单个液滴蒸发模型中不同质量传递公式的有效性分析

液滴蒸发是液体喷雾的重要物理过程,文献中使用了不同的模型计算液滴蒸发中的质量流率。依据质量传递驱动力的处理,可将这些模型归类于3种不同形式,即:经典模型、质量类比模型和漂移流动模型。对这些模型的来源和假设作了分析和总结,发现经典模型忽略了瞬态效应,质量类比模型忽略了Stefan流效应,而飘移流动模型同时考虑了Stefan流效应和质量迁移,应为正确的表述。最后以两种不同蒸发率条件下的液滴蒸发为例进行计算,研究了不同质量传递驱动力对液滴蒸发的影响,发现经典模型和质量类比模型都对液滴的蒸发估计过低,且高蒸发率下3种模型对液滴蒸发特性的影响更显著。

血液在可见光及近红外范围内随温度变化的动态吸收特性

人体病变组织的光热效应是皮肤病激光疗法与光学诊断的基础,深入理解血液光吸收特性随温度变化的动态规律对利用激光来治疗葡萄酒色斑(PWS)等血管性疾病具有重要意义。设计并搭建了血液动态吸收光谱实验测量系统,利用常温水浴将血液样品缓慢加热至80℃(0.5～1.0℃.min-1),每间隔5℃为单位对血液的光吸收特性进行测量,得到了血液在可见光及近红外范围400～1000nm内随温度变化的动态吸收光谱。实验结果表明,加热过程中血液光吸收特性变化可分为4个阶段:常温至50℃血液吸收光谱基本无变化;50～58℃吸收特性曲线变平缓,630nm处吸光度增加为常温下的2倍;随着温度的进一步上升,血液光吸收特性大幅度增加;65℃后略有增加直至不再变化。整个加热过程中,血液吸光度均在970nm处存在峰值,并且吸收性能随着温度的上升有所增加,这为今后使用该波段治疗较深的顽固病变血管奠定了坚实的基础。

制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却表面温度的快速测量

制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却已经成为激光治疗葡萄酒色斑临床手术中重要的冷却辅助手段,能够保护表皮不受激光的热损伤,提高治疗激光能量,改善治疗效果。针对制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却表面温度快速准确测量的难点,建立了制冷剂闪蒸喷雾冷却实验系统,利用磁控溅射技术直接在被测表面沉积T型薄膜热电偶,对薄膜热电偶测量瞬态表面温度技术进行了详细研究,校核了薄膜热电偶的静态温度特性和动态反应时间,对测得的温度结果进行了巴特沃斯低通滤波处理,比较了滤波截止频率和采样率对滤波结果的影响。

激光手术喷雾冷却中单液滴蒸发理论模型的比较

制冷剂喷雾可对激光治疗葡萄酒色斑过程进行有效冷却以保护表皮不受热损伤,其瞬态喷雾冷却过程涉及复杂的液滴蒸发、强烈的对流换热和质量传递。本文对描述制冷剂喷雾平衡蒸发阶段单个液滴蒸发的理论模型进行改进,比较了基于各种假设的七个气相传质模型对R-134a喷雾冷却过程中单个液滴蒸发特性的影响,发现考虑过热影响的气相模型所预测的蒸发过程最接近实验结果,用该模型研究了液滴初始直径和速度等参数对液滴蒸发特性的影响。

R404a喷雾冷却表面传热特性的时空不均匀性

制冷剂瞬态喷雾冷却是辅助激光手术治疗皮肤病的重要手段,目前采用的R134a制冷剂不易抵消深色人种表皮中的黑色素对激光能量的大量吸收,采用沸点较低的R404a制冷剂能更有效防止表皮的热损伤。使用带膨胀腔的新型喷嘴搭建了瞬态喷雾冷却实验台,采用薄膜热电偶快速测温技术对R404a瞬态喷雾冷却表面传热特性进行了研究。结果表明,R404喷雾冷却表面传热具有时间和空间的不均匀性,然而在喷雾中心半径2 mm的中心区域内存在高热通量的均匀冷却区域。在实际激光皮肤临床手术中,参考实验结果可保证喷雾冷却对治疗范围内的表皮进行均匀冷保护。

表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

喷雾冷却在工业过程中应用广泛,制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率,需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响,搭建了瞬态喷雾冷却实验台,分别使用磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)、丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明,磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)热响应性能最佳,能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)属于间接测温,温度变化存在明显滞后,影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段,可为临床治疗提供理论指导。

激光手术喷雾冷却中R404a液滴的蒸发特性

制冷剂低温喷雾冷却是激光治疗葡萄酒色斑的主要辅助手段,可以有效保护表皮不受热损伤。目前采用的R134a制冷剂不易抵消深色人种皮肤的黑色素对激光能量的大量吸收,采用沸点更低的R404a制冷剂可以更好保护黄色与黑色人种的皮肤。针对单个液滴建立了蒸发过程的理论模型,水滴蒸发实验的预测结果与实验结果非常吻合,验证了模型的有效性。利用该模型比较了R404a液滴与R134a液滴的蒸发冷却效果,发现R404a液滴可以达到更低的温度。分析了不同初始直径和环境蒸气质量分数对R404a液滴蒸发特性的影响,所得结果对于黄色和黑色人种激光手术治疗鲜红斑痣的制冷剂喷雾手术有参考价值。

R134a闪蒸喷雾液滴动力学特征实验研究

闪蒸喷雾是典型的气液两相流动,在能源、化工、航天、医疗生物和食品生产等领域中应用非常广泛,对闪蒸喷雾形成的气液两相流中液滴粒径与速度的分布规律进行研究具有重要意义。本文搭建了闪蒸喷雾实验台,以R134a制冷剂为闪蒸喷雾工质,通过特定喷嘴形成闪蒸喷雾气液两相流。应用PDPA对闪蒸喷雾液滴直径和速度沿喷雾轴向方向和径向方向进行系统测量,拟合出了液滴轴向和径向无量纲速度沿径向无量纲距离变化的经验关联式。

1064nm激光照射下血管形态的动态变化

目前,治疗葡萄酒色斑(PWS)等血管性皮肤病主要使用激光疗法,但治疗过程中血管的损伤机理仍不清楚,深入研究激光照射过程中血管形态的动态变化规律具有重要意义。自制了鼠脊视窗,利用CCD相机以及显微镜可视化观测Nd:YAG(1064nm)激光照射后血管形态的动态变化,并连续观测血管直径随时间的动态变化规律。实验结果表明,在单脉冲较低能量激光照射下,血管随激光能量的增加持续膨胀,能量累积到一定值时,血管出现收缩。多脉冲激光照射血管时,血管出现膨胀、血液凝固以及血管收缩等现象。有关激光照射后血管形态动态变化的规律,为今后更好地使用近红外长波激光治疗PWS提供了参考。

R134制冷剂闪蒸瞬态喷雾和传热特性的实验研究

制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却是皮肤激光手术中的重要辅助手段,既能够提高激光能量改善治疗效果,又可以保护表皮正常组织不受激光热损伤。针对制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却过程中所涉及的喷雾动力学和复杂沸腾相变传热等学术难点问题,本文建立了制冷剂闪蒸喷雾冷却实验台,对R134a制冷剂闪蒸喷雾冷却的喷雾特性和表面传热特性进行实验研究,得到了制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却特定喷雾条件下的喷雾特性和表而传热特性,以期为皮肤激光临床手术提供定量的指导。

带膨胀腔喷嘴制冷剂R134a闪蒸喷雾可视化研究

闪蒸喷雾由于存在特殊的气泡爆裂使得其在较小压力下即能够实现较好的雾化效果。为了探索制冷剂R134a的闪蒸喷雾机理,本文利用高速摄像机对直管石英玻璃喷嘴内部流型以及不同膨胀腔喷嘴的外部喷雾特性进行了可视化观察及量化比较。发现随喷雾压力增大,制冷剂R134a在直管喷嘴内部表现出对称空化、非对称空化和类弹状空化等不同的空化流型,其中对称空化流型对应的雾化锥角基本相同。膨胀腔型喷嘴达到较小喷雾锥角所对应的膨胀腔长径比为1：2~2：1,最佳外部喷雾锥角稳定在70°左右。

激光与生物组织选择性光热效应的两温度模型

考虑激光皮肤手术过程中色基与非色基组织对激光能量的差别吸收及二者界面处的能量传递发展了一种新的两温度传热模型。将模型应用于色素性及血管性疾病的激光治疗热过程,研究了激光脉冲宽度的影响。结果表明:两温度模型可以清晰地展示生物体内的选择性光热作用。脉冲宽度对于选择性光热效应有着非常重要的影响,过长的脉冲宽度会使能量传播到色基以外而使色基无法得到有效地加热,甚至会引起非色基组织的热损伤。

喷雾冷却表面瞬态热流密度计算方法研究

瞬态喷雾冷却过程中,表面热流密度是衡量表面冷却效果的重要参数。本文以环氧树脂为冷却基体,分别采用直接与间接两种方式测量冷却表面瞬态温度,通过构建新的传递函数,将Green函数法成功拓展至半无限大多层平板导热反问题的热流密度计算。对比分析了Duhamel定理、顺序函数法(SFSM)与Green函数法在不同测温方法下计算表面瞬态热流密度的有效性与适用性,结果表明,在表面温度直接测量方式下,三种方法均能较准确计算出表面瞬态热流密度。在间接测温方式下,Duhamel法忽略了测点和表面之间材料的散热影响,因此无法准确计算出瞬态表面热流密度,SFSM在温度快速变化阶段计算结果有一定失真,而利用Green函数法求解表面热流密度最为准确。

水射流冷却过程中表面热流密度的预测

建立了由内部一点测量温度值,选取多个时间步长计算未知的表面热流密度与换热系数的导热反问题算法。该算法采用有限容积法离散方程,附加源项法处理边界条件。将该计算模型应用于求解浸没水射流冷却过程中表面热流密度,将计算温度值与实验测温值进行比较验证了算法的正确性。在此基础上分析了水射流冲击过程中薄钢片表面热流密度随表面温度与时间的变化特性。

基于流固耦合的脑动脉瘤非连续生长过程的数值模拟

研究血液动力学因素在脑动脉瘤生长过程中的变化规律,可为从临床上更深入地了解脑动脉瘤的成病机理提供帮助.本文在考虑血液与血管壁之间流固耦合作用的基础上,建立了脑动脉瘤的非连续生长模型,并应用大型通用有限元软件ANSYS与大型流体力学软件CFX相结合对所建立的上述生长模型进行了定常流动计算与分析,获得了瘤体生长过程的血液动力学因素的作用机制和变化规律,为分析和研究动脉瘤的生长、破裂提供了新的理论参考和研究思路.模拟结果表明:随着瘤体的生长,瘤体内逐渐形成涡流区,并且涡流区域逐渐扩大,强度逐渐变强;涡流形成时,血液在瘤壁下游发生了分流,分流点的位置随着生长过程的进行发生变化,而分流点两侧瘤壁承受相反方向的壁面剪切力;瘤壁内的Von Mises应力在初始阶段内,不断减小,在生长的后期,逐渐增大;在整个生长过程中Von Mises应力均呈现为在瘤颈部最大,顶部最小的分布规律;与此同时,瘤体在垂直于流动方向上的最大变形位置由起始的瘤顶处转移到瘤颈处,最后再回到瘤顶处.

三次多项式温度分布液相模型在液滴蒸发中的应用

三次多项式温度分布模型反映了液滴内部基于希尔球涡的实际流动,可以较为准确地预测单个液滴蒸发。鉴于三次多项式温度分布模型在预测单个液滴蒸发的准确高效性,本文以n-Decane油滴蒸发为例,采用三次多项式模型研究了通过改变初温和初始气流速度来改变初始雷诺数对液滴蒸发的影响,结果表明通过改变气流速度来改变雷诺数的情况,不同雷诺数下液滴蒸发率与内部温度分布存在较大差异;以n-Decane,n-Heptane和n-Dodecane三种不同黏度的油滴蒸发为例,对比了液滴黏度对蒸发的影响,发现不同黏度液滴的蒸发率与内部温度分布差异较大,黏度越小,蒸发率越快;在液滴蒸发的初始阶段,内部温度梯度较大。

一种新型液滴蒸发液相理论模型

喷雾过程中,液滴蒸发涉及液滴与周围环境的传热、传质以及动量交换,是影响喷雾效果的重要因素。本文针对单个液滴的蒸发过程,假设液滴内部温度符合三次多项式分布,建立了一种可反映液滴内部温度分布且计算简单高效的新型液滴蒸发液相模型。以Decane油滴蒸发为例,对比了集总参数液相模型、二次多项式温度分布液相模型与三次多项式温度液相模型对液滴蒸发率与温度分布的影响。结果表明,新的三次多项式模型能够较好地反映蒸发过程中涡流与导热对内部温度分布特性的影响,既可较好地预测液滴蒸发率,又能较准确地计算液滴蒸发初始阶段内部的温度分布。