激光驱动单颗粒与气体混合的实验研究

张黎 李牧 张永强 贺佳 沈欢欢 陶彦辉 谭福利 赵剑衡

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激光驱动单颗粒与气体混合的实验研究

    作者简介: 张黎(1980—), 男, 博士, 副研究员, 主要从事激光与物质相互作用研究. E-mail: zhangli8037@sina.com;
  • 基金项目: 中国工程物理研究院流体物理研究所发展基金 SFZ20130103

  • 中图分类号: O532.25; O521.3

Experimental Investigation of Mixing Processof Laser-Driven Single Granule with Gas

  • CLC number: O532.25; O521.3

图(9)
计量
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-01-21
  • 录用日期:  2016-03-22
  • 刊出日期:  2017-04-25

激光驱动单颗粒与气体混合的实验研究

    作者简介:张黎(1980—), 男, 博士, 副研究员, 主要从事激光与物质相互作用研究. E-mail: zhangli8037@sina.com
  • 中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳 621999
基金项目:  中国工程物理研究院流体物理研究所发展基金 SFZ20130103

摘要: 利用激光驱动技术对微小颗粒进行加载,能够获得较高的颗粒速度,可能成为高速气相流场中气固两相流研究的有效实验手段。利用激光驱动微小金属颗粒模拟高速运动的物体,采用驱动靶优化设计、激光光束调节等方法控制颗粒加速过程,并利用高时空分辨率、高精度瞬态实验诊断技术获取高速颗粒的瞬态物理图像。研究表明,该方法能够有效地发射金属颗粒并获取清晰的高速颗粒物理图像,建立的实验、诊断手段可为进一步开展微喷混合、超燃发动机混合、颗粒高速碰撞以及工业粉尘爆炸等相关研究奠定基础。

English Abstract

    • 微喷射是指冲击波从金属材料自由表面卸载时,金属表面产生颗粒态物质喷射的动力学现象。微喷物的产生及其与内部气体的混合过程已成为十分重要的热点和难点问题。近年来,美、俄、法等国均开展了充气条件下微喷混合现象的实验研究,获得了微喷混合过程的一些基本图像认识。如:Elias等[1]用高速摄影、X光照相等方法研究了平面充气条件下金属锡平面样品的微喷混合过程,实验发现,微喷物将与气体形成一定厚度的混合层;Ogorodnikov等[2]用高速纹影照相方法观测了铅材料微喷物与气体混合的局部图像,观察到颗粒态的微喷物以及气体波;Oro等[3]用质子照相等技术对金属锡充气微喷在氢气和氙气中的输运特性进行了观测。国内孙海权、王裴等[4-5]对微喷颗粒与气体混合过程也开展了数值模拟研究。

      在描述微喷过程中气体与固体颗粒两相混合物流动特性的控制方程中,有两个重要的系数用于表征气相与固相之间的相互作用,即颗粒阻力系数CD和Nusselt数Nu,前者表征相间速度差引起的阻力,而后者表征相间温度差引起的热交换。微喷颗粒与气体混合的数值模拟通常沿用现有的阻力系数计算公式,目前已有多种阻力系数表达式[6-7],且每种表达式所考虑的影响机制不同,这给如何选取合适的CD表达式带来困难。而上述微喷实验研究大多基于对颗粒群与气流的作用过程的观察,很难捕捉单个微小颗粒与气体作用以及颗粒间相互作用的运动图像,难以测量构建模型所需的颗粒阻力系数,因此有必要发展相关的实验手段。本研究尝试通过激光发射微小颗粒模拟高速物体与气体的作用过程,利用高时空分辨率、高精度瞬态实验诊断技术及图像处理技术,获取颗粒与环境气体相互作用过程的关键参数。

    • 激光驱动颗粒技术是用高功率脉冲激光束辐照在安装于基底材料的金属颗粒上(基底通常选用高阻抗透明材料,如石英玻璃等),金属颗粒吸收入射激光束的能量后发生烧蚀、汽化,形成微型烧蚀面,并在其内表面产生高温高压等离子体,等离子体继续吸收激光束能量发生膨胀,最终将剩余未蒸发颗粒驱动出去,形成高速颗粒。激光驱动固体颗粒方案如图 1所示:脉冲激光束经透镜聚焦于固体颗粒表面,推动光斑内的固体颗粒高速飞出与环境气体相互作用;在主激光聚焦光路上布置真空腔以防止激光过早在空气中击穿而消耗大量能量;靶室可根据要求充入不同组分、不同压力的环境气体。

      图  1  激光驱动方案

      Figure 1.  Laser-driven scheme

      金属颗粒制备采用气动式金属微滴按需喷射的方法[8]:减压阀与电磁阀安装在与三通入口相连的供气管路上,三通的另外两路分别与泄气阀、坩埚腔体相连, 通过电磁阀的开、闭产生脉冲压力,对坩埚腔体施加瞬时喷射压力,使液态金属通过坩埚底部的微小喷孔喷出形成射流;当电磁阀迅速关闭时,腔体内的气体从泄气阀中排出,坩埚腔体内形成负压,射流在负压作用下,一部分产生回缩,一部分断裂成均匀液滴。该喷射技术利用气体压力代替内部制动器把液体从喷嘴挤出,气体不受金属溶液温度的影响,因此可以用于高熔点材料熔滴的喷射。利用均匀金属液滴喷射微制造技术制备了数十微米至百微米级的金属微球,图 2是金属微球的显微照片。为了在获取高速颗粒的同时保证颗粒的完整性,需要对颗粒的加载结构进行设计。将颗粒安装在玻璃窗口上,窗口可对激光烧蚀产生的等离子体进行约束,提高颗粒发射速度。另外,驱动靶可引入发射腔(见图 3),对激光烧蚀发射气体及颗粒做进一步约束,提高激光驱动的发射效率。

      图  2  金属微球显微照片

      Figure 2.  Micrograph of metal granule

      图  3  激光驱动靶

      Figure 3.  Laser-driven target

      不是任何激光作用在颗粒靶上都能发射出理想的高速颗粒。根据相关文献研究结果,激光能量空间分布均匀的光束更利于颗粒发射,其原因是当激光能量剖面存在强区时,辐照光斑内颗粒烧蚀极度不均匀,形成巨大的加速度分布梯度和应力分布梯度。为了保证加载激光的光束质量,采用衍射光学元件对激光进行空间域匀滑,图 4给出了输入光束和目标光束的光强分布。

      图  4  衍射光学优化

      Figure 4.  Diffractive optical optimization

    • 对高速微小颗粒进行追踪是一项挑战,需要建立高时空分辨率、高精度的瞬态诊断技术。实验测试诊断内容主要是瞬态空间图像采集,瞬态空间图像采集系统采用激光等高亮度光源作为探测光源,利用放大成像系统放大视场,通过精密调节探测光、加载激光以及相机的同步触发时间,获得高速单颗粒的物理图像。为此,我们开发了皮秒激光单幅阴影成像技术和连续激光超高速分幅阴影成像技术,前者具备百皮秒时间分辨和微米级空间分辨能力,后者的时间分辨率约为5 ns,空间分辨率与前者相当,且具有连续记录8幅图像的能力。

      皮秒激光单幅阴影成像系统(见图 5)利用皮秒激光器作为探测光源(波长532 nm,脉宽30 ps,单脉冲能量50 mJ),探测光经准直扩束后直接照射颗粒靶,影像经透镜组放大成像后由科学级CCD记录。加载光源为纳秒激光器(波长1 064 nm,脉宽10 ns,单脉冲能量0.2~5.0 J),采用激光能量计实时监测加载光能量,加载光经透镜聚焦后作用于颗粒靶。加载光和探测光需要精确同步才能获取预期的瞬态图像,实验通过DG535同步机控制皮秒激光器和纳秒激光器的出光时序,精确调整延时时序,从而获取不同时刻的高速颗粒图像。

      图  5  皮秒激光阴影成像系统

      Figure 5.  Schematic of picosecond laser shadow photograph system

      图 6是连续激光超高速分幅阴影成像的实验系统示意图。利用高光束质量连续激光器作为探测光源(波长532 nm,激光器功率为100 mW),探测光经准直扩束后直接照射颗粒靶,影像经透镜组放大成像后由超高速分幅相机记录。驱动加载光源为纳秒脉冲激光器(波长1 064 nm,脉宽10 ns,单脉冲能量0.2~5.0 J),采用激光能量计实时监测加载光能量,加载光经透镜聚焦后作用于颗粒靶。实验通过DG535同步机控制纳秒激光器的出光时间和超高速分幅相机的记录时间。超高速分幅相机的最高摄影频率为2×108幅/秒, 可记录8幅图像,通过调整超高速分幅相机的延时参数可以精确获取不同时刻高速颗粒的多幅图像。

      图  6  连续激光阴影成像系统

      Figure 6.  Schematic of continuous laser shadow photograph system

      超高速分幅阴影成像技术能在短时间内拍摄连续照片, 通过比较各幅照片可以观察到物体运动的细节;使用特定的图像处理软件, 可定量地分析物体运动的位移、速度、加速度。本研究主要使用该技术获取颗粒的速度和加速度。首先,导入要分析的运动阶段的部分连续照片, 对时间和空间分别进行标定, 确定每两幅照片之间的实际时间间隔以及照片与实际空间尺寸的比例,获得球形颗粒运动轨迹;再将颗粒运动位移对时间进行一次和二次微分,分别获得速度和加速度,进而通过(1)式、(2)式计算颗粒在不同时刻的阻力和阻力系数

      $ {F_{\rm{D}}} = ma $

      $ {C_{\rm{D}}} = \frac{{{F_{\rm{D}}}}}{{0.5\rho {v^2}A}} $

      式中:FD是阻力, ρ是环境气体密度, mavA分别是颗粒的质量、加速度、飞行速度及迎风面积。

    • 图 7给出了皮秒激光单幅阴影成像所得的照片。皮秒激光单幅阴影成像方法有较高的时间分辨率,但仅能获取激光驱动过程的单幅图像,无法得到连续加载过程,因此无法获取精确的颗粒速度,更无从获得颗粒在运动过程中的加速度。基于该原因,我们发展了连续激光超高速分幅阴影成像技术,该方法可以精确获取不同时刻高速颗粒的多幅图像,从而提取更多有用的物理信息。

      图  7  皮秒激光阴影照片

      Figure 7.  Picosecond laser shadow photograph

      图 8给出了连续激光超高速分幅阴影图像,其中图 8(a)~图 8(d)是激光加载初始阶段的阴影照片。激光加载后烧蚀金属颗粒产生物质喷射,并形成强大的冲击波,使金属颗粒被加速到较高的速度。根据估算,激光烧蚀金属颗粒的烧蚀深度小于1 μm,对其完整性基本不产生影响,从阴影照片也可以看到,激光辐照结束后的金属微球仍然保持完整的球形。图 8(e)~图 8(l)是激光驱动颗粒的8幅连续阴影照片,其时间间隔为1 μs,激光参数与图 8(a)~图 8(d)一致。驱动靶设计时加装了发射腔,平均发射速度约为200 m/s,比不加发射腔的情况下速度提高了3倍。

      图  8  连续激光阴影照片

      Figure 8.  Continuous laser shadow photograph

      根据阴影照片可求得不同时刻的颗粒速度、加速度,进而可获取颗粒与气体作用时的空气阻力及阻力系数(见图 9)。将实验获取的物理图像及气动力参数与数值模拟结果进行比对,可以建立并校正颗粒与环境气体相互作用过程的物质和能量输运模型,甚至可以用于大规模颗粒集群的计算。

      图  9  激光驱动颗粒阻力系数

      Figure 9.  Drag coefficient of laser-driven granule

    • 发展了激光驱动单颗粒的驱动靶优化设计、激光光束调节以及高时空分辨率、高精度的瞬态诊断技术,并由此开展了激光驱动颗粒与气体相互作用的初步研究。结果表明,采用激光驱动方法发射的单颗粒速度较高、颗粒完整,可作为微喷混合等气固两相流、高速碰撞毁伤效应等研究的理想加载源。利用高时空分辨率、高精度的瞬态诊断平台获取了激光加载金属颗粒不同时刻的多幅物理图像,通过图像处理得到高速颗粒不同时刻的气动力参数。结合数值模拟工具,可分析颗粒在空气中高速飞行时所受气动力,并为大规模微喷颗粒计算、发动机喷管气粒两相流模拟等提供参考。下一步研究计划改进颗粒加载装置,优化激光加载参数,利用大型激光加载平台,获取更高速度的激光驱动颗粒并开展颗粒高速碰撞研究。

参考文献 (8)

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