一种控制液体射流破碎的装置

摘要

本发明涉及液体射流技术领域，特别涉及一种控制液体射流破碎的装置。本发明装置在腔体中集成有两套脉冲激光聚焦加热系统，不同的脉冲激光聚焦加热系统之间相互独立，来对液体射流上沿流向的不同位置进行复杂的协同式脉冲加热，协同激发出液体射流上不同形式的由表面张力扰动所诱导出的不稳定波，进而针对液体射流的破碎实现不同的控制效果。多套的脉冲激光器组在腔体顶部呈现内外层的周向分布形式，进而配合反射镜与凸透镜实现对液体射流沿流向不同位置的脉冲聚焦加热，这样的结构设计极大地节省了空间，提高了集成化程度，并为灵活调节脉冲激光聚焦加热系统在液体射流上的脉冲聚焦加热点的位置提供了条件。

说明书

技术领域

本发明涉及液体射流技术领域，特别涉及一种控制液体射流破碎的装置。

背景技术

液体射流通常是不稳定的并且会破碎成液滴。针对于液体射流此种破碎现象的定量研究可追溯到19世纪，并直接促使Rayleigh开创了线性稳定性分析这一重要工具。长期以来的理论分析、数值模拟以及实验观测表明：射流破碎是由射流表面的初始扰动波的发展所导致的。由于初始扰动包含广泛的频率(或波数)，最终的破碎是这些扰动频率之间相互竞争的结果，除非极小的射流雷诺数(一个用来表征射流强弱的无量纲参数，定义为射流速度与射流直径的乘积除以流体粘性系数)，否则射流都会破碎成粒径大小不同并且间隔距离不同的液滴。简单来说，液体射流破碎成粒径大小不同且间隔距离不同的液滴是一种自然现象，且液体射流自然破碎出的液滴的粒径大小与间隔距离不可控，液体射流破碎长度也随时间不断波动，整个系统处于一个混乱的状态。

上述的液体射流自然破碎现象对不同的领域有着各种不同的影响。例如：针对于湿法纺丝领域，相关技术人员就希望液体射流不要过早地破碎成液滴，从而可以保持更长的射流破碎长度。同时，在湿法纺丝领域，能够对液体射流破碎长度进行定量化控制有着十分重要的意义。需要额外强调的是，在本发明中，均用“液体射流破碎长度”一词来表述液体射流从“喷口”到“第一次发生破碎的位置”之间的距离，用“液体射流破碎时间”一词来表述液体射流从“喷口喷出”到“第一次发生破碎”之间的时间。

相反，射流的喷涂及清洗、燃油喷雾、喷墨打印(及3D打印)、医药制造、云动力学研究等领域虽然在一定程度上利用了液体射流破碎后所产生的液滴，但是这些不同的应用领域对液体射流破碎后产生出液滴的形式又有着许多不同的需求，进而出现了许多技术上的瓶颈。具体来说，在射流的喷涂及清洗领域中，一个最典型的例子是针对半导体晶圆的清洗，研究表明，粒径相同且间隔距离相同的液滴串对半导体晶圆的冲击式清洗相较于粒径、间隔不同的液滴串的清洗效果会更好；燃油喷雾领域也十分希望可以将液体喷雾中粒径分布广泛的燃油液滴改进成为粒径相同、间隔均匀且粒径大小可精准控制的燃油液滴，进而提升燃油的燃烧效率；对于喷墨打印(及3D打印)领域，将墨液滴的尺寸均匀化并可控化可以很大程度上提升印刷(及造型)的质量；对于医药制造领域而言，相关技术人员则希望可以精确控制所产出药品颗粒的尺寸；对于云动力学研究而言，相关研究人员则需要满足一定粒径分布(比如高斯分布、泊松分布等)的液滴群作为实验研究对象。单纯依靠液体射流的自然破碎现象显然是无法满足上述各领域的不同技术需求的。

综上可知，不同的技术领域对液体射流的破碎现象有着各种不同的技术需求，能够发明出一种满足上述各项不同技术需求的装置有着十分重要的意义。

申请号为201910640820.X的公开文件公开了一种射流破碎的控制方法及装置。该公开文件指出可以根据射流破碎的目标频率确定脉冲激光的加热频率，然后通过将脉冲激光投射到液体射流上的方式，使得液体射流按照目标频率发生破碎。但该公开文件并没有具体公开的实施方案、装置以及原理等，不能具体实施。

发明内容

本发明的目的是提出一种控制液体射流破碎的装置，通过多套脉冲激光组对液体射流上的不同位置进行复杂的协同式脉冲加热，协同激发出液体射流上不同形式的由表面张力扰动所诱导出的不稳定波，进而针对液体射流的破碎实现不同的控制效果。

本发明提出的控制液体射流破碎的装置，包括腔体腔体内部的外层脉冲激光聚焦加热系统和内层脉冲激光聚焦加热系统以及腔体外部的测量系统；

所述的外层脉冲激光聚焦加热系统包括外层脉冲激光器组、上层反射镜、上层反射镜安装架、第一转动控制器、上层反射镜丝杆、上层凸透镜、上层凸透镜安装架、第二转动控制器、上层凸透镜丝杆；外层脉冲激光器组沿圆周均布安装在腔体的顶部，上层反射镜安装在上层反射镜安装架中；上层反射镜安装架与上层反射镜丝杆联动，上层反射镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第一转动控制器联动；上层凸透镜安装在上层凸透镜安装架上，上层凸透镜安装架与上层凸透镜丝杆联动，上层凸透镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第二转动控制器联动；由外层脉冲激光器组发射的脉冲激光，经上层反射镜反射到上层凸透镜，上层凸透镜将聚焦后的激光作用到由腔体顶部中央的口径可调式喷液口喷出的射流的上部；所述的安装有上层凸透镜的上层凸透镜安装架处在安装有上层反射镜的上层反射镜安装架的内侧，上层凸透镜安装架与上层反射镜安装架处在同一水平面；所述的第一转动控制器通过上层反射镜丝杆控制安装有上层反射镜的上层反射镜安装架上下运动，所述的第二转动控制器通过上层凸透镜丝杆控制安装有上层凸透镜的上层凸透镜安装架上下运动；

所述的内层脉冲激光聚焦加热系统包括内层脉冲激光器组、下层反射镜、下层反射镜安装架、第三转动控制器、下层反射镜丝杆、下层凸透镜、下层凸透镜安装架、第四转动控制器、下层凸透镜丝杆；内层脉冲激光器组沿圆周均布安装在腔体顶部、外层脉冲激光器组的内圈，下层反射镜安装在下层反射镜安装架中；下层反射镜安装架与下层反射镜丝杆联动，下层反射镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第三转动控制器联动；下层凸透镜安装在下层凸透镜安装架上，下层凸透镜安装架与下层凸透镜丝杆联动，下层凸透镜丝杆穿过腔体与安装在腔体顶盖上的第四转动控制器联动；由内层脉冲激光器组发射的脉冲激光，经下层反射镜反射到下层凸透镜，下层凸透镜将聚焦后的激光作用到由腔体顶部中央的口径可调式喷液口喷出的射流的下部；

所述的测量系统由高速相机与红外相机组成，所述的高速相机通过腔体上的高速相机拍摄窗口对液体射流及破碎情况进行实时的高速拍摄，得到液体射流喷出时的直径大小、液体射流的破碎长度、液体射流所破碎成液滴的粒径大小及分布形式、液体射流的破碎频率，所述的红外相机通过腔体上的红外相机拍摄窗口对液体射流的温度进行实时测量，进而得到液体射流上被加热点液体的表面张力变化。

本发明提出的控制液体射流破碎的装置，其优点是：

本发明提出的控制液体射流破碎的装置，整体呈现出高度的集成化，在腔体中集成有两套脉冲激光聚焦加热系统，不同的脉冲激光聚焦加热系统之间相互独立，来对液体射流上沿流向的不同位置进行复杂的协同式脉冲加热，协同激发出液体射流上不同形式的由表面张力扰动所诱导出的不稳定波，进而针对液体射流的破碎实现不同的控制效果。多套的脉冲激光器组在腔体顶部呈现内外层的周向分布形式，进而配合反射镜与凸透镜实现对液体射流沿流向不同位置的脉冲聚焦加热，这样的结构设计极大地节省了空间，提高了集成化程度，并为灵活调节脉冲激光聚焦加热系统在液体射流上的脉冲聚焦加热点的位置提供了条件。另外，每套脉冲激光聚焦加热系统都包含有沿圆周均布安装在腔体顶部的多个脉冲激光器，且它们之间完全同步，进而配合反射镜与凸透镜实现对液体射流被加热点的沿周向分布的脉冲加热，从而保证更加充分的脉冲加热效果。另外，每套脉冲激光聚焦加热系统的反射镜及其安装架和凸透镜及其安装架均配备有独立的转动控制器与丝杆，用来分别独立地控制它们的上下运动，这样不仅可以保证更加良好的聚焦效果，还可以精确控制每套脉冲激光聚焦加热系统发射出的脉冲激光在液体射流的脉冲聚焦加热位置，从而多套脉冲激光聚焦加热系统在液体射流上的聚焦加热位置之间的相对距离也可以得到精确控制。另外，所述装置包含有由高速相机和红外相机所组成的测量系统，可以对所述装置在运行时所涉及到的各个物理量进行实时测量，特别是红外相机可以通过实时测量液体射流的温度，来得到液体射流上被加热点液体的表面张力变化，从而实现对由多套脉冲激光聚焦加热系统所激发出的表面张力扰动下的复杂Marangoni不稳定波的定量分析。相比于申请号为201910640820.X的公开文件，本发明具有十分详细的装置、实施方案以及原理等内容，并且可以实现更为丰富的控制效果。本发明所提出的装置除了有上述结构设计上的优点，而且还可以针对液体射流的破碎实现各种不同的控制效果，具体来说，所述装置可以通过多套脉冲激光组对液体射流上的不同位置进行复杂的协同式脉冲加热，协同激发出液体射流上不同形式的由表面张力扰动所诱导出的Marangoni不稳定波，从而可以在不同实施方式下可选择性地实现如下4大类不同的控制效果：延缓液体射流破碎、控制液体射流破碎频率(实现液体射流破碎后所产生的液滴粒径大小、液滴间隔距离的均匀化且可控化)、控制液体射流破碎长度(破碎时间)、定制液体射流破碎的频率分布以及该液体射流破碎后所产生液滴的粒径大小分布与间隔距离分布(可以满足高斯分布、泊松分布等多种分布形式)。所以，通过本发明的这一套装置，可以在所述装置的不同实施方式下满足不同领域对液体射流破碎的各种不同的技术需求。

附图说明：

图1是本发明提出的控制液体射流破碎的装置的结构示意图。

图2是图1所示装置的俯视图。

图3是图1所示装置的腔体结构示意图。

图4是图1所示装置中的上层反射镜和上层凸透镜的安装示意图。

图5是图1所示装置中的下层反射镜和下层凸透镜的安装示意图。

图6是图1所示装置在不同运行工况下所产生出的不同破碎状态的液体射流示意图，其中(a)为未经任何调制的液体射流以及其破碎出的不规则液滴，(b)为被延缓破碎的液体射流，(c)为被控制破碎频率和破碎长度的液体射流以及其破碎出的规则液滴，(d)为被进行了破碎后所产生液滴分布形式定制化处理的液体射流以及其破碎出的满足定制分布形式的液滴。

图7是图1所示装置传输给外层脉冲激光器的控制信号，其中(a)为在控制液体射流破碎频率和破碎长度(破碎时间)时的一种控制信号，(b)为在定制液体射流破碎后所产生液滴分布形式时的一种控制信号。

图1-图7中，1是腔体，2是外层脉冲激光器组，3是上层反射镜，4是上层反射镜安装架，5是第一转动控制器，6是上层反射镜丝杆，7是上层凸透镜，8是上层凸透镜安装架，9是第二转动控制器，10是上层凸透镜丝杆，11是内层脉冲激光器组，12是下层反射镜，13是下层反射镜安装架，14是第三转动控制器，15是下层反射镜丝杆，16是下层凸透镜，17是下层凸透镜安装架，18是第四转动控制器，19是下层凸透镜丝杆，20是进液口，21是口径可调式喷液口，22是高速相机，23是红外相机，24是注射泵，25是高速相机拍摄窗口，26是红外相机拍摄窗口，27是上层反射镜丝杆安装孔，28是上层凸透镜丝杆安装孔，29是下层反射镜丝杆安装孔，30是下层凸透镜丝杆安装孔，31是未经任何调制的液体射流，32是由31破碎后所产生出的液滴，33是被延缓破碎的液体射流，34是被控制破碎频率和破碎长度(破碎时间)的液体射流，35是由34破碎后所产生出的液滴，36是被进行了破碎后所产生液滴分布形式定制化处理的液体射流，37是由36破碎后所产生出的液滴。

具体实施方式

本发明提出的控制液体射流破碎的装置，其结构如图1和图2所示，包括对所述装置的结构起到了整体支撑作用的腔体1、腔体1内部的外层脉冲激光聚焦加热系统和内层脉冲激光聚焦加热系统以及腔体1外部的测量系统；

所述的外层脉冲激光聚焦加热系统包括外层脉冲激光器组2、上层反射镜3、上层反射镜安装架4、第一转动控制器5、上层反射镜丝杆6、上层凸透镜7、上层凸透镜安装架8、第二转动控制器9、上层凸透镜丝杆10；外层脉冲激光器组2沿圆周均布安装在腔体1的顶部，在本发明的一个实施例中，外层脉冲激光器组2包含有4套脉冲激光器，且完全同步，从而保证良好的脉冲加热效果。如图4所示，所述上层反射镜3包含有4个反射面，上层反射镜3安装在上层反射镜安装架4中；上层反射镜安装架4与上层反射镜丝杆6联动，上层反射镜丝杆6穿过腔体1与安装在腔体1顶盖上的第一转动控制器5联动；上层凸透镜7安装在上层凸透镜安装架8上，上层凸透镜安装架8与上层凸透镜丝杆10联动，上层凸透镜丝杆10穿过腔体1与安装在腔体1顶盖上的第二转动控制器9联动；由外层脉冲激光器组2发射的脉冲激光，经上层反射镜3反射到上层凸透镜7，上层凸透镜7将聚焦后的激光作用到由腔体1顶部中央的口径可调式喷液口21喷出的射流的上部；

所述的内层脉冲激光聚焦加热系统包括内层脉冲激光器组11、下层反射镜12、下层反射镜安装架13、第三转动控制器14、下层反射镜丝杆15、下层凸透镜16、下层凸透镜安装架17、第四转动控制器18、下层凸透镜丝杆19；内层脉冲激光器组11沿圆周均布安装在腔体1顶部、外层脉冲激光器组2的内圈，在本发明的一个实施例中，内层脉冲激光器组11包含有4套脉冲激光器，且完全同步，从而保证良好的脉冲加热效果。如图5所示，所述下层反射镜12包含有4个反射面，下层反射镜12安装在下层反射镜安装架13中；下层反射镜安装架13与下层反射镜丝杆15联动，下层反射镜丝杆15穿过腔体1与安装在腔体1顶盖上的第三转动控制器14联动；下层凸透镜16安装在下层凸透镜安装架17上，下层凸透镜安装架17与下层凸透镜丝杆19联动，下层凸透镜丝杆19穿过腔体1与安装在腔体1顶盖上的第四转动控制器18联动；由内层脉冲激光器组11发射的脉冲激光，经下层反射镜12反射到下层凸透镜16，下层凸透镜16将聚焦后的激光作用到由腔体1顶部中央的口径可调式喷液口21喷出的射流的下部；

所述的测量系统由高速相机22与红外相机23组成，所述的高速相机22通过腔体1上的高速相机拍摄窗口25对液体射流及破碎情况进行实时的高速拍摄，得到液体射流喷出时的直径大小、液体射流的破碎长度、液体射流所破碎成液滴的粒径大小及分布形式、液体射流的破碎频率，其中，液体射流的破碎频率可以对由高速相机22拍摄到的视频进行快速傅里叶变化(FFT)频谱分析来得到；所述的红外相机23通过腔体1上的红外相机拍摄窗口26对液体射流的温度进行实时测量，进而得到液体射流上被加热点液体的表面张力变化。本发明的一个实施例中，使用《兰氏化学手册》得到被加热点液体的表面张力变化。此外，需要强调的是，所述液体射流上的被加热点包括外层脉冲激光聚焦系统以及内层脉冲激光聚焦系统的两个不同的加热位置。

以下结合附图，详细介绍本发明控制液体射流破碎的装置的工作原理和工作过程：

本发明提出的控制液体射流破碎的装置可以通过多套脉冲激光组对液体射流上的不同位置进行复杂的协同式脉冲加热，协同激发出液体射流上不同形式的由表面张力扰动所诱导出的不稳定波，进而针对液体射流的破碎实现不同的控制效果。

本发明提出的控制液体射流破碎的装置，其结构如图1和图2所示，包括对所述装置的结构起到了整体支撑作用的腔体1、腔体1内部的外层脉冲激光聚焦加热系统和内层脉冲激光聚焦加热系统以及腔体1外部的测量系统；

所述的外层脉冲激光聚焦加热系统包括外层脉冲激光器组2、上层反射镜3、上层反射镜安装架4、第一转动控制器5、上层反射镜丝杆6、上层凸透镜7、上层凸透镜安装架8、第二转动控制器9、上层凸透镜丝杆10；外层脉冲激光器组2沿圆周均布安装在腔体1的顶部，在本发明的一个实施例中，外层脉冲激光器组2包含有4套脉冲激光器，且完全同步，从而保证良好的脉冲加热效果。如图4所示，所述上层反射镜3包含有4个反射面，上层反射镜3安装在上层反射镜安装架4中；上层反射镜安装架4与上层反射镜丝杆6联动，上层反射镜丝杆6穿过腔体1与安装在腔体1顶盖上的第一转动控制器5联动，其中，上层反射镜丝杆6穿过上层反射镜丝杆安装孔27；上层凸透镜7安装在上层凸透镜安装架8上，上层凸透镜安装架8与上层凸透镜丝杆10联动，上层凸透镜丝杆10穿过腔体1与安装在腔体1顶盖上的第二转动控制器9联动，其中，上层凸透镜丝杆10穿过上层凸透镜丝杆安装孔28；由外层脉冲激光器组2发射的脉冲激光，经上层反射镜3反射到上层凸透镜7，上层凸透镜7将聚焦后的激光作用到由腔体1顶部中央的口径可调式喷液口21喷出的射流的上部；其中，所述液体射流是由注射泵24泵入至进液口20，然后从口径可调式喷液口21中喷出，液体射流的流量由注射泵24进行控制。

如图4所示，安装有上层凸透镜7的上层凸透镜安装架8处在安装有上层反射镜3的上层反射镜安装架4的里侧，且二者处在同一水平面；配合第一转动控制器5，上层反射镜丝杆6可以使安装有上层反射镜3的上层反射镜安装架4进行上下运动；配合第二转动控制器9，上层凸透镜丝杆10可以使安装有上层凸透镜7的上层凸透镜安装架8进行上下运动，进而上层反射镜3和上层凸透镜7的位置可以得到精确控制；从而通过第一转动控制器5和第二转动控制器9，可以精确控制外层脉冲激光器组2发射出的脉冲激光在所述液体射流上的上部聚焦加热位置。

所述的内层脉冲激光聚焦加热系统包括内层脉冲激光器组11、下层反射镜12、下层反射镜安装架13、第三转动控制器14、下层反射镜丝杆15、下层凸透镜16、下层凸透镜安装架17、第四转动控制器18、下层凸透镜丝杆19；内层脉冲激光器组11沿圆周均布安装在腔体1顶部、外层脉冲激光器组2的内圈，在本发明的一个实施例中，内层脉冲激光器组11包含有4套脉冲激光器，且完全同步，从而保证良好的脉冲加热效果。如图5所示，所述下层反射镜12包含有4个反射面，下层反射镜12安装在下层反射镜安装架13中；下层反射镜安装架13与下层反射镜丝杆15联动，下层反射镜丝杆15穿过腔体1与安装在腔体1顶盖上的第三转动控制器14联动，其中，下层反射镜丝杆15穿过下层反射镜丝杆安装孔29；下层凸透镜16安装在下层凸透镜安装架17上，下层凸透镜安装架17与下层凸透镜丝杆19联动，下层凸透镜丝杆19穿过腔体1与安装在腔体1顶盖上的第四转动控制器18联动，其中，下层凸透镜丝杆19穿过下层凸透镜丝杆安装孔30；由内层脉冲激光器组11发射的脉冲激光，经下层反射镜12反射到下层凸透镜16，下层凸透镜16将聚焦后的激光作用到由腔体1顶部中央的口径可调式喷液口21喷出的射流的下部；其中，所述液体射流是由注射泵24泵入至进液口20，然后从口径可调式喷液口21中喷出，液体射流的流量由注射泵24进行控制。

如图5所示，安装有下层凸透镜16的下层凸透镜安装架17处在安装有下层反射镜12的下层反射镜安装架13的里侧，且二者处在同一水平面；配合第三转动控制器14，下层反射镜丝杆15可以使安装有下层反射镜12的下层反射镜安装架13进行上下运动；配合第四转动控制器18，下层凸透镜丝杆19可以使安装有下层凸透镜16的下层凸透镜安装架17进行上下运动，进而下层反射镜12和下层凸透镜16的位置可以得到精确控制；从而通过第三转动控制器14和第四转动控制器18，可以精确控制内层脉冲激光器组11发射出的脉冲激光在所述液体射流上的下部聚焦加热位置。

从而，外层脉冲激光聚焦加热系统与内层脉冲激光聚焦加热系统在液体射流上沿流向的上下两个不同的脉冲聚焦加热位置之间的相对距离也可以得到精确的控制。

所述的测量系统由高速相机22与红外相机23组成，如图2和图3所示，所述的高速相机22通过腔体1上的高速相机拍摄窗口25对液体射流及破碎情况进行实时的高速拍摄，得到液体射流喷出时的直径大小、液体射流的破碎长度、液体射流所破碎成液滴的粒径大小及分布形式、液体射流的破碎频率，其中，液体射流的破碎频率可以对由高速相机22拍摄到的视频进行快速傅里叶变化(FFT)频谱分析来得到；所述的红外相机23通过腔体1上的红外相机拍摄窗口26对液体射流的温度进行实时测量，进而得到液体射流上被加热点液体的表面张力变化。本发明的一个实施例中，使用《兰氏化学手册》得到被加热点液体的表面张力变化。此外，需要强调的是，所述液体射流上的被加热点包括外层脉冲激光聚焦系统以及内层脉冲激光聚焦系统的上下两个不同的加热位置，且这上下两个脉冲聚焦加热位置之间的距离以及各自的加热频率(分布)、占空比、功率等参数均可得到精确的控制。

从流体力学的原理来看，当液体的温度升高，其表面张力的大小会相应降低；当液体的温度降低，其表面张力的大小会相应升高。本发明通过对运动液体射流进行脉冲激光加热使得所述运动液体射流上产生温度的间隔式高低分布，进而使得所述运动液体射流上产生表面张力的间隔式高低分布，从而诱发出该液体射流上的Marangoni流动。

具体来说，这种Marangoni流动是指在液体射流整体运动的同时，液体射流低表面张力区域的流体会流向液体射流高表面张力的区域，导致高表面张力区域膨胀而低表面张力区域则会相应地收缩。对应于本发明，那便是所述液体射流被加热的位置随时间不断收缩，未被加热的位置相应地随时间不断膨胀。本发明所诱导出的这种表面张力变化的不稳定波在本发明中被称为Marangoni不稳定波。

本发明提出的控制液体射流破碎的装置通过如上所述的两套脉冲激光组对液体射流上沿流向的上下两个不同位置进行复杂的协同式脉冲聚焦加热，是为了协同激发出液体射流上不同形式的由表面张力扰动所诱导出的Marangoni不稳定波，进而实现针对液体射流破碎的各种不同的控制效果。

值得强调的是，在本发明所提出装置的实施过程中，并没有利用到重力作用，液体射流的喷射方向不仅局限于竖直向下，可以朝向空间中的任一方向，在本文中有关“上部”、“下部”、“自上而下”等字词的使用，仅是为了方便配合附图进行描述，“上”和“下”在此并不代表重力方向等某一固定方向。这与一些通过改变粘度进而依靠重力将高粘度液体射流拉断的技术有着本质的不同。

总的来看，通过本发明提出的控制液体射流破碎的装置，可以在不同实施方式下可选择性地实现如下四种不同的控制效果：一是延缓液体射流破碎；二是控制液体射流破碎频率(实现液体射流破碎后所产生的液滴粒径大小、液滴间隔距离的均匀化且可控化)；三是控制液体射流破碎长度(破碎时间)；四是定制液体射流破碎的频率分布以及该液体射流破碎后所产生液滴的粒径大小分布、间隔距离分布(可以满足高斯分布、泊松分布等多种分布形式)。

如图6所示，为本发明所提出装置在不同运行工况下所产生出的不同破碎状态的液体射流示意图，其中(a)为未经任何调制的液体射流31以及其破碎出的不规则液滴32，(b)为被延缓破碎的液体射流33，(c)为被控制破碎频率和破碎长度的液体射流34以及其破碎出的规则液滴35，(d)为被进行了破碎后所产生液滴分布形式定制化处理的液体射流36以及其破碎出的满足定制分布形式的液滴37。

下面将对通过本发明所提出装置实现上述各类不同控制效果的实施方式及原理进行详细介绍：

一、延缓液体射流破碎：

液体射流破碎成粒径大小不同且间隔距离不同的液滴是一种自然现象，且液体射流自然破碎出的液滴的粒径大小与间隔距离不可控，液体射流破碎长度也随时间不断波动，整个系统处于一个混乱的状态，如图6中的(a)所示。这种必然会发生的自然破碎现象被称为Rayleigh-Plateau不稳定性。但是这种自然破碎现象在湿法纺丝等领域是不愿被看到的，因为这将意味着原液丝的过早断裂。能够通过某种方式来延缓液体射流的破碎成为了湿法纺丝等相关领域的一个技术需求。

通过本发明所提出装置的外层脉冲激光聚焦加热系统与内层脉冲激光聚焦加热系统对液体射流上沿流向的上下两个不同位置进行脉冲聚焦加热，且所述的两套脉冲激光聚焦加热系统均处于单一频率状态，在一定的参数设定下，可以实现延缓液体射流破碎的目的。

具体的，为了实现所述的延缓液体射流破碎的技术效果，外层脉冲激光聚焦加热系统与内层脉冲激光聚焦加热系统之间需要脉冲频率相同、脉冲占空比相同、脉冲激光功率足够高且相近，除此之外，所述外层脉冲激光聚焦加热系统在液体射流上的聚焦加热点与内层脉冲激光聚焦加热系统在液体射流上的聚焦加热点之间还需要满足如下两个条件中的任意一条：

条件1：

条件2：

其中，

在满足外层脉冲激光聚焦加热系统与内层脉冲激光聚焦加热系统之间脉冲频率相同、脉冲占空比相同并且脉冲激光功率足够高且相近的前提下，再满足上述两个条件中的任意一条，便可以通过所述装置实现延缓所述液体射流破碎的控制效果。需要强调的是，在上述条件中，两个脉冲激光加热系统的脉冲激光功率只需要相近并不需要严格相等，两者功率之间的具体大小关系可根据希望得到的射流破碎延缓效果结合当前的射流破碎延缓效果进行相互微调。此外，上述参数中i或m可以取自然数中的任意数值，并不会影响最终的射流破碎延缓效果；上述参数中j或n根据当前的射流破碎延缓效果，在满足自然数取值范围的前提下，可以适当地取更大的数值，用以加大射流破碎延缓效果。

如图4所示，安装有上层凸透镜7的上层凸透镜安装架8处在安装有上层反射镜3的上层反射镜安装架4的里侧，且二者处在同一水平面；配合第一转动控制器5，上层反射镜丝杆6可以使安装有上层反射镜3的上层反射镜安装架4进行上下运动；配合第二转动控制器9，上层凸透镜丝杆10可以使安装有上层凸透镜7的上层凸透镜安装架8进行上下运动，进而上层反射镜3和上层凸透镜7的位置可以得到精确控制；从而通过第一转动控制器5和第二转动控制器9，可以精确控制外层脉冲激光器组2发射出的脉冲激光在所述液体射流上的上部聚焦加热位置y

如图5所示，安装有下层凸透镜16的下层凸透镜安装架17处在安装有下层反射镜12的下层反射镜安装架13的里侧，且二者处在同一水平面；配合第三转动控制器14，下层反射镜丝杆15可以使安装有下层反射镜12的下层反射镜安装架13进行上下运动；配合第四转动控制器18，下层凸透镜丝杆19可以使安装有下层凸透镜16的下层凸透镜安装架17进行上下运动，进而下层反射镜12和下层凸透镜16的位置可以得到精确控制；从而通过第三转动控制器14和第四转动控制器18，可以精确控制内层脉冲激光器组11发射出的脉冲激光在所述液体射流上的下部聚焦加热位置y

从而通过所述装置，在满足外层脉冲激光聚焦加热系统与内层脉冲激光聚焦加热系统之间脉冲频率相同、脉冲占空比相同并且脉冲激光功率足够高且相近的前提下，所述外层脉冲激光聚焦加热系统在液体射流上的聚焦加热点与内层脉冲激光聚焦加热系统在液体射流上的聚焦加热点之间的相对距离y

在介绍了通过所述装置实现上述延缓液体射流破碎的实施方式之后，下面将对该实施方式的原理进行介绍。液体射流破碎成粒径大小不同且间隔距离不同的液滴是一种自然现象，且液体射流自然破碎出的液滴的粒径大小与间隔距离不可控，液体射流破碎长度也随时间不断波动，整个系统处于一个混乱的状态。这种必然会发生的自然破碎现象被称为Rayleigh-Plateau不稳定性，对应的导致射流自然破碎的不稳定波被称为Rayleigh-Plateau不稳定波。这种Rayleigh-Plateau不稳定波在实际液体射流中并不以单一频率存在，而是宽谱的，所以自然中的液体射流在不加任何调制的情况下会破碎成粒径大小不同且间距不同的液滴，并且液滴粒径大小与间隔距离会呈现出一种不可控的混乱状态，如图6中的(a)所示。

本发明所提出的装置通过外层脉冲激光聚焦加热系统对液体射流的上部进行脉冲聚焦加热，是为了通过改变运动液体射流上的温度进而改变该运动液体射流上的表面张力，使得所述运动液体射流上产生表面张力的间隔式高低分布，从而诱发出所述液体射流上的Marangoni流动，对应地产生Marangoni不稳定波。这种Marangoni流动是指在液体射流整体运动的同时，液体射流中低表面张力区域的流体会流向液体射流中高表面张力的区域，导致高表面张力区域膨胀而低表面张力区域则会相应地收缩。对应于本发明，那便是所述液体射流被加热的位置随时间不断收缩，未被加热的位置相应地随时间不断膨胀。当外层脉冲激光聚焦加热系统的脉冲激光功率足够高，由其脉冲激光加热所导致出的Marangoni不稳定波的发展便会完全压制住Rayleigh-Plateau不稳定波的发展，使上述的自然破碎现象无法显现出来。

与此同时，本发明所提出的装置通过内层脉冲激光聚焦加热系统对液体射流的下部进行脉冲聚焦加热，诱发出另外一组Marangoni不稳定波来反过来抵消掉外层脉冲激光聚焦加热系统所诱发出的Marangoni不稳定波的发展，防止液体射流按照外层脉冲激光聚焦加热的诱导发生破碎，从而实现延缓所述液体射流破碎的技术效果。换句话说，外层脉冲激光聚焦加热使得液体射流上的自然破碎无法显现出来，并同时会使得液体射流上的某些位置按照外层脉冲激光聚焦加热的诱导而逐渐膨胀(或收缩)，那么内层脉冲激光聚焦加热则使得上述膨胀(或收缩)的位置再逐渐地收缩(或膨胀)，从而将外层脉冲激光聚焦加热的激发抵消掉，进而实现延缓所述液体射流破碎的控制效果。

为了使外层脉冲激光聚焦加热系统可以成功抑制住自然破碎现象，外层脉冲激光聚焦加热系统的脉冲激光功率需要足够高。

为了使内层脉冲激光聚焦加热系统可以成功抵消掉外层脉冲激光聚焦加热系统所诱导出的Marangoni不稳定波，本发明公开了所述二者脉冲激光反相位或二者脉冲激光聚焦加热位置之间相差脉冲加热半波长的奇数倍的工艺条件。与此同时，需要两套脉冲激光加热系统的脉冲频率相同、脉冲占空比相同并且脉冲激光功率足够高且相近。由此便可实现通过所述装置实现延缓液体射流破碎的控制效果。

简单来说，延缓液体射流破碎其实遵循的是如下过程：先利用外层脉冲激光聚焦加热系统来抑制住液体射流的自然破碎现象，再利用内层脉冲激光聚焦加热系统抵消掉外层脉冲激光聚焦加热系统所导致的Marangoni不稳定波的发展。从而使得本来在喷出后很快便会自然破碎的液体射流，先按照外层脉冲激光加热的激发进行运动，从而避免了自然破碎；然后由内层脉冲激光加热把外层脉冲激光加热的激发抵消掉，从而避免了被外层脉冲激光加热激发破碎，进而极大地延缓了所述液体射流的破碎，得到了更长的液体射流破碎长度。

虽然在所述装置的实施例中，设置有内外两层的脉冲激光聚焦加热系统来协同加热液体射流上的两个不同的位置，从而实现延缓液体射流破碎的控制效果。但如果要利用本发明所提出的装置，在更大程度上延缓液体射流的破碎，除了可以像上文中讲到的那样适当地提升j或n的取值，还可以有如下的扩展例。

扩展例描述：即在外层再增加若干套脉冲激光聚焦加热系统，使得所述液体射流上自上而下地有2p+2个脉冲激光聚焦加热点，且自上而下的第2q-1个和第2q个脉冲激光聚焦加热点的对应脉冲激光聚焦加热系统之间要满足上文中所述的“延缓液体射流破碎”的工艺条件。其中，p的取值为某一正整数，q依此取由1到p+1之间的所有正整数。

简单来说，也即首先由第2q-1个脉冲激光聚焦加热系统的激发来抑制住液体射流的自然破碎现象。需要强调的是，所述被抑制住的自然破碎现象在q＝1时代表着液体射流刚刚从口径可调式喷液口21喷出时所带有的自然破碎效应，在q≠1时则代表着液体射流已经经历了自上而下的第1个到第2q-2个的脉冲激光聚焦加热点及其破碎延缓处理之后的又慢慢产生出的自然破碎效应。

然后由第2q个脉冲激光聚焦加热系统将第2q-1个脉冲激光聚焦加热系统的激发抵消掉，从而继续将所述液体射流破碎延缓下去，得到更长的液体射流破碎长度。如果将这样两个一组的脉冲激光聚焦加热系统无限累加下去，并且两个脉冲激光聚焦加热系统之间满足本发明公开的“延缓液体射流破碎”的工艺条件，那么在理论上可以实现所述液体射流的永不破碎，进而得到无限长的液体射流。

二、控制液体射流破碎频率(实现液体射流破碎后所产生的液滴粒径大小、液滴间隔距离的均匀化且可控化)：

相比于湿法纺丝等领域，虽然射流的喷涂及清洗、燃油喷雾、喷墨打印(及3D打印)、医药制造等领域是在一定程度上利用了液体射流的破碎，但由于液体射流的自然破碎现象是指液体射流会破碎成粒径大小不同且间隔距离不同的液滴，且破碎后所产生液滴的粒径大小与间隔距离均不可控，整体处于一个混乱的状态，所以这种不规则的自然破碎现象其实还会为上述这些领域引来很多在运行上的不良因素。所以通过某种方式来控制液体射流的破碎频率(实现射流破碎后所产生的液滴粒径大小、液滴间隔距离均匀化且可控化)成为了射流的喷涂及清洗、燃油喷雾、喷墨打印(及3D打印)、医药制造等相关领域的一个技术需求。

通过本发明所提出的装置，除了可以实现延缓液体射流破碎，还可以在某些参数设置下控制液体射流的破碎频率，也即将液体射流破碎后所产生的液滴粒径大小、液滴间隔距离均匀化且可控化。

具体来讲，为实现这一控制效果，所述装置的内层脉冲激光聚焦加热系统将被关闭，仅保留外层脉冲激光聚焦加热系统处于工作状态，并且所述外层脉冲激光聚焦加热系统处于某一单一频率状态，用来对所述液体射流的上部按照所述单一频率进行脉冲加热。

当外层脉冲激光聚焦加热系统的脉冲激光功率足够高，在外层脉冲激光聚焦加热系统抑制住液体射流的自然破碎现象的情况下，外层脉冲激光聚焦加热系统所激发出的Marangoni不稳定波的发展不会再被内层脉冲激光聚焦加热系统的脉冲聚焦加热所抵消掉，外层脉冲激光聚焦加热系统激发出的液体射流表面张力变化的不稳定波发展会完全主导所述液体射流34的破碎现象，进而破碎成粒径大小与间隔距离均匀化且可控化的液滴35，如图6中的(c)所示。

从原理上来看，外层脉冲激光聚焦加热系统对所述液体射流的脉冲加热本质上改变的是所述液体射流上的表面张力，使得所述运动液体射流上产生表面张力的间隔式高低分布，从而诱发出所述液体射流上的Marangoni流动，对应地产生Marangoni不稳定波。这种Marangoni流动是指在液体射流整体运动的同时，液体射流中低表面张力区域的流体会流向液体射流中高表面张力的区域，导致高表面张力区域膨胀而低表面张力区域则会相应地收缩。对应于本发明，那便是所述液体射流被加热的位置随时间不断收缩，未被加热的位置相应地随时间不断膨胀。当这种由外层脉冲激光聚焦加热系统所激发出的Marangoni不稳定波可以完全抑制住液体射流的自然破碎现象，并且不会被内层脉冲激光聚焦加热系统的脉冲聚焦加热所抵消掉时，那么由外层脉冲激光聚焦加热系统所激发出的Marangoni不稳定波会完全主导所述液体射流的破碎现象，所述液体射流会严格按照外层脉冲激光聚焦加热系统的脉冲频率发生破碎，从而实现所述液体射流34的破碎频率与外层脉冲激光器组2的脉冲频率的严格相等(即实现了锁频式控制)，进而所述液体射流34会破碎成粒径大小与间隔距离均匀化且可控化的液滴35。

此时，所述液体射流34的破碎频率完全等于所述外层脉冲激光器组2的脉冲频率，所述液体射流34严格按照此时外层脉冲激光器组2的脉冲频率发生破碎后，会产生出一串粒径大小相等且间距相等的液滴35，并且所述液滴串中的液滴35的粒径大小以及其相互之间的间距均可得到严格控制。上述的控制效果可以用如下公式进行描述：

其中，f

所述液体射流的实时破碎频率f

需要强调的是，上述的这种“控制液体射流破碎频率”的控制效果并不能在任意频率上均可实现，它存在着对应的“可实现的频率范围”。换句话说，所述液体射流34的破碎频率f

所述频率范围如下所示，也即所述的频率范围要同时满足如下的三个条件：

其中，σ

其中，σ

所述液体射流的喷射速度v可以由如下公式计算得到：

其中，Q为所述液体射流的流量并且可以由注射泵24进行控制，r

液体射流表面上的无量纲初始小扰动δ可以由如下公式计算得到：

其中，r

所以说，液体射流表面上自然破碎效应的无量纲初始小扰动δ可以由如下公式计算得到：

其中，l

由于液体射流的自然破碎现象没有单一的频率，是宽谱的，所以在一个固定喷射工况下l

虽然上述的三个条件无法显式地整理为关于f

同时，对上述的三个条件进行数学性质分析可得，当通过所述的三个条件计算出所述频率范围的上界频率与下界频率之后，那么外层脉冲激光器组2的脉冲频率f

另外，所述的三个条件及其反映出的频率范围同样会用于限定在前文中延缓液体射流破碎时的外层脉冲激光器组2的频率选择，以及用于限定在前文中延缓液体射流破碎的扩展例中第2q-1个脉冲激光聚焦加热系统的频率选择。因为所述的三个条件及其反映出的频率范围本质上反映的是由所述脉冲激光聚焦加热系统抑制住液体射流自然破碎现象的条件。

三、控制液体射流破碎长度(破碎时间)：

如图6中的(c)所示，通过上文中“控制液体射流破碎频率”的技术手段，并满足上文中所描述的频率范围(也即满足上文中所描述的三个条件)，本发明所提出装置除了可以控制所述液体射流的破碎频率等于外层脉冲激光器组2的脉冲频率，还可以同时控制所述液体射流的破碎长度，并使所述液体射流破碎长度满足如下的表达式：

其中，l

其中，l

正如上文中已强调的，“射流破碎长度”表示的液体射流从“喷口”到“第一次发生破碎的位置”之间的距离，所以“射流破碎长度”等于所述液体射流的速度与液体射流从“口径可调式喷液口”喷出到“第一次发生破碎”之间的时间(在本发明中称之为“液体射流破碎时间”)的乘积。由于所述液体射流的速度v可以通过注射泵24、口径可调式喷液口21进行控制，所以本发明通过所述装置对“液体射流破碎长度”控制的重点本质上在于对“液体射流破碎时间”的控制，此时对“液体射流破碎时间”的控制可以用如下公式表达出来：

其中，t

从原理上来看，外层脉冲激光器组2对所述液体射流的脉冲加热本质上改变的是所述液体射流上的表面张力，使得所述运动液体射流上产生表面张力的间隔式高低分布，从而诱发出所述液体射流上的Marangoni流动，对应地产生Marangoni不稳定波。这种Marangoni流动是指在液体射流整体运动的同时，液体射流中低表面张力区域的流体会流向液体射流中高表面张力的区域，导致高表面张力区域膨胀而低表面张力区域则会相应地收缩。对应于本发明，那便是所述液体射流被加热的位置随时间不断收缩，未被加热的位置相应地随时间不断膨胀。当这种由外层脉冲激光器组2所激发出的Marangoni不稳定波完全抑制住液体射流的自然破碎现象并不会被内层脉冲激光器组11的脉冲加热所抵消掉的时候，由外层脉冲激光聚焦加热系统所激发出的Marangoni不稳定波会完全主导所述液体射流34的破碎现象。上述的“液体射流破碎时间”本质上是所述液体射流从口径可调式喷液口21喷出到所述Marangoni不稳定波将所述液体射流“掐断”之间的时间，本发明在此正是通过上述公式对该液体射流破碎时间t

四、定制液体射流破碎的频率分布以及该液体射流破碎后所产生液滴的粒径大小分布、间隔距离分布(可以满足高斯分布、泊松分布等多种分布形式)；

本装置除了可以控制液体射流的破碎频率在某一单一频率，还可以定制所述液体射流破碎的频率分布以及该液体射流破碎后所产生液滴的粒径大小分布、间隔距离分布，可以使其满足高斯分布、泊松分布等多种分布形式。

例如，对于云动力学研究而言，相关研究人员需要满足一定粒径分布(比如高斯分布、泊松分布等)的液滴群作为实验研究对象，单纯依靠液体射流的自然破碎现象显然是无法满足该技术需求的。本发明所提出装置的这一控制效果可以满足云动力学研究的所述实验技术需求。

具体来讲，如图6中的(d)和图7中的(b)所示，为实现这一控制效果，所述装置的内层脉冲激光聚焦加热系统将被关闭，仅保留外层脉冲激光聚焦加热系统处于工作状态，并使所述外层脉冲激光聚焦加热系统不再处于某一单一频率，而是呈现出某种频率分布形式，用来对所述液体射流的上部按照所述频率分布形式进行脉冲加热。

当外层脉冲激光聚焦加热系统的脉冲激光功率足够高，在外层脉冲激光聚焦加热系统抑制住液体射流的自然破碎现象的情况下，外层脉冲激光聚焦加热系统所激发出的不稳定波发展不会再被内层脉冲激光聚焦加热系统所抵消，外层脉冲激光器组2激发出的液体射流表面张力变化的不稳定波发展会完全主导所述液体射流36的破碎现象。此时，所述液体射流表面张力变化的不稳定波满足上述外层脉冲激光聚焦加热系统的频率分布形式，对应产生的所述液体射流破碎现象也满足所述频率分布形式，所述液体射流36破碎产生的液滴37也同样满足所述频率分布形式。

需要特别强调的是，此时外层脉冲激光器组2的功率随时间的变化不再像前文中实施“控制液体射流破碎频率”时的那样处于某一单一频率，而是呈现出某种频率分布形式，如图7中的(b)所示。

如图7所示，为本发明所提出装置传输给外层脉冲激光器组2的随时间变化的控制信号，其中(a)为在控制液体射流破碎频率和破碎长度(破碎时间)时的一种控制信号，(b)为在定制液体射流破碎后所产生液滴分布形式时的一种控制信号。图7中的横轴t代表时间，纵轴V代表所述控制信号的电压值大小且其单位为伏特(V)。其中，当所述控制信号为0V时，所述外层脉冲激光器组2发射出的脉冲激光的瞬时功率为0；当所述控制信号为5V时，所述外层脉冲激光器组2发射出的脉冲激光的瞬时功率为某一恒定值，并且该脉冲激光瞬时功率恒定值的大小可以进行控制。

当所述装置在控制液体射流破碎频率及控制液体射流破碎长度(破碎时间)时，传输给外层脉冲激光器组2的控制信号为图7中的(a)的形式，相应的外层脉冲激光器组2的功率随时间的变化也会呈现该形式，也即外层脉冲激光器组2的瞬时功率随时间的变化处于某一单一频率。此时，该外层脉冲激光器组2有一个固定的频率f

当所述装置在定制液体射流破碎的频率分布以及破碎后所产生液滴的粒径大小分布、间隔距离分布时，传输给外层脉冲激光器组2的控制信号为图7中的(b)的形式，相应的外层脉冲激光器组2的功率随时间的变化也会呈现该形式，也即外层脉冲激光器组2的瞬时功率随时间的变化呈现出该种频率分布形式。此时，该外层脉冲激光器组2没有一个固定的频率与周期，也即该外层脉冲激光器组2的瞬时功率的频率与周期会随着时间而实时变化。所述液体射流表面张力变化的Marangoni不稳定波同样也满足该种频率分布形式。

从原理来讲，因为此时外层脉冲激光器组2激发出的液体射流表面张力变化的Marangoni不稳定波的发展会完全主导所述液体射流36的破碎现象，所以当外层脉冲激光器组2的实时频率升高，所述装置所激发出的液体射流破碎频率会随之上升，随之产生出粒径变小且间隔距离变小的液滴。当外层脉冲激光器组2的实时频率降低，所述装置所激发出的液体射流破碎频率会随之降低，随之产生出粒径变大且间隔距离变大的液滴。那么，当外层脉冲激光器组2的实时频率随时间的变化满足某一分布形式(比如高斯分布、泊松分布等分布形式)，那么外层脉冲激光聚焦加热系统激发出的液体射流表面张力变化的Marangoni不稳定波也会满足这一分布形式，随之所述装置所激发出的液体射流破碎频率也会满足这种分布形式，随之产生出液滴粒径大小与液滴间隔距离均满足这种分布形式的液滴。其中，结合所述脉冲激光的频率分布，所述液体射流的破碎频率分布、破碎后所产生出液滴的粒径大小(分布)以及间隔距离(分布)均可以得到精确的计算。

例如，如图7中的(b)所示，当传输给外层脉冲激光器组2的控制信号的脉冲频率先比较高，然后随时间降低，然后再随时间升高。那么，如图6中的(d)所示，所述液体射流36破碎后所产生出的液滴37的粒径大小会先比较小，然后沿喷射方向变大，然后再沿喷射方向减小。同样的道理，如图6中的(d)所示，所述液体射流36破碎后所产生出的液滴37的间隔距离会先比较小，然后沿喷射方向变大，然后再沿喷射方向减小。总的来说，在满足如图7(b)所示脉冲频率分布的外层脉冲激光器组2的脉冲聚焦加热调制下，所述液体射流36的破碎频率分布以及破碎后所产生出的液滴37的粒径大小分布、间隔距离分布均满足此时所述外层脉冲激光器组2的所述脉冲频率分布形式。如果所述外层脉冲激光器组2的频率分布形式满足高斯分布、泊松分布等分布形式，那么所述液体射流36的破碎频率分布以及破碎后所产生出的液滴37的粒径大小分布、间隔距离分布均会满足此时所述外层脉冲激光器组2的所述高斯分布、泊松分布等分布形式。

最后，需要强调的是本发明所针对的液体是低粘度流体，例如纯水(纯水可以被认为是无粘流体)。本发明通过脉冲激光加热改变的是低粘度液体射流的表面张力，继而诱导出表面张力变化的Marangoni不稳定波，从而在不同的实施方式下可选择性地实现上文中的各种不同的控制效果。在本发明的实施过程中，本发明没有利用到重力作用，液体射流的喷射方向不仅局限于竖直向下，可以朝向空间中的任一方向，这与一些通过改变粘度进而依靠重力将高粘度液体射流拉断的技术有着本质的不同。