸點(diǎn)且具有高揮發(fā)性，從噴嘴一出來(lái)就迅速在空中氣化膨脹吸熱，形成劇烈的閃蒸噴霧，液滴在到達(dá)皮膚表面之前不斷氣化，溫度快速下降（可遠(yuǎn)低于其對(duì)應(yīng)壓力下的沸點(diǎn)溫度），低溫液滴沖擊皮膚表面，可以將

19、皮膚表面溫度快速降低50攝氏度以上。低溫液滴在皮膚表面形成的液膜繼續(xù)蒸發(fā)，可以不斷從病變皮膚表面帶走熱量。由于制冷劑閃蒸噴霧冷卻作用的時(shí)間，一般為幾十毫秒，非常短，可以讓病變處的表皮組織快速冷卻，而對(duì)深層的葡萄酒色斑病變血管組織的溫度影響卻很小，不會(huì)影響激光治療效果，也不會(huì)使激光損傷皮膚表面，從而達(dá)到空間選擇性的冷卻效果。相比傳統(tǒng)的接觸式冷卻方式，制冷劑閃蒸噴霧冷卻是一種利用相變換熱、具有時(shí)間和空間選擇性的高效冷卻方式。在激光治療葡萄酒色斑皮膚的手術(shù)過(guò)程中，不僅可以保護(hù)表皮不受或者較大程度降低激光的熱損傷，還可以提高治療激光的能量，有效改善治療效果。閃蒸噴霧在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用閃蒸噴霧現(xiàn)象不光在

20、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有其一席之地，在其他工業(yè)領(lǐng)域也有很重要的應(yīng)用。在脫油瀝青噴霧造粒過(guò)程中，為了使其造粒過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行，提高產(chǎn)出效率，實(shí)現(xiàn)戊烷溶劑脫瀝青過(guò)程脫瀝青油收率最大化5，在脫瀝青過(guò)程直接進(jìn)行脫油瀝青噴霧造粒的研究，將脫油瀝青相直接噴霧造粒，實(shí)現(xiàn)溶劑與瀝青顆粒的有效分離，從流程中去掉瀝青加熱爐，解決高軟化點(diǎn)脫油瀝青加熱過(guò)程能耗高的問(wèn)題，通過(guò)建立戊烷瞬態(tài)閃蒸模型6，對(duì)采用不同結(jié)構(gòu)噴嘴的戊烷閃蒸相變過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)其噴嘴以及其它環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，在原有噴嘴上加入漸縮段，可以避免噴嘴中的壓力突變，有效減少?lài)娮熘形焱榈臍饣?，防止瀝青顆粒過(guò)多析出阻塞噴嘴，有利于噴霧造粒過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行。在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，噴霧是燃燒技術(shù)

21、最核心部分之一。燃料的霧化研究是燃燒技術(shù)中最為關(guān)鍵的一環(huán)7。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中，燃料霧化的好壞直接影響混合氣的形成質(zhì)量， 影響發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放水平。特別對(duì)于柴油機(jī)而言，由于柴油的揮發(fā)性能較差， 柴油與空氣的混合是在高壓作用下，通過(guò)噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以其霧化質(zhì)量取決于噴孔內(nèi)外的流體動(dòng)力場(chǎng)特性。通過(guò)采用恰當(dāng)?shù)撵F化特性和液滴尺寸分布的測(cè)量方法，比如對(duì)油束空間形態(tài)的測(cè)量，對(duì)霧化質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)的測(cè)量即是對(duì)液滴尺寸和速度的測(cè)量等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相比較傳統(tǒng)的壓力噴霧閃蒸噴霧可以在較低的壓力下獲得更小的噴霧液滴、更短的噴霧貫穿距離以及燃油與空氣的更好混合8，從而形成更好的霧化效果，既可以提高內(nèi)

22、燃機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行性能，又可以使得燃油燃燒更加充分，降低廢氣的排放，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽油直噴內(nèi)燃機(jī)中。在海水淡化領(lǐng)域，閃蒸噴霧也具有非常重要的應(yīng)用。隨著人口的增長(zhǎng)、社會(huì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，沿海淡水資源短缺問(wèn)題將日益嚴(yán)重，海水淡化技術(shù)將成為21世紀(jì)解決沿海淡水供應(yīng)問(wèn)題的必然選擇9。MSF多級(jí)閃蒸技術(shù)是國(guó)際海水淡化市場(chǎng)的主力軍。采用閃蒸噴霧方法將海洋表面溫度較高的海水噴射到低于噴射海水溫度所對(duì)應(yīng)飽和壓力的低壓環(huán)境中，噴射海水會(huì)發(fā)生閃蒸現(xiàn)象產(chǎn)生大量蒸汽，利用海洋深處抽取的低溫冷水為工質(zhì)使其凝結(jié)，可以實(shí)現(xiàn)海水淡化10。相較于傳統(tǒng)海水淡化方式，該方法利用低品位熱能，大大降低了海水淡化成本，節(jié)約了

23、大量人力物力，對(duì)環(huán)境排放小，產(chǎn)生了較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。激光皮膚手術(shù)中R134a制冷劑噴霧可視化研究進(jìn)展對(duì)于制冷劑閃蒸噴霧冷卻在激光皮膚手術(shù)中的應(yīng)用剛開(kāi)始時(shí)人們大部分的研究都集中于該手術(shù)中被冷卻的皮膚表面的傳熱特性，在2000年之后對(duì)于其噴霧特性的研究主要才慢慢開(kāi)展。在激光皮膚手術(shù)中用的噴嘴直徑都比較較小，一般小于1mm，而且噴嘴的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，醫(yī)療上使用的都為不銹鋼直管型噴嘴。由于儲(chǔ)罐內(nèi)的制冷劑液體都處于飽和狀態(tài)，在激光皮膚手術(shù)中，當(dāng)飽和態(tài)制冷劑離開(kāi)儲(chǔ)罐在管內(nèi)時(shí)，一點(diǎn)點(diǎn)的壓降就會(huì)讓其出現(xiàn)部分氣化，因此制冷劑液體在噴嘴內(nèi)部的時(shí)候就已經(jīng)處于兩相混合狀態(tài)，屬于內(nèi)部閃蒸模式。而之前人們的研究主要集中

24、于噴霧表面?zhèn)鳠崽匦?，表面溫度分布情況，噴霧速率，噴嘴形狀等對(duì)噴霧傳熱的影響，而對(duì)于激光皮膚手術(shù)中閃蒸噴霧的可視化研究也主要集中于噴嘴外不噴霧霧場(chǎng)，包括噴霧粒徑，速度分布情況，霧場(chǎng)形態(tài)等。之前提到，兩相變化始于噴霧之前，前人研究對(duì)于噴霧前一段管內(nèi)流動(dòng)形態(tài)觀察較少，很難得出其變化影響因素和具體變化過(guò)程。N.Tamaki等11研究了空化和內(nèi)部流動(dòng)對(duì)于液體射流噴霧的影響，使用了不同型號(hào)的噴嘴，包括自己設(shè)計(jì)的前一段帶有不同長(zhǎng)徑比和不同內(nèi)部形狀的管路，出口段與實(shí)際噴嘴相同的噴嘴，經(jīng)過(guò)在不同壓力工況下進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)射流的噴霧霧化機(jī)理不是如常人所認(rèn)為的只是由氣體環(huán)境和噴出液體的兩相界面決定，噴嘴內(nèi)強(qiáng)烈的不穩(wěn)定

25、流動(dòng)造成的空化現(xiàn)象對(duì)其噴出液體的破碎有很重要的影響。Pikkula等12研究了六種不同形式的噴嘴，發(fā)現(xiàn)直徑對(duì)CSC 噴霧質(zhì)量流率和液滴直徑的影響較大，但是其研究結(jié)果表明噴霧質(zhì)量流率和液滴直徑分布對(duì)CSC 表面冷卻效率影響不大。Karapetian 等13同樣研究了噴霧質(zhì)量流率和液滴速度對(duì)CSC 表面?zhèn)鳠岬挠绊?，發(fā)現(xiàn)噴霧質(zhì)量流率對(duì)冷卻效果影響較大，而速度對(duì)冷卻效果的影響程度大小是和噴嘴的霧化效果相關(guān)的。對(duì)于霧化較好的噴嘴（atomized spray），提高噴霧液滴速度有助于提高表面換熱；而對(duì)于射流狀噴霧噴嘴（jet-like spray），液滴速度對(duì)表面換熱影響不大。這和Pikkula 等的研

26、究結(jié)果不同，Aguilar 等對(duì)兩種不同內(nèi)徑的噴嘴噴霧形態(tài)、液滴溫度、液滴直徑與速度以及傳熱系數(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)小內(nèi)徑噴嘴噴霧產(chǎn)生的液滴直徑和速度更小，霧化效果更好，但是大內(nèi)徑噴嘴能夠產(chǎn)生更大的最大傳熱系數(shù)。Aguilar等14還研究了幾種不同長(zhǎng)度和內(nèi)徑噴嘴的噴霧特性，發(fā)現(xiàn)噴嘴長(zhǎng)度對(duì)噴霧形態(tài)、液滴直徑和速度影響不大，而噴嘴內(nèi)徑則決定了噴霧形態(tài)，大內(nèi)徑的噴嘴（1.4mm）產(chǎn)生的噴霧形態(tài)為射流狀（jet-like），液滴直徑和速度較大，分別為10-15微米和60-80m/s；而小內(nèi)徑的噴嘴（0.5-0.8mm）噴霧霧化效果較好，液滴直徑和速度相比較大內(nèi)徑噴嘴小得多，分別為2-6微米和15-30m/

27、s。Vu 等15采用高速攝像儀和多普勒相位激光粒子分析儀（PDPA）研究了三種不同長(zhǎng)度噴嘴（內(nèi)徑為0.5mm）的噴霧形態(tài)和液滴直徑與速度，發(fā)現(xiàn)液滴速度在噴嘴附近先有一個(gè)加速的過(guò)程，當(dāng)速度加速到最大值后再隨著噴霧距離的增加而下降，噴嘴越長(zhǎng)其加速程度越劇烈，但其液滴直徑的測(cè)量結(jié)果存在很大的不穩(wěn)定性。他們還提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的直管內(nèi)兩相流動(dòng)模型用于解釋液滴的加速行為，認(rèn)為是出口的高速氣流帶動(dòng)了液滴加速。F. Payri等16研究了氣穴現(xiàn)象對(duì)柴油噴嘴中內(nèi)部流動(dòng)和噴霧的影響，使用了兩種噴嘴，一種是圓柱體型，一種是圓錐體噴嘴。使用基于硅酮模型的建立試驗(yàn)方法和液壓鑒定確定噴嘴內(nèi)部尺寸，與預(yù)定的尺寸狀況對(duì)比，確定

28、了流量系數(shù)和臨界氣穴產(chǎn)生條件。對(duì)有氣穴和無(wú)氣穴兩種狀況下噴霧的宏觀參數(shù)進(jìn)行了分析，從噴霧宏觀狀態(tài)的角度，這篇文章的主要結(jié)論是氣穴的產(chǎn)生使得噴霧錐角增大，另一方面，從內(nèi)部流動(dòng)的角度來(lái)說(shuō)，氣穴產(chǎn)生時(shí)噴嘴的出口速度增加了。這個(gè)現(xiàn)象可以用出口處液相截面的縮小來(lái)解釋。本課題組之前對(duì)于R134a制冷劑閃蒸噴霧可視化研究方面，采用反射法拍攝，觀察了R134a 制冷劑100ms 瞬態(tài)閃蒸噴霧形態(tài)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，發(fā)現(xiàn)其噴霧形態(tài)是隨時(shí)間強(qiáng)烈變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，噴霧錐角、噴霧貫穿距離、以及液滴濃度隨時(shí)間越來(lái)越大，直至噴霧時(shí)間達(dá)到30ms 噴霧形態(tài)才基本發(fā)展完整。制冷劑從噴嘴噴出后快速膨脹，形成弧形的噴霧錐角。一旦

29、快速膨脹形成后，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段距離內(nèi)（約060mm）噴霧形態(tài)便保持相對(duì)穩(wěn)定，噴霧形態(tài)基本不沿徑向方向擴(kuò)張。而在后續(xù)部分，噴霧形態(tài)變得相對(duì)不穩(wěn)定，在徑向方向開(kāi)始擴(kuò)張并呈現(xiàn)較強(qiáng)的波動(dòng)，說(shuō)明噴霧形成的氣液兩相流與環(huán)境氣體的作用進(jìn)一步加強(qiáng)。此外，距離噴嘴出口越近，越靠近噴霧中心軸線的地方，制冷劑液滴濃度越大，反之，在距離噴嘴的遠(yuǎn)端與噴霧場(chǎng)的周邊位置，液滴濃度則小的多。但之前也只做了管外噴霧的相關(guān)可視化研究，而且由于采用反射法，拍攝結(jié)果較為不清晰，也沒(méi)有對(duì)噴霧前的管內(nèi)制冷劑流態(tài)進(jìn)行觀察，本文將對(duì)其做一完善和補(bǔ)充。本文研究?jī)?nèi)容及目的研究?jī)?nèi)容本文主要針對(duì)R134a制冷劑微型直管與新型膨脹腔型噴嘴內(nèi)流動(dòng)特性開(kāi)

30、展可視化研究。由于在激光皮膚醫(yī)學(xué)中的成功應(yīng)用，制冷劑閃蒸噴霧冷卻這一動(dòng)態(tài)冷卻方式在過(guò)去十幾年得到了研究者的廣泛關(guān)注。但是從上述研究綜述可以看出，前人對(duì)制冷劑閃蒸噴霧冷卻研究主要集中于表面?zhèn)鳠崽匦苑矫?，?duì)噴霧動(dòng)力學(xué)特性的研究，尤其是閃蒸噴霧熱特性的研究在之前的系統(tǒng)中也已經(jīng)做了分析，之前的噴霧試驗(yàn)中還研究了噴嘴的優(yōu)化、噴霧背壓與噴霧距離耦合作用對(duì)制冷劑閃蒸瞬態(tài)噴霧冷卻傳熱規(guī)律的影響等。對(duì)于系統(tǒng)中噴嘴前噴管內(nèi)流動(dòng)特性可視化研究部分，前人的研究?jī)?nèi)容對(duì)于激光皮膚手術(shù)中制冷劑閃蒸噴霧特性研究主要集中于管外的噴霧特性研究，但是對(duì)于微型直管?chē)娮靸?nèi)流動(dòng)特性尤其是噴霧前的高速流動(dòng)情況下可視化研究較少，沒(méi)能系統(tǒng)闡述

31、制冷劑介質(zhì)微型管內(nèi)氣泡生成與氣液流動(dòng)特點(diǎn)過(guò)觀察管內(nèi)流動(dòng)特性以及管?chē)娮靸?nèi)流動(dòng)特性對(duì)于噴霧形態(tài)的影響?；谏鲜鰡?wèn)題，本文擬針對(duì)皮膚激光手術(shù)中的制冷劑閃蒸噴霧系統(tǒng)中R134a制冷劑微型直管?chē)娮靸?nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行可視化研究，學(xué)習(xí)掌握高速攝像儀的不同拍攝方法，并與相機(jī)、光源組裝完成可視化的觀測(cè)條件。觀察R134a制冷劑流經(jīng)噴嘴內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)，通過(guò)觀察了解制冷劑介質(zhì)微型管內(nèi)氣泡生成與氣液流動(dòng)特點(diǎn)其流動(dòng)特性與噴霧狀態(tài)之間的關(guān)系，并比較不同膨脹腔長(zhǎng)徑比工況下的管內(nèi)流動(dòng)特性，和不同噴霧壓力下的噴霧穩(wěn)態(tài)形態(tài)的不同，為本系統(tǒng)更好的工業(yè)醫(yī)學(xué)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。研究目的本文通過(guò)在對(duì)制冷劑R134a閃蒸噴霧動(dòng)力學(xué)與熱特征的研究的基礎(chǔ)

32、之上，對(duì)噴嘴前一段透明管道（包括膨脹腔）進(jìn)行可視化研究，通過(guò)觀察管內(nèi)流動(dòng)特性和R134a制冷劑流經(jīng)噴嘴內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)，學(xué)習(xí)掌握高速攝像儀的不同拍攝方法，了解制冷劑介質(zhì)微型管內(nèi)氣泡生成與氣液流動(dòng)特點(diǎn)。研究一方面加深噴嘴前管道內(nèi)流動(dòng)特性對(duì)閃蒸噴霧過(guò)熱液體破碎霧化、液滴直徑、速度等行為規(guī)律影響的認(rèn)識(shí)，揭示閃蒸噴霧機(jī)理，以期能為各種工業(yè)應(yīng)用提供指導(dǎo)；另一方面可以更加完善對(duì)于整個(gè)噴霧系統(tǒng)特性的研究。本課題研究意義隨著社會(huì)的進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們開(kāi)始追求更加高的生活品質(zhì)，美容，養(yǎng)生，健身等字眼越來(lái)越多的滲透到人們的日常生活中去。葡萄酒色斑作為一種常見(jiàn)的皮膚疾病也越來(lái)越受到人們

33、的重視，越來(lái)越多的人們產(chǎn)生了美容的需要，治療葡萄酒色斑有很大的市場(chǎng)需求。因此對(duì)激光皮膚手術(shù)中的制冷劑閃蒸噴霧冷卻進(jìn)行研究，具有巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益和應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，從學(xué)術(shù)角度看，制冷劑閃蒸噴霧冷卻過(guò)程與很多實(shí)際情況中的閃蒸噴霧的動(dòng)力學(xué)應(yīng)用有相似之處，如發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧，化工領(lǐng)域的噴霧等，通過(guò)對(duì)其噴霧過(guò)程進(jìn)行可視化觀察研究，將對(duì)整個(gè)噴霧變化過(guò)程和機(jī)理有更加清楚的認(rèn)識(shí)，明確其內(nèi)部流動(dòng)對(duì)噴霧的動(dòng)力學(xué)特性影響，對(duì)其研究具有重要的理論意義與學(xué)術(shù)價(jià)值。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試手段制冷劑閃蒸噴霧冷卻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹制冷劑閃蒸噴霧冷卻開(kāi)式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 2-1所示，由氮?dú)饧訅貉b置、水浴加熱式制冷劑儲(chǔ)罐、手動(dòng)閥、微型快速反應(yīng)電磁閥、噴

34、嘴與三維電動(dòng)平移臺(tái)所組成，制冷劑儲(chǔ)罐與電磁閥之間通過(guò)制冷劑高壓軟管連接。圖2-1制冷劑閃蒸噴霧冷卻開(kāi)式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖由于初始的R134a制冷劑儲(chǔ)罐在噴霧過(guò)程中隨著儲(chǔ)罐內(nèi)噴霧的減少，其內(nèi)的壓力也會(huì)不可控制的發(fā)生變化，導(dǎo)致噴霧出口壓力發(fā)生變化，很難控制壓力變量。而且制冷劑儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力為其氣液飽和壓力0.6MPa，當(dāng)經(jīng)由軟管到達(dá)電磁閥和噴嘴時(shí)，不可避免的發(fā)生壓降，從而液態(tài)制冷劑部分發(fā)生而氣化在軟管內(nèi)產(chǎn)生氣體，在噴霧的時(shí)候就會(huì)導(dǎo)致噴出的是氣液混合物，對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的影響。且其出口溫度也會(huì)隨著室溫以及實(shí)驗(yàn)條件的不同而有所不同。這樣做出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果就很難控制相同的試驗(yàn)工況，并且不能做不同工況變量下的實(shí)驗(yàn)

35、結(jié)果對(duì)比。為此，特意設(shè)計(jì)并加工了可控溫變壓式制冷劑儲(chǔ)罐。如圖所示，負(fù)責(zé)提供壓力的為氮?dú)夤?，其?nèi)壓力為10MPa，為保證壓力控制平穩(wěn)，在氮?dú)馄砍隹谔幯b有減壓閥以控制出口壓力。氮?dú)馄客ㄟ^(guò)耐高壓軟管經(jīng)由減壓閥與特制儲(chǔ)罐的進(jìn)氣口相連，給制冷劑儲(chǔ)罐注入壓力。制冷劑儲(chǔ)罐采用耐高壓金屬材質(zhì)焊接而成，容量為8L，上面四個(gè)接口，分別為與（1）氮?dú)夤尴噙B的進(jìn)氣打壓口，（2）集抽氣，制冷劑注入以及減壓為一體的接口，采用球形閥控制，（3）另外一個(gè)接口為安全閥，作為發(fā)生意外情況時(shí)的最后保障措施，（4）還有一個(gè)接口用于安裝壓力傳感器，用來(lái)測(cè)定儲(chǔ)罐內(nèi)的實(shí)際壓力。儲(chǔ)罐下端有一個(gè)出口，由球形閥控制，當(dāng)球形閥打開(kāi)時(shí)，制冷劑經(jīng)由軟

36、管流動(dòng)到達(dá)電磁閥，再通過(guò)電磁閥控制從噴嘴噴出。制冷劑儲(chǔ)罐安裝在一個(gè)水浴加熱控溫裝置上面，通過(guò)其控制面板設(shè)定控制水浴加熱溫度從而控制制冷劑的出口溫度。其中，快速反應(yīng)電磁閥（B2021SBTTO24DVC by Gems， USA）全開(kāi)與全閉時(shí)間小于5ms，能夠準(zhǔn)確地控制噴霧時(shí)間為幾十毫秒的瞬態(tài)噴霧。電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與噴嘴的連接如圖2-2 所示。電磁閥安裝在三維電動(dòng)平移臺(tái)上（WN105TA300M by BeijingWinner Optics Instruments Co. China），電動(dòng)平移臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)精度為8m，其三個(gè)方向的最大行程為500mm，通過(guò)控制器可以精確調(diào)整噴嘴的位置。在電磁

37、閥入口處裝有溫度采集傳感器，用來(lái)采集R134a在噴出前的溫度。圖 2-2 快速反應(yīng)電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其進(jìn)出口聯(lián)接實(shí)驗(yàn)所用噴嘴為透明帶膨脹腔石英玻璃直管型噴嘴，通過(guò)噴嘴長(zhǎng)度與內(nèi)徑就可以表征噴嘴的幾何特征。還研究了不同膨脹腔長(zhǎng)徑比的噴嘴的幾何尺寸對(duì)內(nèi)部流態(tài)以及噴霧特性的影響。之前加工的噴嘴為切削加工，即一個(gè)長(zhǎng)筒空心玻璃噴管，兩端采用橡膠密封圈粘住密封。如圖2-3所示，但其有很大缺點(diǎn)，一個(gè)是因?yàn)椴捎媚z粘，很容易就會(huì)弄臟膨脹腔玻璃管內(nèi)壁，對(duì)于可視化研究造成影響；另一方面，由于制冷劑在進(jìn)入膨脹腔時(shí)要發(fā)生一次膨脹破碎，直接導(dǎo)致膨脹腔內(nèi)部壓力增大，很容易就會(huì)發(fā)生密封橡膠脫落的現(xiàn)象，因此，后來(lái)我們課題組有設(shè)計(jì)了

38、一體式熱加工玻璃噴嘴，可以有效的避免這些情況。圖 2-3 橡膠密封帶膨脹腔玻璃噴嘴本次試驗(yàn)共加工了五種一體式不同膨脹腔長(zhǎng)徑比尺寸的透明石英玻璃噴管。每個(gè)噴管除去圖中的D和L尺寸不同之外，其余尺寸均相同，具體噴嘴示意圖及其尺寸數(shù)據(jù)如圖2-6，表2-1所示。噴管采用高純度石英玻璃管加工，透明性好，能耐-60攝氏度低溫，玻璃管內(nèi)可耐2MPa壓力；粗、細(xì)玻璃管段同軸，中心軸線重合；細(xì)玻璃出口段端面磨平，與軸線垂直；粗細(xì)玻璃管兩端連接處需為平面。為保證拍照效果，要求玻璃管干凈無(wú)污。本實(shí)驗(yàn)所用的制冷劑為杜邦（Dupont，USA）公司所生產(chǎn)的制冷劑R134a具有較低的沸點(diǎn)與很強(qiáng)的揮發(fā)性，且無(wú)毒對(duì)臭氧層無(wú)破

39、壞作用，R134a 為目前激光皮膚臨床手術(shù)中已被美國(guó)食品和藥品管理局批準(zhǔn)使用的用以冷卻保護(hù)表皮的制冷劑。制冷劑在室溫狀態(tài)下（25攝氏度）以飽和狀態(tài)儲(chǔ)存在制冷劑儲(chǔ)罐中，其對(duì)應(yīng)的飽和壓力約為0.67MPa。實(shí)驗(yàn)具體實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖2-4,2-5,2-6所示。具體不同噴管長(zhǎng)徑比如表2-1所示。為了使噴管與電磁閥相連接，特意加工了帶螺紋中空的金屬連接頭，連接頭內(nèi)部為圓柱形空洞，內(nèi)徑比細(xì)玻璃管入口段外徑稍大，為2.3mm，螺紋連接段尺寸與電磁閥出口。細(xì)玻璃管入口段插入金屬連接頭內(nèi)部，通過(guò)膠粘固定。金屬連接頭再通過(guò)螺紋連接到電磁閥出口處。如圖2-8所示。圖2-4帶膨脹腔透明玻璃噴嘴安裝實(shí)物圖圖2-5電磁

40、閥處連接實(shí)物圖 本實(shí)驗(yàn)所用控制電磁閥開(kāi)關(guān)程序使用LABVIEW軟件編寫(xiě)的噴霧程序，LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)圖2-6可控溫控壓式制冷劑儲(chǔ)罐實(shí)物圖 圖2-7 透明噴管加工尺寸示意圖環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。使用LABVIEW軟件編寫(xiě)程序，可以精確的將噴霧時(shí)間控制在毫秒級(jí)以?xún)?nèi)。表2-1 不同噴嘴膨脹腔加工尺寸膨脹腔長(zhǎng)度L 膨脹腔內(nèi)徑D膨脹腔長(zhǎng)徑比噴嘴15mm20mm1:4噴嘴210mm

41、20mm1:2噴嘴310mm10mm1:1噴嘴420mm10mm2:1噴嘴540mm10mm4:1圖2-8 帶金屬連接頭的噴管示意圖同時(shí)，還加工了不帶膨脹腔的透明玻璃直管?chē)娮?，如圖2-9所示。 圖2-9 不帶膨脹腔的透明玻璃直管?chē)娮焓疽鈭D測(cè)試方法本實(shí)驗(yàn)要對(duì)R134a制冷劑在噴嘴內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)和其不同工況下的噴霧形態(tài)變化情況進(jìn)行可視化觀察，需要觀察很精細(xì)間隔的拍攝效果。傳統(tǒng)相機(jī)每秒拍攝幀數(shù)大概為30幀，雖然像素高，但是很難滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)所需觀察噴霧過(guò)程中的細(xì)微變化過(guò)程，而高速攝像機(jī)每秒可以拍攝上萬(wàn)張照片，雖然像素不高，但可以清楚地觀察其內(nèi)部流動(dòng)及霧場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，且基本不會(huì)因?yàn)槠淇焖僮兓霈F(xiàn)疊影。而因?yàn)?/p>

42、高速攝像機(jī)拍攝張數(shù)較多，所以需要有效的輔助光源。因此本實(shí)驗(yàn)需要高速攝像儀與光源組成的高速攝像系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。高速攝像儀對(duì)制冷劑閃蒸噴霧形態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察有三種方法，分別是陰影法，反射法和全息攝影法。對(duì)于我們實(shí)驗(yàn)拍攝噴霧形態(tài)來(lái)說(shuō)，最好的方法無(wú)疑是全息法。全息攝影采用激光作為照明光源，并將光源發(fā)出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束經(jīng)被攝物的反射后再射向感光片。兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉，感光底片上各點(diǎn)的感光程度不僅隨強(qiáng)度也隨兩束光的位相關(guān)系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強(qiáng)度，也記錄了位相信息。人眼直接去看這種感光的底片，只能看到像指紋一樣的干涉條紋，但如果用激光去照射它，

43、人眼透過(guò)底片就能看到原來(lái)被拍攝物體完全相同的三維立體像。一張全息攝影圖片即使只剩下一小部分，依然可以重現(xiàn)全部景物。全息攝影可應(yīng)用于工業(yè)上進(jìn)行無(wú)損探傷，超聲全息，全息顯微鏡，全息攝影存儲(chǔ)器，全息電影和電視等許多方面。采用全息法能夠很清楚地看到整個(gè)立體噴霧的分布形態(tài)，對(duì)我們對(duì)其分析研究有很大幫助。但由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備所限，本文介紹另外兩種方法。陰影法通常針對(duì)拍攝幀數(shù)極高的情形（大于10000 幀/秒），如圖2-10所示，該方法利用的是光在經(jīng)過(guò)濃度不同的液體時(shí)，被削弱吸收的程度不同的原理，需要大功率光源，拍攝時(shí)光源與鏡頭以及拍攝的對(duì)象在同一條直線，光源透過(guò)噴霧場(chǎng)經(jīng)過(guò)被噴霧場(chǎng)的削弱之后形成明暗相見(jiàn)的光場(chǎng)直接

44、進(jìn)入鏡頭成像。液滴濃度越大，吸收的光越多，到達(dá)鏡頭里的成像也就越暗。圖2-10 陰影法拍攝示意圖反射法對(duì)光源要求則較低，如圖2-11所示，利用光的反射原理，實(shí)驗(yàn)中光源與鏡頭之間互成一定的角度，一般還需高速攝像機(jī)，光源和噴霧在同一水平面上，光源通過(guò)噴霧場(chǎng)液滴反射進(jìn)入鏡頭從而成像。鏡頭內(nèi)接收反射光亮度越大，表明液滴濃度越大。 實(shí)驗(yàn)之前曾經(jīng)測(cè)試過(guò)多種拍攝方法，如圖2-12所示為采用反射法拍攝的膨脹腔內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)，可以很明顯的看出，拍攝效果呈現(xiàn)出一邊亮一邊暗的情況，很難對(duì)其整體做出正確分析。圖2-11 反射法拍攝示意圖圖2-13為采用陰影法拍攝的照片，從圖中可以看到膨脹腔內(nèi)部明顯的氣液兩相混合狀態(tài)，并

45、且能通過(guò)使用高速攝像儀拍攝的照片清楚地觀察到膨脹腔內(nèi)制冷劑的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。圖2-12 反射法拍攝膨脹腔內(nèi)部流動(dòng)狀況實(shí)驗(yàn)時(shí)用于高速拍攝的相機(jī)性能參數(shù)對(duì)拍攝結(jié)果也有較大影響。本實(shí)驗(yàn)先后采用兩種不同的相機(jī)對(duì)噴嘴內(nèi)流動(dòng)拍攝效果進(jìn)行對(duì)比。兩種高速攝像儀型號(hào)分別為美國(guó)Redlake公司的HG-100K型與美國(guó)約克公司的Phantom V611型，兩種相機(jī)在全分辨率最高拍攝速度、感光度、最小曝光時(shí)間都有較大差別。HG-100K三個(gè)參數(shù)分別為1000幀/秒、ISO=1000、5ms；V611三個(gè)參數(shù)分別為6242幀/秒、ISO=7000、1ms。要觀察高速運(yùn)動(dòng)流體的細(xì)節(jié)變化情況，就對(duì)拍攝速度要求較高；而較高的

46、感光度和較低的曝光時(shí)間可以保證高拍攝速度下拍攝的圖像有較好的亮度。由于本實(shí)驗(yàn)對(duì)拍攝精細(xì)程度要求較高，每秒拍攝幀數(shù)較多，故使用陰影法對(duì)制冷劑閃蒸膨脹腔內(nèi)部，直管內(nèi)部以及噴霧形態(tài)進(jìn)行觀察，使用的高速攝像儀型號(hào)為美國(guó)約克公司Phantom V611型。圖2-12和2-13是使用國(guó)Redlake公司的HG-100K型相機(jī)拍攝的圖片，圖2-14是使用國(guó)約克公司的Phantom V611型相機(jī)拍攝的圖片。在細(xì)節(jié)對(duì)比以及動(dòng)態(tài)變化觀察效果上，明顯是后者更占優(yōu)勢(shì)。為了保證拍攝效果清楚可見(jiàn)，在經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試之后，包括對(duì)角度，光強(qiáng)，攝像機(jī)距離，光圈大小，曝光量，每秒拍攝張數(shù)等參數(shù)的調(diào)整，最終拍攝時(shí)需要調(diào)整的參數(shù)是

47、：攝像儀每秒拍攝幀數(shù)（fps）、拍攝圖像像素根據(jù)具體噴管部位而不同、鏡頭光圈、光源強(qiáng)度及打光角度。實(shí)驗(yàn)時(shí)拍攝速度為20000fps，鏡頭與光源處于同一平面并互成180度，調(diào)整鏡頭光圈與光源強(qiáng)度以使得成像的噴霧圖形清晰可見(jiàn)為準(zhǔn)，為了拍攝更加清楚，使用了微距鏡頭。圖2-13 陰影法拍攝膨脹腔內(nèi)部流動(dòng)狀況具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：1） 實(shí)驗(yàn)裝置連接。按照試驗(yàn)系統(tǒng)圖，連接各裝置，包括氮?dú)夤夼c特制制冷劑儲(chǔ)罐之間采用高壓軟管連接，制冷劑儲(chǔ)罐上壓力傳感器（采用24V電壓供電）和安全閥的安裝，制冷劑儲(chǔ)罐出口通過(guò)高壓軟管與電磁閥入口連接，電磁閥出口與透明玻璃噴嘴圖2-14 使用V611型相機(jī)拍攝膨脹腔內(nèi)部流動(dòng)狀況連接，

48、電磁閥控制器與電腦的連接，高速攝像儀與電腦的連接。2）將R134a制冷劑注入特制儲(chǔ)罐。首先關(guān)閉儲(chǔ)罐其它出口，將抽真空泵與儲(chǔ)罐上方排氣孔密封連接，打開(kāi)此排氣孔的球形閥，打開(kāi)抽真空泵和壓力傳感器，將特制儲(chǔ)罐內(nèi)部空氣不斷抽出，直至其內(nèi)壓力降至0.5KPa以下。關(guān)閉球形閥和抽真空泵。并取下抽真空泵與特制儲(chǔ)罐的連接，將R134a制冷劑儲(chǔ)罐通過(guò)軟管與特制儲(chǔ)罐的排氣孔密封連接。把R134a制冷劑儲(chǔ)罐抬高，這樣，當(dāng)同時(shí)打開(kāi)排氣孔的球形閥和R134a制冷劑儲(chǔ)罐的手動(dòng)閥門(mén)之后，由于壓強(qiáng)差和高度差，R134a制冷劑會(huì)迅速的從原來(lái)的儲(chǔ)罐注入到特制的儲(chǔ)罐當(dāng)中去。3）設(shè)定實(shí)驗(yàn)工況。注入完畢后，關(guān)閉排氣孔的球形閥。確定好實(shí)

49、驗(yàn)所需壓力和溫度。打開(kāi)控制面板，設(shè)定水浴加熱溫度，功率和報(bào)警溫度。待水浴溫度穩(wěn)定之后，打開(kāi)氮?dú)鈨?chǔ)罐，通過(guò)減壓閥調(diào)節(jié)氮?dú)夤蕹隹趬毫咏付▔毫r。打開(kāi)特制儲(chǔ)罐與減壓閥相連接的閥門(mén)和壓力傳感器，通過(guò)觀察壓力傳感器示數(shù)慢慢調(diào)節(jié)減壓閥使之達(dá)到指定壓力工況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓力從低到高。如果不慎壓力調(diào)高些許，可以關(guān)閉減壓閥與特制儲(chǔ)罐相連的閥門(mén)，通過(guò)打開(kāi)排氣孔進(jìn)行少量降壓操作。打開(kāi)LABVIEW排氣程序，設(shè)定噴霧時(shí)間為50ms。4）調(diào)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備。打開(kāi)高速攝像儀和其自帶軟件，調(diào)節(jié)高速攝像儀的高度和三維坐標(biāo)架的位置，使攝像機(jī)鏡頭正對(duì)噴管要拍攝的部位并與之成一條水平直線。將光源打開(kāi)，放置在噴管的另一側(cè)，光源，噴管，

50、攝像機(jī)成180度夾角。先將攝像機(jī)曝光時(shí)間和進(jìn)光量調(diào)高，將高速攝像機(jī)進(jìn)行對(duì)焦，使得拍攝部位的圖像在電腦上清晰可見(jiàn)并且大小適中。接著打開(kāi)特制制冷劑儲(chǔ)罐下端出口，此時(shí)，遠(yuǎn)高于制冷劑飽和壓力的液體充滿(mǎn)在電磁閥前一段耐壓軟管中，基本不出現(xiàn)由于沿程壓降引起的氣化現(xiàn)象。用LABVIEW排氣程序試噴，并相應(yīng)地進(jìn)行拍攝和調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，同時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)光源的高低和距離，觀察拍攝質(zhì)量。最終確定當(dāng)每秒拍攝張數(shù)為20000張（即20000FPS），曝光時(shí)間30微秒，拍攝時(shí)長(zhǎng)3秒，高速攝像機(jī)光圈大小2.8的時(shí)候，可以拍攝出比較清晰滿(mǎn)意的效果。拍攝視窗大小視拍攝部位不同而大小不同。5）采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。先設(shè)定壓力為0.8MPa，

51、出口溫度為30攝氏度。將攝像機(jī)鏡頭對(duì)準(zhǔn)膨脹腔下端細(xì)管，使細(xì)管處于視野中央。使用排氣程序噴霧的同時(shí)，使用軟件進(jìn)行拍攝，噴霧50ms，拍攝3s，拍攝結(jié)束后，觀察拍攝效果，如果清晰可見(jiàn)，明暗適中，截取其中噴霧部分進(jìn)行保存，上移坐標(biāo)架，使得細(xì)管出口位于視野上方中央以便拍攝噴霧。在同樣的壓力工況下，分別拍攝五個(gè)噴管的直管段和噴霧形態(tài)。接著，調(diào)節(jié)減壓閥使得壓力分別升高到1.1MPa，1.3MPa，1.5MPa，在這些壓力工況下，分別對(duì)每個(gè)噴管的直管段內(nèi)部流態(tài)和噴霧形態(tài)在噴霧過(guò)程中的變化進(jìn)行拍攝。所有工況做完之后，在0.8MPa條件下，拉近高速攝像機(jī)與噴管的距離，調(diào)節(jié)焦距和坐標(biāo)架高度，使得噴管的膨脹腔清晰適

52、中的出現(xiàn)在視野中。接著在同一個(gè)壓力工況下拍攝五個(gè)噴管的噴霧過(guò)程中膨脹腔內(nèi)部流動(dòng)變化過(guò)程，每個(gè)噴管拍攝完畢后再繼續(xù)升壓到1.1MPa，1.3MPa，1.5MPa進(jìn)行拍攝采集。為了對(duì)比，對(duì)直管?chē)娮煸?.9MPa，1.0MPa，1.1MPa，1.2MPa，1.3MPa，1.4MPa，1.5MPa，1.6MPa工況下的噴霧狀態(tài)進(jìn)行了拍攝觀察。具體實(shí)驗(yàn)工況如表2-2所示： 表2-2 不同噴嘴實(shí)驗(yàn)工況表壓力工況溫度工況噴嘴10.8MPa，1.1MPa，1.3MPa，1.5MPa30噴嘴20.8MPa，1.1MPa，1.3MPa，1.5MPa30噴嘴30.8MPa，1.1MPa，1.3MPa，1.5MPa3

53、0噴嘴40.8MPa，1.1MPa，1.3MPa，1.5MPa30噴嘴50.8MPa，1.1MPa，1.3MPa，1.5MPa30直管?chē)娮?.9MPa，1.0MPa，1.1MPa，1.2MPa，1.3MPa，1.4MPa，1.5MPa，1.6MPa30 噴嘴內(nèi)可視化結(jié)果分析本實(shí)驗(yàn)采用陰影法拍攝，光源，噴嘴，高速攝像機(jī)在同一條直線上，呈180度，光源照射在噴霧液滴上，透過(guò)液滴進(jìn)入相機(jī)而成像。因此圖像中亮度越低，說(shuō)明液滴濃度越大，反之說(shuō)明液滴濃度越小。瞬態(tài)噴霧在膨脹腔內(nèi)動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程如圖3-1所示為使用膨脹腔長(zhǎng)徑比為1:4的玻璃管?chē)娮炫臄z的噴霧在膨脹腔內(nèi)部不同時(shí)間的發(fā)展?fàn)顩r，拍攝時(shí)儲(chǔ)罐壓力為0.8M

54、Pa，光圈大小2.8，噴霧時(shí)長(zhǎng)50ms。從1到9拍攝時(shí)刻分別為12.6ms,38.5ms,44.7ms,50.26ms，70.09ms，141.88ms,174ms,202.4ms，220.2ms。從圖可以看出，制冷劑在進(jìn)入膨脹腔的時(shí)候，由于壓力大和速度快，短暫性的形成一段液柱，同時(shí)伴隨有一定的膨脹現(xiàn)象。撞擊到膨脹腔底部時(shí)，出現(xiàn)破碎，液柱變成比較大的液滴，并出現(xiàn)一部分的氣化現(xiàn)象，膨脹腔內(nèi)壓力增大，部分液體開(kāi)始從與膨脹腔下端相連的直管內(nèi)流走。隨著噴射液體的增加，膨脹腔內(nèi)液體逐漸增多，直管液體流出速度也逐漸加快，逐漸接近液體流入膨脹腔的速度。隨著液體的不斷增加，膨脹腔在某一刻被制冷劑液體充滿(mǎn)，此時(shí)

55、流入流出速度相同，膨脹腔內(nèi)的壓力足夠大以至于不能使液體產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，膨脹腔內(nèi)保持液體充滿(mǎn)的狀態(tài)，達(dá)到一個(gè)暫時(shí)的穩(wěn)態(tài)。當(dāng)液體噴射結(jié)束時(shí)，膨脹腔內(nèi)壓力開(kāi)始降低，液體內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)氣化現(xiàn)象。從圖5,6可以看出，氣化現(xiàn)象首先出現(xiàn)在膨脹腔靠近底部的管壁附近，隨后慢慢沸騰氣化，直至噴完。如圖3-2所示為膨脹腔長(zhǎng)徑比為1:2的玻璃噴嘴膨脹腔內(nèi)動(dòng)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)。拍攝時(shí)間分別為1.6ms，12.5ms，22.6ms，35.2ms，48.16ms，56.88ms，121ms，133.4ms，162.2ms從圖中可以看到，制冷劑剛進(jìn)入膨脹腔的時(shí)候，也是呈現(xiàn)細(xì)小的霧狀，隨著時(shí)間的推移，膨脹腔內(nèi)部制冷劑越來(lái)越多，細(xì)小的霧狀顆

56、粒開(kāi)始聚合成較大的液滴，并進(jìn)而聚合成明顯可見(jiàn)的液流。與膨脹腔長(zhǎng)徑比為1:4的內(nèi)部流動(dòng)狀況略有不同，其穩(wěn)態(tài)并沒(méi)有出現(xiàn)很明顯的制冷劑液體整個(gè)充滿(mǎn)膨脹腔的穩(wěn)定情況，反而伴隨有一定的氣泡夾雜和明顯的液體流動(dòng)。隨后慢慢沸騰結(jié)束。如圖3-3所示為膨脹腔長(zhǎng)徑比為1:1的玻璃噴嘴膨脹腔內(nèi)動(dòng)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)，其膨脹腔內(nèi)制冷劑流動(dòng)發(fā)展過(guò)程與之前工況類(lèi)似，都是先慢慢的霧狀顆粒充滿(mǎn)膨脹腔，隨后聚合成較大液滴，進(jìn)而匯聚成液流。與之前不同，在穩(wěn)態(tài)的時(shí)候，膨脹腔內(nèi)部制冷劑液體內(nèi)部更加不穩(wěn)定，出現(xiàn)更多的氣泡。隨后沸騰結(jié)束。圖3-4，膨脹腔長(zhǎng)徑比為2:1的玻璃噴嘴膨脹腔內(nèi)動(dòng)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)發(fā)展過(guò)程也有類(lèi)似的規(guī)律。圖3-1 膨脹腔長(zhǎng)徑比為1:4的玻璃噴嘴膨脹腔內(nèi)動(dòng)態(tài)流動(dòng)狀態(tài)如圖3-5所示為使用膨脹腔長(zhǎng)徑比為4:1的玻璃管?chē)娮炫臄z的噴霧在膨脹腔內(nèi)部不同時(shí)間的發(fā)展?fàn)顩r，拍攝時(shí)儲(chǔ)罐壓力為0.8MPa，曝光時(shí)間30微秒，噴霧時(shí)長(zhǎng)50ms。拍攝時(shí)間分別為3.1ms，5.65ms，13.35ms，29.85ms，37.8ms，46.15ms，69.35ms 86.95ms。從圖可以看出，制冷劑在進(jìn)入膨脹腔的時(shí)候，剛開(kāi)始呈現(xiàn)為細(xì)碎的霧狀液體顆粒，隨著時(shí)間的推移，膨脹腔內(nèi)噴霧增多，霧狀制冷劑開(kāi)始充滿(mǎn)整個(gè)膨脹腔，接著，霧狀小液滴互相聚合，開(kāi)始出現(xiàn)較大液滴，可