[發明專利]低溫液滴撞擊剛性壁面實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 201910038829.3
• 申請日: 2019-01-16
• 公開（公告）號: CN109668714A
• 公開（公告）日: 2019-04-23
• 發明（設計）人: 趙可;秦靜;蔣彥龍;余陽梓;張振豪
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G01N15/00;G09B25/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

本發明提供低溫液滴撞擊剛性壁面實驗裝置及方法，所述實驗裝置包括液氮供液系統、撞擊腔系統、低溫液滴發生器、可視化和數據采集系統；所述液氮供液系統包括液氮管路和排空旁路，所述撞擊腔系統外殼由絕熱層和預冷通道構成，并與真空泵、壓力傳感器、溫度傳感器連接，內部包含高度可調的剛性被撞擊壁面、標尺、低溫液滴發生器，所述可視化和數據采集系統包含數據采集器、光源和高速攝像機。本發明利用液氮迅速蒸發的低溫蒸氣經過預冷通道對撞擊腔內部預冷，實現液氮的多級利用；通過調整液氮供液壓力、90°彎管管徑大小以及剛性被撞擊壁面高度改變液滴直徑和撞擊速度的大小，利用高速攝像機捕捉液滴撞擊過程。

技術領域

本發明涉及低溫液滴撞擊剛性壁面實驗裝置，本發明還涉及該裝置的操作方法，具有絕熱性能優越、低溫液滴直徑和速度可控、撞擊過程可視化等特點。

背景技術

目前，噴霧冷卻為極具潛力的高效冷卻方式，其過程涉及單液滴撞擊壁面、液滴與液滴及液滴與液膜之間相互作用，屬于復雜的多相流問題，這就需要在簡化的流動幾何條件下對其流體動力學進行基礎研究。盡管噴霧冷卻并不能表達為單個液滴撞擊壁面的機械相加，但是單液滴撞擊剛性壁面已被廣泛地用于描述噴霧沖擊的過程并預測其結果。

單液滴撞擊剛性壁面的動力學及熱力學實驗研究多以水、乙醇溶液、柴油、丁烷等常溫介質為主，通過注射器產生小液滴；由于液氮等低溫工質在常壓下沸點較低，采用上述傳統方式產生低溫液滴在注射器針孔底部立即蒸發完全，無法形成穩定液滴，導致采用傳統實驗裝置無法開展低溫液滴撞擊剛性壁面的實驗研究。

發明內容

本發明目的在于解決傳統實驗裝置難以開展低溫液滴撞擊剛性壁面的實驗研究的問題，提供低溫液滴撞擊剛性壁面實驗裝置，便于開展低溫液滴撞擊剛性壁面的動力學及熱力學特性的基礎性研究，具有撞擊腔絕熱性能優異、低溫液滴直徑和速度可控、撞擊過程可視化等特點。

該實驗裝置包括撞擊腔；撞擊腔外層由內向外依次設置預冷通道、真空層、保溫層；所述預冷通道內壁設置有使撞擊腔和預冷通道相通的入口，預冷通道外壁設置有出口，出口通過管道依次穿過真空層、保溫層與外部真空泵連接；

上述撞擊腔內安裝有柱形液氮容器、90°彎管和剛性被撞擊面；所述柱形液氮容器和90°彎管構成低溫液滴發生器；90°彎管的水平管部分嵌入柱形液氮容器的側壁；90°彎管的豎直管部分位于撞擊腔水平方向中心，剛性被撞擊面位于其正下方；撞擊腔內部還安裝有溫度傳感器、壓力傳感器、標尺、光源、高速攝像機和數據采集器；數據采集器與溫度傳感器和壓力傳感器以及高速攝像機連接；

該實驗裝置還包括高壓氮氣瓶；高壓氮氣瓶出口通過減壓閥、壓力傳感器后分別連接排空旁路和液氮管路兩個支路；兩個支路合并后與液氮池連接；所述排空旁路上設置截止閥，所述液氮管路上依次設置截止閥、液氮杜瓦罐、低溫電磁閥；所述液氮池出口經過流量計后連接上述撞擊腔內部的柱形液氮容器；所述流量計與柱形液氮容器之間的管道依次穿過保溫層、真空層、預冷通道；上述液氮杜瓦罐頂部接有泄壓閥和壓力傳感器。

本發明還涉及低溫液滴撞擊剛性壁面實驗裝置的使用方法，該方法步驟如下：

在實驗開始前，除泄壓閥之外所有閥門均處于關閉狀態。

步驟一，首先開啟光源和高速攝像機，調整撞擊腔內90°彎管下端距剛性被撞擊面的距離，固定高度，依次打開減壓閥和排空旁路的截止閥，使氮氣依次通過排空旁路、液氮池、流量計、柱形液氮容器、90°彎管進入撞擊腔內部，從而排除撞擊腔內的空氣；

步驟二，啟動真空泵，維持撞擊腔內壓力在1 MPa附近，持續排空過程至撞擊腔內空氣完全置換成氮氣；

步驟三，關閉排空旁路的截止閥，開啟液氮管路的截止閥和低溫電磁閥，使液氮杜瓦罐內的液氮在高壓氮氣的作用下排入液氮管路，液氮先經過液氮池預冷至78 K附近，通過流量計測量液氮進入低溫液滴發生器時的體積流率，記錄體積流率；