[發明專利]一種高溫熔融微液滴碰撞裝置及方法

有效

• 申請號: 201710604244.4
• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN107389300B
• 公開（公告）日: 2019-03-26
• 發明（設計）人: 武冠杰;任全彬;胡穎;卓飛;胡馨博;朱小飛;胡春波
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發明公開了一種高溫熔融微液滴碰撞裝置及方法；利用高頻感應加熱器作為熱源，對雙腔石墨坩堝進行感應加熱，以熱傳導形式快速熔化雙腔石墨坩堝內的金屬形成金屬熔融液。采用氣壓驅動法，將兩個石墨腔內的金屬熔融液從其側端噴嘴射出；通過控制電磁閥和驅動氣壓生成兩個不同粒徑和速度的熔融液滴，通過改變噴嘴方向實現不同角度的液滴碰撞，整個碰撞過程采用高速攝影儀拍攝。熔融金屬液滴碰撞的粒徑、速度、角度、溫度和環境壓力均可調節；雙腔石墨坩堝結構簡單、加工方便，有利于分別控制液滴生成；采用感應加熱器和高壓氣瓶模擬固體火箭發動機內的高溫高壓環境，實現不同角度的液滴碰撞，降低了實驗成本，且裝置可重復使用。

技術領域

本發明涉及航天應用試驗技術領域，具體地說，涉及一種高溫熔融微液滴碰撞裝置及方法，用于研究高溫高壓環境下微小熔融金屬液滴之間的碰撞規律。

背景技術

在固體火箭發動機工作過程中，燃燒室內含鋁推進劑中鋁顆粒在高溫2800～3800K、高壓1～6MPa燃氣環境下，經熔化、蒸發及化學反應等過程，生成粒徑為0.2～500μm的Al/Al₂O₃熔融微液滴。固體火箭發動機內熔融液滴碰撞會發生聚合、分離和破碎等現象，而液滴的運動變化過程對燃燒室內的兩相流動狀態非常重要。以往的液滴碰撞實驗主要集中在常溫常壓下的非金屬液滴碰撞，而針對高溫高壓環境下的金屬熔融液滴碰撞實驗尚未見文獻報道。

目前，液滴噴射最常使用的裝置是壓電陶瓷液滴發生器。專利CN204870075U公開了“一種擠壓式壓電陶瓷致動的液滴噴射單元及噴射裝置”，該裝置利用壓電陶瓷擠壓收縮噴射液滴。但典型的壓電陶瓷居里點溫度通常為120℃～360℃，無法用于高溫熔融金屬液滴，如鋁、鎂的噴射。此外，還有采用氣壓驅動來生成液滴，例如，專利CN106092506A公開了“高速小液滴/壁面液膜斜碰撞試驗裝置”，該試驗裝置利用高壓氣體擠壓潤滑油生成液滴，但該試驗裝置也是在常溫常壓下進行，仍然不能實現高溫高壓下的金屬熔融液滴碰撞。

發明內容

為了避免現有技術存在的不足，本發明提出一種高溫熔融微液滴碰撞裝置及方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:高溫熔融微液滴碰撞裝置，其特征在于包括高壓氣瓶、計算機、電磁感應加熱器、真空泵、閉密容器、高速攝影儀、水冷式冷凝管、熱電偶、雙腔石墨坩堝，所述閉密容器為上下兩部份扣合連接的中空長方體，閉密容器連接法蘭部位裝有密封圈，閉密容器頂部中間有通孔，用于安裝雙腔石墨坩堝，閉密容器頂部位于中間通孔兩側分別連接有進氣手閥、第三壓力傳感器和排氣手閥，密閉容器側壁下部設有抽真空口與真空泵相連通，真空泵位于密閉容器旁側，高速攝影儀位于密閉容器另一側，且與密閉容器側壁上的透明窗相對；高壓氣瓶與閉密容器通過氣體管路連接，氣體管路上分別連接有密閉容器減壓閥、第一進氣電磁閥、第二進氣電磁閥、第二排氣電磁閥、第一排氣電磁閥，并通過計算機控制；高壓氣瓶供氣作為生成金屬熔融液滴的驅動氣和用于模擬液滴碰撞的環境壓強；第二壓力傳感器、第一壓力傳感器、第三壓力傳感器、熱電偶和高速攝影儀的數據和信號傳輸至計算機；

所述雙腔石墨坩堝通過坩堝安裝支架固定在密閉容器內頂部通孔處，坩堝蓋板位于密閉容器上部，坩堝安裝支架與坩堝蓋板通過緊固螺栓固連，且坩堝蓋板與密閉容器上部通孔處加裝石墨密封圈；熱電偶位于雙腔石墨坩堝的上部；感應加熱器銅管嵌套在雙腔石墨坩堝外部并與電磁感應加熱器連接，感應加熱器銅管與密閉容器采用耐高溫膠密封，電磁感應加熱器通過感應加熱器銅管對石墨坩堝加熱，同時控制水冷式冷凝管循環冷卻；

所述雙腔石墨坩堝底部為兩個半圓腔結構，相對的側壁上依石墨坩堝中軸線等半徑分別設有噴嘴，且兩個噴嘴軸線位于同一水平面，對應角度可調。

一種采用所述的高溫熔融微液滴碰撞裝置進行熔融微液滴碰撞的方法，其特征在于包括以下步驟:

步驟1.稱重兩塊同質量的高熔點金屬，分別放入雙腔石墨坩堝的腔室內，并通過坩堝安裝支架和螺栓將雙腔石墨坩堝固定在密閉容器內頂部；