[發明專利]一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置

在審

• 申請號: 202210247511.8
• 申請日: 2022-03-14
• 公開（公告）號: CN114577441A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 靳爽;原彥鵬;張衛正;郭鎮瑤;曹子聰;顏杰;金兼帥
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G01D21/02;G01C11/00
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置，其特征在于：包括氣體回收加壓部分、氣流控制部分、液滴發生裝置、冷壁調節部分和可視化觀測部分；

所述氣體回收加壓部分，包括常壓氣體罐、壓縮機、帶壓儲氣罐、調壓閥、流量控制器和球閥壓力表；常壓氣體罐的兩個進氣口分別與靜壓室和大氣環境相連，出氣口與壓縮機進氣口相連接，其中的常壓氣體經由壓縮機吸氣管道進入壓縮機，壓縮后產生6～7bar高壓氣體經由布置有球閥、粗過濾器的管道進入帶壓儲氣罐中存儲；為保障安全可靠運行，儲氣罐上設置有壓力表和排空閥；壓縮氣體經由壓力調節閥調節壓力后經由精過濾器進一步消除壓縮氣體中的水汽，經球閥和流量控制器進入加壓室中；

所述氣流控制部分，主要作用是對加壓氣體產生的加速氣流進行規整，消除紊流、提升加速效率；所述氣流控制部分包括加壓室、導流模塊、加速管道和靜壓室；壓縮空氣進入加壓室中短暫停留，降速增壓后流動急劇減弱，避免影響液滴穩定產生，通過導流模塊將氣流進行規整，消除湍流后帶動針頭產生的液滴在加速管道內加速下落，快速且穩定撞擊在測試實驗板上；由于整體管道內的馬赫數Ma＜0.3，此時加速氣體流動過程近似視為不可壓縮流動，參照經驗公式進行流量與撞壁速度的關聯調節；加速后的氣體充當低溫壁面實驗裝置的保護氣，保持實驗板清潔，防止因結霜或結露造成的實驗失效，提升實驗效率和經濟性；

所述液滴發生裝置用于重復且穩定的產生實驗液滴，包括精密步進電機、針筒、導液管及可更換針頭和控制器高精度步進電機通過在接到控制器發出的電信號后開始運動，推動針筒活塞位移，導管中的工質在壓力作用下從導管末端的針頭排出，在氣液表面張力及重力等綜合作用下滴落；實現液滴在氣流帶動下撞擊至實驗壁面的過程。

2.如權利要求1所述的一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置，其特征在于：所述冷壁調節部分，主要由溫度控制器、供電電源、散熱器、精密調節臺、半導體制冷片及實驗板組成；所述冷壁調節部分在接通供電電源后，通過溫度控制器將溫度在室溫到-50℃范圍內進行調節設置，半導體制冷片冷端與實驗板通過復合硅脂粘接，導熱降溫；熱端與散熱器通過管道連接，經由其內部的工質流動完成散熱；通過精密調節臺精確調節液滴撞壁位置，進一步提高實驗精度。

3.如權利要求2所述的一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置，其特征在于：所述可視化觀測部分，用于觀察液滴撞擊過程中的形態變化，并用于對其進行可視化分析；所述可視化觀測部分主要由計算機、高速攝像機、均光板及高功率光源組成；所述可視化觀測部分采用背向光、前向光或同軸光法布置光路，散光片能夠將高強度點光源均勻散射為面光源；實驗開始后液滴經過固定于加壓室中的對置光電門時觸發拍攝電信號，計算機收到后發出延遲信號至高速攝像機，高速相機對液滴撞壁現象進行拍攝并回傳至計算機中進行存儲。

4.如權利要求3所述的一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置，其特征在于：所述氣流控制部分還包括壓力表組件，溫、濕度感應探頭，溫濕度檢測儀，用于監視和控制加壓室內的空氣壓力、濕度和溫度，從而防止結霜與結露現象，通常在保證空間內相對濕度低于5％后開始后續實驗過程。

5.如權利要求4所述的一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置，其特征在于：加壓室出口與導流室進口，導流室進口與加速管道進口，加速管道進口與靜壓室入口同軸連接；導流室中添加六邊形導流管組，且導流管粗細程度不一，位于中間處開口為5mm，保證液滴的順利通過；其他部分的導流管開口較小，最終保證加速管道內氣體保持層流流動。

6.如權利要求5所述的一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置，其特征在于：靜壓室內設置有穩流板，穩流板與靜壓室上邊沿平行，距離s為25～30mm，起到緩沖作用，降低靜壓室中空氣的橫向流動，消除液滴在靜壓室中的偏移，從而有效提升實驗效率。

7.如權利要求1、2、3、4、5或6所述的一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置，其特征在于：工作方法為，氣體回收加壓部分中的壓縮機從常壓氣體罐中抽氣、加壓，壓縮氣體經過初步干燥后進入帶壓儲氣罐中備用；在壓縮氣體進入所述氣流控制部分前再次經過充分干燥，實現氣體高效重復回收利用；氣體回收加壓部分中輸氣管道上布置有流量控制器，能夠快速大幅度改變進入加壓室的氣體流量，對撞壁韋伯數進行寬范圍調節；壓縮氣體進入加壓室后壓力增加、流動大幅減弱，避免壓縮氣體影響液滴發生裝置工作，使撞壁液滴生成更加穩定、可靠，增加撞壁實驗成功率；實驗開始前，氣體首先完成多次循環，直至靜壓室中相對濕度降低至預設濕度閾值后啟動半導體制冷片和液滴發生裝置；液滴產生后隨氣體進入導流模塊中，液滴由于導流模塊作用穩定下落，流動氣體進入導流管組中，導流管組在保證通過性的同時，消除流動氣體紊流，提升加速效率和穩定性；液滴在加速管道中通過層流氣體加速后進入靜壓室中，氣體在穩流板的作用下降壓、降速，避免再次形成紊流影響撞壁過程，保證實驗精度；完成加速作用的干燥氣體降速減壓后充當密封氣體保證實驗板表面的清潔，在提高實驗效率同時良好避免結霜或結露造成的實驗失敗，同時氣體加速和保護部分僅將針頭、冷壁面封閉，有效縮小需密封實驗部分的體積，減小泄漏幾率和占用空間，降低實驗成本；氣體回收加壓部分能夠將靜壓室氣體抽回至常壓氣體罐中，通過回收氣體避免加速或密封氣體散逸而引起的安全問題，無需額外的通風換氣措施，保障操作人員人身安全；冷壁調節部分，通過半導體制冷片降溫實現室溫～-50℃的連續變化，結合實驗板的替換可實現表冷器表面、發動機零部件寒區啟動表面情況的模擬，配合精密調節臺，實現撞擊位置的調節，進一步保證實驗精度；可視化部分用于記錄高速的撞壁過程，當液滴在加壓室中生成后穿過布于其中的對置光電門，光電門收到信號后傳遞給電腦，從而觸發已布置好光路的高速攝像機開始記錄并回傳數據；為后續的數據提取與分析打下基礎，也方便針對現有實驗方法進行持續改進、優化。