激光散射法测量液体表面张力实验系统的研制

论文摘要

表面张力是流体的一项重要基础热物性。它在热力工程、化学工程及很多工程应用中均有重要意义。表面张力的研究方法有很多种,其中由于理论以及经验、半经验公式进行的流体表面张力研究要么精度不高、要么使用范围非常有限,所以可靠的数据还是来源于实验。近年来,随着激光技术的发展,激光检测技术被越来越多地应用到了测试领域。同样,越来越多的科研工作者也开始尝试将激光测试技术应用到流体的热物性测量领域。对于表面张力测量,激光散射的方法正在越来越多的吸引着国际研究者的注意,但在国内却一直没有相关的研究报导。本文在这种情况下,在国内首次系统的开展了激光散射法测量液体表面张力的理论和实验研究工作,搭建了实验系统,并利用该系统对一些清洁汽车替代燃料的表面张力进行实验研究。在实验研究的基础上,本文也开展了部分流体表面张力推算的理论研究工作。本文的工作主要包括以下几个方面:1.对激光散射测量液体表面张力的方法进行了系统的理论和实验研究,详细的分析了其物理模型以及实验中的影响因素,并搭建了实验系统。在理论计算的基础上,首次提出了用光楔作为实验中的分光元件,并根据光频外差原理设计了一种新的光路系统,该系统增强了参考光与散射光的干涉,提高了待测光信号的强度,并使得本文与国际上其他研究者相比采用了较小功率的激光器（20mW）实现了测量研究工作。在信号处理中采用了信号平均技术,并通过实验确定了最佳单次扫描时间为12ms,最佳平均次数为600次,单次测量时间约为7s。排除了容器尺寸对实验的影响,并最终确定容器直径为106mm。利用水和乙醇对该系统进行了表面张力校核实验,实验误差小于±2%,整个实验系统与国际先进水平相当。2.针对目前清洁汽车替代燃料研究的热点问题,利用新研制的激光散射法测量液体表面张力实验系统对柴油和二甲氧基甲烷（C3H8O2）、柴油和碳酸二甲酯（C3H6O3）、柴油和乙醇（C2H6O2）、汽油和二甲氧基甲烷、汽油和碳酸二甲酯、汽油和乙醇混合物的表面张力进行了系统的实验研究,实验测量误差小于±2%。共获得126个表面张力数据点,所获得的实验数据均未见有文献报导。计算了混合物的过余表面张力,并把实验数据拟合成了成分的函数,拟合的标准偏差不大于0.097mN·m-1。3.利用汞线法对石英毛细管的内径进行了仔细的标定,在此基础上,首次利用双根毛细上升法对碳酸二甲酯饱和液体的表面张力进行了系统的实验研究。实验测量的温度区间为282371K,共获得31个表面张力数据点。温度测量不确定度小于±20mK（ITS-90）,表面张力测量不确定度小于±2%。利用两种温度函数对表面张力的数据进行了拟合,拟合的平均偏差分别为0.0776和0.0270mN·m-1。4.提出了一种新的用于估算非极性、弱极性流体纯质或其二元混合物表面张力的对比态模型,该模型基于两参考流体并采用了一种新的对比参数计算方程,方程中共使用了四个参数:临界温度Tc、临界比容Vc、临界压力Pc和偏心因子ω,其中偏心因子作为尺度参数,另外三个用于计算对比表面张力。该模型用于计算纯质的表面张力时,采用甲烷和正辛烷作为参考流体;用于计算二元混合物的表面张力时,采用纯组分作为参考流体。利用69种纯质和20种二元混合物的985个表面张力数据点进行了检验计算,其平均偏差分别为0.28mN·m-1和0.20mN·m-1。利用此模型所得的计算结果与实验数据吻合良好,特别是该模型用于计算二元混合物的表面张力时,结果要明显优于文献中的其他两种对比态模型。另外,随着过余表面张力增大,计算误差也逐渐增大,当过余表面张力小于3mN·m-1时,利用本文方法得到的计算误差小于0.5mN·m-1。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第一章 前言
• 1.1 概述
• 1.2 表面张力理论简介
• 1.2.1 表面张力的物理意义
• 1.2.2 影响表面张力的因素
• 1.3 表面张力实验研究回顾
• 1.3.1 Young-Laplace 公式
• 1.3.2 毛细上升法
• 1.3.3 最大气泡压力法
• 1.3.4 吊环法
• 1.3.5 滴重法
• 1.3.6 表面波法
• 1.4 课题的提出
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 激光散射法测量液体表面张力实验系统的研制
• 2.1 发展简介
• 2.2 理论分析
• 2.2.1 测量原理
• 2.2.2 散射光的强度分布
• 2.2.3 信号的平均处理
• 2.2.4 测量影响因素分析
• 2.3 实验系统的开发与校验
• 2.3.1 激光器
• 2.3.2 光电倍增管
• 2.3.3 光路设计与实验系统
• 2.3.4 实验方法
• 2.3.5 采样时间和平均次数的确定
• 2.3.6 试样容器尺寸的选择
• 2.3.7 水及乙醇表面张力校验
• 2.4 本章小结
• 第三章 部分含氧替代燃料的表面张力实验研究
• 3.1 柴油和二甲氧基甲烷（DMM）混合物的表面张力
• 3.2 柴油和碳酸二甲酯（DMC）混合物的表面张力
• 3.3 柴油和乙醇混合物的表面张力
• 3.4 汽油和二甲氧基甲烷（DMM）混合物的表面张力
• 3.5 汽油和碳酸二甲酯（DMC）混合物的表面张力
• 3.6 汽油和乙醇混合物的表面张力
• 3.7 实验数据的拟合
• 3.8 本章小结
• 第四章 碳酸二甲酯表面张力的实验研究
• 4.1 测量原理
• 4.2 实验系统
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 高精度控温恒温槽及温度测量系统
• 4.2.3 真空系统
• 4.2.4 测高仪
• 4.3 实验方法及标准物质检验
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 标准物质检验
• 4.4 不确定度分析
• 4.4.1 温度不确定度的影响
• 4.4.2 其他不确定度的影响
• 4.5 碳酸二甲酯表面张力的实验研究
• 4.5.1 实验数据
• 4.5.2 结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 估算液体表面张力的对比态方程研究
• 5.1 表面张力估算方程的简单回顾
• 5.2 对比态方程的建立
• 5.2.1 温度无量纲化
• 5.2.2 表面张力无量纲化
• 5.2.3 尺度参数的确定
• 5.2.4 混合法则的确定
• 5.3 方程的检验
• 5.3.1 纯质流体的检验
• 5.3.2 二元混合物的检验
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究心得和工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果