10、激光折射成像系统在液体研究中的应用与实验分析

激光折射成像系统在液体研究中的应用与实验分析

1. 研究背景与特殊装置设计

在液体研究中，为了延长研究对象的冷却时间，并避免冷却加热器对过程产生影响，设计了一种大直径球形底部的特殊圆柱体。该圆柱体先在热水中加热，然后浸入冷水中。对自由对流的研究主要围绕金属球展开，在金属球加热后于冷水中冷却以及在热水中冷却的过程中，让激光平面从球的下方或上方穿过。

2. 温度测量与相关图表

使用校准后的热电偶，将热电偶结点放置在球的底部、侧面或顶部靠近表面的位置，就可以测量球的冷却时间。相关的图表展示了冷却过程的时间（横坐标）与球表面温度（纵坐标）在热电偶结点三个不同位置的关系。

3. 折射成像测量程序

为了可视化非稳态边界液体层，需要同步进行折射图的视频记录和测量物体温度随时间变化的仪表刻度的视频记录。在加热物体的实验中，物体底面温度从 80 - 100°C 变化到 30°C，而实验池中水温为 20°C。

以研究浸入冷水中的加热钢球附近边界层的折射成像技术为例，具体操作步骤如下：
1. 使用一个带有可测量尺寸和位置的孔的掩模，使其接触球表面的最低点。
2. 通过定位器调整激光平面的高度，让激光平面的最大强度部分（中心光线）穿过掩模上的孔。
3. 固定定位器千分尺螺杆的刻度，用于确定球表面最低点到激光平面中心（相对于其厚度）的距离。
4. 让激光平面以不同距离 h 从球的最低点穿过，测量边界层。距离 h 从球表面算起，当 h = -0.05 mm 时，激光平面完全被球遮挡；h = 0 mm 时，激光平面中心与球表面最低点重合；h > 0.1 mm 时为其他情况。所有实验中，实验池的初始