[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

本發明公開的一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置，屬于液滴撞壁實驗技術領域。本發明通過氣流控制部分中的加壓室、導流模塊及加速管道配合并采用多種可靠措施能夠保證實現液滴穩定、可控地撞擊到實驗板的固定位置，保證實驗精度；加速氣體同時充當保護氣體，防止實驗板結露或結霜，提升實驗效率和經濟性；氣體加速和保護部分僅將針頭、冷壁面封閉，減小占用空間和泄漏幾率，降低實驗成本，同時提升安全性；調節氣體流量和壓力對液滴撞擊的無量綱韋伯數進行寬范圍地調節，實現韋伯數方便迅速地改變。本發明具有撞壁參數調節便捷、裝置結構緊湊、實驗成本低、安全性高、實驗精度和實驗效率高的優點，還能夠實現氣體高效循環重復回收利用。

技術領域

本發明涉及一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置，屬于液滴撞壁實驗技術領域。

背景技術

液滴撞擊壁面現象廣泛存在于生產生活當中，諸如噴霧冷卻、火災防控、油墨印刷、內燃機缸內燃燒等領域都有相關應用。之前研究得出了液滴撞擊過程中的諸如反彈、破碎、射流等經典現象，但是由于液滴撞擊過程是一個復雜的傳熱傳質過程，甚至還將涉及蒸發、沸騰、凝固等相變過程，使得對于該現象的完全理解還存在很多困難。其中液滴撞擊冷壁面問題存在于多個領域中，諸如航空航天領域過冷大氣水滴撞擊航空航天器表面的現象，低溫制冷領域液滴在表冷器上的結冰現象，發動機極寒工況啟動油滴撞擊活塞表面現象等。而該類問題的研究則極度依賴于成熟穩定的液滴撞壁實驗裝置。

現有針對于液滴撞擊壁面的實驗裝置，一般是針對于液滴靠自身重力下落撞擊在壁面上，同時壁面多針對于常溫或加熱壁面開展。針對于高速液滴撞擊冷壁面的實驗裝置主要存在兩方面的問題：首先，液滴多依靠自身重力下落，撞擊速度的提升則需要增加液滴發生裝置的高度。但該方法的經濟性和實效性較差，并且占用大量空間且調節復雜、適用性較差；其次，冷壁表面溫度多低于當地空氣的露點溫度或結霜溫度，這將導致壁面出現較嚴重的結露或結霜現象，影響實驗進行的嚴謹性和有效性。對比以往類似的實驗裝置還發現存在氣體利用率低、裝置占據空間大及經濟性差等問題。

發明內容

針對現有液滴撞壁實驗裝置在液滴加速、結露(霜)防止、加速氣體回收及經濟性差等相關方面的不足，本發明主要目的是提供一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置，具有撞壁參數調節便捷、裝置結構緊湊、實驗成本低、安全性高、實驗精度高和實驗效率高的優點，還能夠實現氣體高效循環重復回收利用。

所述低溫壁面指壁面溫度在室溫以下，本發明中壁面溫度能夠在室溫～-50℃內連續變化。

本發明的目的通過下述技術方案實現：

本發明公開的一種氣體加速液滴撞擊低溫壁面實驗裝置，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。