CN102636327A

CN102636327A - 压电式超粒径过冷水滴发生方法及装置

Info

Publication number: CN102636327A
Application number: CN2012101039283A
Authority: CN
Inventors: 刘洪�; 李海星; 孔维梁; 颜思宏; 卫黎明; 郑覃; 卢吉承; 张辰; 李焱鑫
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: CN102636327B

Abstract

本发明提供了一种压电式超粒径过冷水滴发生方法及装置，所述装置包括水滴发生装置主体、补水器、压电片振动信号发生器及电源，水滴发生装置主体包括水滴发生器及翼形横梁，水滴发生器被包裹在翼形横梁中且包括平板式压电喷头、压电片、螺旋状热电阻管和热电阻片，平板式压电喷头具有相互连通的进水口、储水腔及喷口；其中补水器通过输水管与进水口相连通，压电片振动信号发生器通过压电片振动信号线与压电片相连接，电源通过电线分别与螺旋状热电阻管和热电阻片相连接；平板式压电喷头设置在压电片和热电阻片之间，而螺旋状热电阻管围绕输水管设置。本发明所提供的方法及装置能够在低温风洞中稳定产生所需粒径的水滴。

Description

压电式超粒径过冷水滴发生方法及装置

技术领域

本发明涉及航空航天领域的风洞结冰实验的方法及装置，特别是一种压电式超粒径过冷水滴发生方法及装置。

背景技术

飞机在空中遭遇的结冰现象是对飞机安全的一个重大威胁。飞机翼面上的积冰严重破坏机翼的气动外形，降低飞机的升阻比，导致发生许多异常飞行状态，严重者导致灾难性事故。目前，FAR25(Federal Aviation Regulation)附录C中对于结冰环境的规定中，将飞行环境的过冷水滴粒径严格规定在50μm以下，而真实的结冰环境中出现了超出FAR25部中规定的粒径的超粒径过冷水滴(SLD，Supercooled Large Droplet)的结冰环境，并导致了灾难性的飞行安全事故。因此，模拟飞机在SLD结冰环境中的结冰状况，对SLD的结冰机理进行研究是很有必要的。现阶段，主要通过风洞实验，模拟飞机在SLD结冰环境中的结冰状况，而模拟单滴SLD的结冰过程对研究SLD的结冰机理有重要意义。

近年来水滴发生技术广泛应用于在风洞中研究水滴碰撞飞溅、变形破碎以及模拟飞机结冰，使用的主要装置有常温单滴水滴发生装置，以及低温喷雾式水滴发生装置。这两种装置都有其不足之处，常温单滴水滴发生装置虽然可以稳定产生单滴水滴，但其在低温状况下由于容易结冰而无法正常工作，而低温喷雾式水滴发生装置虽然可以在低温下可正常工作，但其喷出水滴量多且粒径分布不确定，因而这两类水滴发生装置都无法用于研究SLD的结冰机理实验。为此，亟需发展一种既可以稳定产生所需粒径的单滴水滴，又能够在低温下正常工作的水滴发生方法与装置。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种压电式超粒径过冷水滴发生方法及装置，以在低温状况下实现正常工作，并稳定地产生所需粒径的单滴水滴。

本发明所提供的压电式超粒径过冷水滴发生装置包括水滴发生装置主体、补水器、压电片振动信号发生器及电源，所述水滴发生装置主体包括水滴发生器及翼形横梁，所述水滴发生器被包裹在翼形横梁中，且所述水滴发生器包括平板式压电喷头、压电片、螺旋状热电阻管和热电阻片，所述平板式压电喷头具有相互连通的进水口、储水腔及喷口；其中所述补水器通过输水管与所述平板式压电喷头的所述进水口相连通，所述压电片振动信号发生器通过压电片振动信号线与所述压电片相连接，所述电源通过电线分别与所述螺旋状热电阻管和所述热电阻片相连接；所述平板式压电喷头设置在所述压电片和所述热电阻片之间，而所述螺旋状热电阻管围绕所述输水管设置。

本发明所提供的压电式超粒径过冷水滴发生方法包括：通过输水管连接补水器与平板式压电喷头；将补水器中的水通过液压挤入平板式压电喷头的储水腔中，使得所述储水腔保持充满水但水不流通的状态；通过电线分别将电源与螺旋状热电阻管及热电阻片相连接，其中所述热电阻片贴附于所述平板式压电喷头的一侧表面，所述螺旋状热电阻管围绕所述输水管设置；向所述螺旋状热电阻管及所述热电阻片通电，以加热所述螺旋状热电阻管及所述热电阻片；通过压电片振动信号线将压电片振动信号发生器与压电片相连接，其中所述压电片贴附于所述平板式压电喷头的另一侧表面；以及利用所述压电片振动信号发生器向所述压电片发送振动信号，使得所述压电片根据所述振动信号发生形变，以将所述储水腔中的水挤出，产生超粒径过冷水滴。

本发明所提供的压电式超粒径过冷水滴发生方法及装置能够通过调节压电信号来控制所得水滴的粒径，并通过控制直流电源电压来控制热电阻的发热，进而控制系统产生的水滴的温度，从而能够在低温风洞中稳定产生所需粒径的水滴。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例中的压电式超粒径过冷水滴发生装置的示意图。

图2为图1中的水滴发生器的局部放大图。

图3为从图2中的水滴发生器上移除平板式压电喷头、压电片、压电片振动信号线和输水管后的局部放大图。

图4为图2中的平板式压电喷头的示意图。

图5为图2中的平板式压电喷头、压电片、压电片振动信号线和输水管组装后的局部放大图。

图6为图1中的带有水滴发生器的翼形横梁安装于风洞中的示意图。

具体实施方式

图1显示了本发明的较佳实施例中的压电式超粒径过冷水滴发生装置。压电式超粒径过冷水滴发生装置主要由水滴发生装置主体10、补水器20、压电片振动信号发生器30及电源40组成。补水器20用于向水滴发生装置主体10供水，压电片振动信号发生器30用于使水滴发生装置主体10产生超粒径过冷水滴，而电源40用于提供电力，以对水滴发生装置主体10进行加热保温，防止结冰。

如图1所示，水滴发生装置主体10包括水滴发生器110、翼形横梁120及支脚130。水滴发生器110被包裹在翼形横梁120的内部，支脚130固定于翼形横梁120的两旁，用于支撑翼形横梁120。补水器20包括支架21、固定夹22、储水器23及第一输水管24。储水器23安置在固定夹22中，固定夹22安装在支架21上，且可沿着支架21上下自由移动，以调节储水器23的高度位置。第一输水管24的一端与储水器23相连通，另一端与水滴发生器110相连通。

压电片振动信号发生器30与水滴发生器110相连接，通过与其相连的计算机输入振动信号而向水滴发生器110发出信号。电源40包括两个可调直流电源，皆与与水滴发生器110相连接。

请同时参考图2至图5，水滴发生器110包括平板式压电喷头111、压电片112、压电片振动信号线113、第二输水管114、电线115、螺旋状热电阻管116和热电阻片117。螺旋状热电阻管116围绕着压电片振动信号线113、第二输水管114及电线115设置。压电片振动信号线113、第二输水管114及电线115穿过螺旋状热电阻管116，分别连接至压电片112、平板式压电喷头111及热电阻片117。平板式压电喷头111具有相互连通的进水口1111、储水腔1112及喷口1113，第二输水管114与进水口1111相连通。压电片112黏贴在平板式压电喷头111的一侧表面上，而热电阻片117设置于平板式压电喷头111的另一侧表面。

请同时参考图1至图4，压电片振动信号发生器30通过压电片振动信号线113与压电片112相连接，从而能够向压电片112发送振动信号，以使压电片112发生形变。电源40的两个可调直流电源分别通过电线接通热电阻管116和热电阻片117，从而能够通过调节直流电源电压控制热电阻管116和热电阻片117发热。热电阻管116主要用于对第二输水管114进行加热保温，热电阻片117用于对平板式压电喷头111进行加热保温，由此控制水滴发生器110产生的水滴的温度。第一输水管24与第二输水管114相连接，以由储水器23向平板式压电喷头111供水。

如图6所示，在利用本装置在风洞中开展单滴水滴结冰实验时，需要将水滴发生装置主体10移除支脚130，将带有水滴发生器110的翼形横梁120整个固定在风洞50的入口处，而补水器20、压电片振动信号发生器30及电源40布置于风洞50外，便于操作和调节。

现将本发明所提供的压电式超粒径过冷水滴发生方法介绍如下。首先，通过调节补水器20的储水器23的高度，利用储水器23与平板式压电喷头111中水的液面高度差所产生的液压将水挤入储水腔1112中，使储水腔1112保持充满水但水不流通的状态。其次，向热电阻管116及热电阻片117通电，以加热热电阻管116及热电阻片117。最后，待温度稳定后，通过计算机控制压电片振动信号发生器30产生振动信号，使得压电片112根据振动信号发生形变，将储水腔1112中的水挤出，从而使得喷口1113产生水滴。

当然，还可以通过计算机调节压电片振动信号发生器30所产生信号的电压，以调节压电片的振动方式，从而改变产生的水滴的粒径大小。还可以调节直流电源电压，以控制与其相连的热电阻管116、热电阻片117的发热，进而控制水滴发生器110在不同风洞的环境温度下所产生的水滴的温度。

表1为在不同信号电压下，水滴发生器喷出的水滴所对应的粒径分布。从表1中，可以明显看出在80v电压时产生的水滴比40v电压时产生的水滴大，证明可以通过控制压电片的信号电压来控制产生的水滴的粒径。

表1

电压/(v)	40	50	60	70	80
						水滴直径/(mm)	0.663	0.724	0.786	0.814	0.896

表2为不同环境温度及不同热电阻电压条件下水滴发生器产生水滴的温度。从表2中可见水滴发生器在不同温度条件下，在改变热电阻压电的情况下，可以保证水滴发生器在不同环境温度下能够正常工作，且能控制产生的水滴的温度。

表2

热电阻管电压/v	7	7	7	9	11
						热电阻片电压/v	4	5	6	7	8
环境温度/℃	-8.5	-12.3	-16.4	-18.5	-20
						水滴喷口温度/℃	-1.2	-1.4	-1.1	-1.0	-1.2

在进行数据采集后，可关闭冰风洞，断开各信号线和电线，将带有水滴发生器110的翼形横梁120从风洞中取出。

综上所述，本发明所提供的压电式超粒径过冷水滴发生方法及其装置利用压电片的逆压电效应，在压电片上施加压电信号，使其产生变形并挤压压电喷头而喷出水滴，并且利用热电阻给水滴发生装置加热保温，从而防止压电喷头及输水管内水结冰，影响水滴正常喷出。因此，本发明所提供的压电式超粒径过冷水滴发生方法及其装置既可以稳定产生所需粒径的单滴水滴，又能够在低温下正常工作。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种压电式超粒径过冷水滴发生装置，其特征在于，包括水滴发生装置主体、补水器、压电片振动信号发生器及电源，所述水滴发生装置主体包括水滴发生器及翼形横梁，所述水滴发生器被包裹在所述翼形横梁中，且所述水滴发生器包括平板式压电喷头、压电片、螺旋状热电阻管和热电阻片，所述平板式压电喷头具有相互连通的进水口、储水腔及喷口；其中所述补水器通过输水管与所述平板式压电喷头的所述进水口相连通，所述压电片振动信号发生器通过压电片振动信号线与所述压电片相连接，所述电源通过电线分别与所述螺旋状热电阻管和所述热电阻片相连接；所述平板式压电喷头设置在所述压电片和所述热电阻片之间，而所述螺旋状热电阻管围绕所述输水管设置。

2.根据权利要求1所述的压电式超粒径过冷水滴发生装置，其特征在于，其中所述补水器包括支架、固定夹、储水器，所述储水器通过固定夹可移动地安装于所述支架上，所述输出管与所述储水器相连通。

3.根据权利要求1所述的压电式超粒径过冷水滴发生装置，其特征在于，其中所述螺旋状热电阻管还围绕着所述压电片振动信号线及所述电线。

4.根据权利要求1所述的压电式超粒径过冷水滴发生装置，其特征在于，其中所述压电片振动信号发生器与计算机相连接，所述计算机用于控制所述压电片振动信号发生器产生振动信号。

5.根据权利要求1所述的压电式超粒径过冷水滴发生装置，其特征在于，其中所述电源包括两个可调直流电源，分别与所述热电阻管和所述热电阻片相连接。

6.根据权利要求1所述的压电式超粒径过冷水滴发生装置，其特征在于，其中所述压电片和所述热电阻片分别紧贴于所述平板式压电喷头的两侧表面。

7.一种压电式超粒径过冷水滴发生方法，其特征在于，包括：

通过输水管连接补水器与平板式压电喷头；

将补水器中的水通过液压挤入平板式压电喷头的储水腔中，使得所述储水腔保持充满水但水不流通的状态；

通过电线分别将电源与螺旋状热电阻管及热电阻片相连接，其中所述热电阻片贴附于所述平板式压电喷头的一侧表面，所述螺旋状热电阻管围绕所述输水管设置；

向所述螺旋状热电阻管及所述热电阻片通电，以加热所述螺旋状热电阻管及所述热电阻片；

通过压电片振动信号线将压电片振动信号发生器与压电片相连接，其中所述压电片贴附于所述平板式压电喷头的另一侧表面；以及

利用所述压电片振动信号发生器向所述压电片发送振动信号，使得所述压电片根据所述振动信号发生形变，以将所述储水腔中的水挤出，产生超粒径过冷水滴。

8.根据权利要求7所述的压电式超粒径过冷水滴发生方法，其特征在于，还包括，调整所述补水器的储水器的高度位置，从而利用所述储水器中的水与所述储水腔中水的液面高度差产生的液压，将水挤入所述储水腔中。

9.根据权利要求7所述的压电式超粒径过冷水滴发生方法，其特征在于，还包括：通过计算机调节所述压电片振动信号发生器所产生的所述振动信号，以控制产生的所述水滴的粒径。

10.根据权利要求9所述的压电式超粒径过冷水滴发生方法，其特征在于，还包括：通过所述电源的直流电源电压调节所述螺旋状热电阻管及所述热电阻片的电压，以控制产生的所述水滴的温度。