超疏水表面上气泡破裂诱导微射流冲击特性测量系统及方法

本申请涉及多相流体，特别是涉及一种超疏水表面上气泡破裂诱导微射流冲击特性测量系统及方法。

背景技术：

1、水下超疏水表面因其附着的空气层将其表面与液相分离而形成接近自由剪切的状态，使此种表面在舰船减阻、抗生物淤积、油水分离、抗腐蚀等领域广泛应用。同时，液体中由于溶解气体的析出、雨滴掉落或波浪卷吸引起的界面失稳，以及低压诱导空化等因素，不可避免的会产生气泡，当液体中的气泡在浮力作用下上升并接触到超疏水表面时会破裂并诱导出指向超疏水表面的微射流，微射流冲击导致超疏水表面空气层被破坏，甚至引起超疏水功能直接失效。因此，对水下微射流冲击超疏水表面的动态过程的研究具有重要意义。

2、目前，关于水下微射流冲击特性的研究主要有数值模拟分析的方法和实验测量的方法。数值模拟分析的方法通常涉及流体体积法、格子玻尔兹曼法和分子动力学等；然而，由于超疏水表面上微观结构差异和小尺度(微米级)空气层的存在，这种跨尺度的动态冲击过程需要海量的计算资源，其准确性无法有效验证。实验测量的方法主要涉及高速阴影成像、超快硬x射线成像、粒子图像测速等测量方法；然而，这些方法虽然能够测量到不同时刻气泡与超疏水表面相互作用下界面演化特点，但如何有效测量高动态微射流的动力学过程面临巨大挑战，例如微射流的瞬态特性要求毫秒级甚至微秒级的极高时间分辨率，加之动态测量过程中气泡破裂的时间具有随机性，相同尺度下气泡接触超超疏水表面后从弹跳至气泡破裂阶段的持续时间具有很强的随机性，这都使得高动态图像捕捉变得更加艰难。

3、鉴于此，有必要提出一种新的技术方案，以克服现有技术存在的不足。

技术实现思路

1、基于此，本申请提供一种水下超疏水表面上气泡破裂诱导微射流的壁面冲击特性的测量系统及方法，解决单一高动态图像测量方式难以准确测量微射流冲击超疏水表面的动态特性的问题。

2、为此，本申请采用如下技术方案：一种超疏水表面上气泡破裂诱导微射流的壁面冲击力测量系统，所述测量系统包括：

3、气泡发生装置，用于产生朝向所述超疏水表面运动的气泡，所述气泡作用于所述超疏水表面的动力学过程包括四个阶段：气泡上升阶段、气泡弹跳阶段、气泡破裂阶段和射流冲击阶段；

4、图像获取装置，用于采集所述四个阶段的至少一个阶段的气液界面形态的图像数据；

5、微力传感装置，与所述超疏水表面连接，用于采集气泡作用于所述超疏水表面的作用力数据；以及

6、上位机，电性连接所述图像获取装置和所述微力传感装置，以处理和/或存储所述图像数据和所述作用力数据；

7、其中，所述上位机被配置为基于各个阶段预定的触发阈值来触发所述图像获取装置和所述微力传感装置进行同步采集，以获得每个阶段的预定时刻的气液界面形态的图像数据以及同一阶段同一时刻下气泡作用于所述超疏水表面的作用力数据。

8、优选地，所述测量系统包括与所述上位机相连的延迟触发器，所述上位机通过所述延迟触发器触发所述图像获取装置和所述微力传感装置同步采集。

9、优选地，所述微力传感装置包括高频采样器，所述高频采样器分别与所述上位机和所述延迟触发器相连。

10、优选地，所述微力传感装置包括微力传感器、测力工装和连接夹层，所述微力传感器连接于所述测力工装的上端，所述测力工装的下端通过所述连接夹层与所述超疏水表面连接。

11、优选地，所述气泡发生装置包括水箱、注射泵、导气管和喷嘴，所述超疏水表面和所述喷嘴位于所述水箱中，所述注射泵通过所述导气管连接所述喷嘴，且能够经所述喷嘴产生单一气泡，所述气泡自由上浮至所述超疏水表面。

12、优选地，所述微力传感装置包括位移台，所述微力传感器、测力工装、连接夹层和所述超疏水表面连接于所述位移台，以能够在所述位移台的带动下移动以改变所述超疏水表面与所述喷嘴之间的距离。

13、优选地，所述超疏水表面与所述喷嘴之间的距离是脱离喷嘴时的气泡的直径的5倍以上，和/或所述超疏水表面的中心位于所述喷嘴的中轴线上。

14、优选地，所述图像获取装置包括高速相机、匀光板和光源，其中所述高速相机位于所述水箱的一侧，所述匀光板和所述光源位于所述水箱与所述高速相机相对的另一侧。

15、本申请还采用如下技术方案：一种超疏水表面上气泡破裂诱导微射流的壁面冲击力测量方法，应用于由气泡产生装置、图像获取装置、微力传感装置和上位机连接形成的测量系统，其中，所述微力传感装置包括与所述上位机相连的高频采样器，其特征在于，所述方法包括：

16、运行气泡产生装置使之产生稳定的单个气泡，气泡作用于所述超疏水表面的动力学过程包括四个阶段：气泡上升阶段、气泡弹跳阶段、气泡破裂阶段、射流冲击阶段；

17、运行微力传感装置采集上述四个阶段的至少一个阶段的气泡作用于所述超疏水表面的作用力数据；以及

18、所述上位机接收所述作用力数据，依据接受到的作用力时间谱函数确定当前气泡所处的阶段，基于各个阶段的预定触发阈值，通过延迟触发器触发所述微力传感装置的高频采样器和所述图像获取装置同步采样，以分别获得至少一个阶段的气液界面形态的图像数据以及同一阶段同一时刻下气泡作用于所述超疏水表面的作用力数据。

19、优选地，所述测量方法还包括阈值信号预确定步骤，所述阈值信号预确定步骤包括：

20、运行气泡产生装置使之产生稳定的单个气泡；

21、运行微力传感装置采集上述四个阶段的气泡作用于所述超疏水表面的多个作用力数据，其中，所述多个作用力数据中包含若干峰值数据；以及

22、以所述峰值数据的5％-10％确定为所述阈值信号。

23、本申请提供的水下超疏水表面上气泡诱导微射流的壁面冲击特性的测量系统及方法，耦合了气泡运动过程的图像测量和作用力的测量，实现了气泡上升冲击超疏水表面全过程的气液界面形态和冲击力特性的测量；结合气泡在不同阶段对超疏水表面冲击力的典型值，触发图像测量和力的测量同步进行，从而可获得同一时刻下气泡运动的图像数据和作用于所述超疏水表面的作用力数据，为对微射流冲击超疏水表面的特征的研究提供了精确的数据。另外，本申请的装置简单，集成度较高，为水下超疏水表面上气泡破裂过程的高时空分辨率测量提供了新思路。

技术特征：

1.一种超疏水表面上气泡破裂诱导微射流冲击特性测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括与所述上位机相连的延迟触发器，所述上位机通过所述延迟触发器触发所述图像获取装置和所述微力传感装置同步采集。

3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述微力传感装置包括高频采样器，所述高频采样器与所述上位机和所述延迟触发器相连。

4.根据权利要求2或3所述的测量系统，其特征在于，所述微力传感装置包括微力传感器、测力工装和连接夹层，所述微力传感器连接于所述测力工装的上端，所述测力工装的下端通过所述连接夹层与所述超疏水表面连接。

5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述气泡发生装置包括水箱、注射泵、导气管和喷嘴，所述超疏水表面和所述喷嘴位于所述水箱中，所述注射泵通过所述导气管连接所述喷嘴，且能够经所述喷嘴产生单一气泡，所述气泡自由上浮至所述超疏水表面。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述微力传感装置包括位移台，所述微力传感器、测力工装、连接夹层和所述超疏水表面连接于所述位移台，以能够在所述位移台的带动下移动以改变所述超疏水表面与所述喷嘴之间的距离。

7.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述超疏水表面与所述喷嘴之间的距离是脱离所述喷嘴时的气泡的直径的5倍以上，和/或所述超疏水表面的中心位于所述喷嘴的中轴线上。

8.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述图像获取装置包括高速相机、匀光板和光源，其中所述高速相机位于所述水箱的一侧，所述匀光板和所述光源位于所述水箱与所述高速相机相对的另一侧。

9.一种超疏水表面上气泡破裂诱导微射流冲击特性测量方法，应用于由气泡产生装置、图像获取装置、微力传感装置和上位机连接形成的测量系统，其中，所述微力传感装置包括与所述上位机相连的高频采样器，其特征在于，所述方法包括：

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括阈值信号预确定步骤，所述阈值信号预确定步骤包括：

技术总结本申请涉及一种超疏水表面上气泡破裂诱导微射流冲击特性测量系统及方法。测量系统包括：气泡发生装置，用于产生朝向超疏水表面运动的气泡；图像获取装置，用于采集气泡运动的图像数据；微力传感装置，用于采集气泡作用于超疏水表面的作用力数据；以及上位机，电性连接图像获取装置和微力传感装置，以处理和/或存储图像数据和作用力数据；其中，上位机被配置为触发图像获取装置和微力传感装置同步采集，以获得同一时刻下气泡运动的图像数据和作用于超疏水表面的作用力数据。本申请提供的测量系统及方法，解决了单一高动态图像测量方式难以准确测量微射流冲击超疏水表面的动态特性的问题。技术研发人员：赵俊杰,杜鹏飞,陈稷,李弈辰,朱俊炜,张睿,张明阳,凃程旭,包福兵受保护的技术使用者：中国计量大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2