CN104729792A - 一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置，属于流体力学领域。本发明采用了液滴和传感器两部分的加速系统、可测量多角度冲击载荷的传感器，通过将液滴和传感器分别加速以及改变碰撞固壁倾角，可测量冲击速度100m/s以内单个液滴以不同冲击角度冲击固壁所产生的正压力与切向力，对实际风驱雨问题具有更好的适用性。所述测量装置具有液滴冲击速度较高、可测量多向冲击载荷的优势，在航空安全、适航认证、高速列车安全性、高层建筑等领域有重要意义。

Description

一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置

技术领域

本发明属于流体力学领域，具体涉及一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置。

背景技术

液-固两相流问题广泛存在于工业、建筑、交通运输、环境等领域，其中液滴冲击现象常见于风驱雨、喷涂等问题中。了解液滴冲击载荷大小，对分析雨滴对建筑物外墙的侵蚀、水土流失、暴风雨中高速列车运行安全等问题具有重要意义。

雨滴下落过程中，受到重力、浮力和空气阻力作用，呈现出底部较平、上部较圆的形状。液滴撞击固体表面的过程可以分为以下几个阶段:第一阶段是初始碰撞阶段，液滴由下落时的球形变成一个附着在固体表面的圆盘；第二阶段是液滴铺展阶段，液滴圆盘沿固体表面进行铺展直到最大直径；第三阶段是液滴达到其最大铺展直径后回缩至最后直径。液滴冲击固壁产生的载荷与液滴形状、冲击速度、冲击角度、液体粘性、液体密度、表面张力等因素有关。

目前，对冲击壁面过程中液滴形状变化已有较多实验和数值模拟研究，但较少测量该过程中的冲击载荷大小。已有液滴冲击载荷的实验研究可分为低速和高速两类。低速撞击实验令液滴自由下落，最终以较低速度(<15m/s)撞击固体表面。高速撞击实验则采用高速射流冲击固体的方式，可获得速度达300m/s甚至更高的冲击条件。然而，对实际环境中面临的风驱雨问题，如建筑、高速列车等，通常雨滴撞击速度在25～100m/s左右。对该范围的液滴冲击载荷仍缺乏测量结果。另外，液滴斜向冲击固壁时不但会产生正压力同时会产生切向力，而目前的载荷测量中尚未考虑冲击角度的影响。

发明内容

本发明旨在提供一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置，所述测量装置采用了液滴和传感器两部分的加速系统、可变倾角的多方位力传感器，通过将液滴和传感器分别加速以及改变传感器倾角，可测量冲击速度100m/s以内单个液滴以不同冲击角度冲击固壁所产生的载荷，具有液滴速度较高、可测量多向冲击载荷的优势，在航空安全、适航认证、高速列车安全性、高层建筑等领域有重要意义。

所述的测量装置包括底座、支架、横杆、液滴枪、传感器系统、传感器加速系统和光电测量系统，所述支架有两个，支架底端固定在底座上，两个支架顶端分别连接横杆的两端，横杆上设置液滴枪，液滴枪用于提供加速液滴；光电测量系统设置在两个支架上，并分为两组，一组靠近液滴枪出口，用于测量液滴出射时间以启动传感器加速系统，另一组位于碰撞位置附近，用于测量碰撞时液滴的速度；传感器系统和传感器加速系统设置在底座上的密闭筒内。

所述的液滴枪包括移液枪、压杆A、电磁铁、弹簧A和注射器，所述移液枪用于储存液体，实验开始时，通过橡皮管连接注射器上的入液管相连，量取液体后移开移液枪并将入液管密封，所述入液管位置靠近注射器末端；注射器的尾柄与压杆A的底端固定连接后装在套筒A内；所述套筒A顶部固定连接在横杆上，压杆A的顶端穿过横杆上的中心孔，并可以沿中心孔轴线上下运动，用于控制尾柄在套筒A中的位置高度；压杆A的底端为圆盘结构与尾柄固定连接，并与套筒A的内径配合密封。所述压杆A的底端圆盘结构的上表面与横杆的下表面之间设置弹簧A，初始状态时，弹簧A处于压缩状态；电磁铁置于横杆之上并靠近压杆A，用于吸附固定压杆A，并在弹簧A压缩状态下保持压杆A的初始位置。

所述的传感器加速系统包括弹簧B、压杆B、油槽、套筒B、冲击盘、卡盘和平台，所述套筒B置于所述油槽中间，与油槽形成连通器；所述压杆B末端具有活塞结构，活塞结构刚好密封在所述油槽的油压面S2上；所述压杆B顶端穿过冲击盘和密封筒的上壁，并与冲击盘之间固定连接，与密封筒的上壁之间通过卡盘连接；所述套筒B内设置平台，传感器系统置于平台上，平台在套筒B内由于套筒B内油压面S1的上升和下降而随之上下运动；所述弹簧B两端分别压在密封筒上壁和冲击盘上表面；所述冲击盘上贯穿有压杆B。

本发明提供的一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置，其优点在于：

(1)可测量冲击速度范围在100m/s以内液滴对固壁的冲击载荷，对实际风驱雨问题具有更好的适用性。

(2)可测量不同冲击角度下液滴冲击产生的正压力与切向力。

附图说明

图1为本发明的测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明的测量装置的剖面结构示意图；

图3为本发明的测量装置中液滴枪的结构示意图；

图4为本发明的测量装置中采用的传感器加速系统示意图。

图中：

1.底座；      2.支架；      3.横杆；      4.液滴枪；      5.传感器系统；

6.传感器加速系统；          7.测量系统；  8.密闭筒；      401.移液枪；

402.压杆A；   403.电磁铁；  404.弹簧A；   405.注射器；    406.橡皮管；

407.尾柄；    408.套筒A；   409.入液管；  601.弹簧B；     602.压杆B；

603.油槽；    604.套筒B；  605.冲击盘；  606.卡盘；    607.平台；

701.第一对光电开关；       702.三对光电开关；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置，如图1和图2所示，所述的测量装置包括底座1、支架2、横杆3、液滴枪4、传感器系统5、传感器加速系统6和光电测量系统7，所述支架2有两个，支架2底端固定在底座1上，支架2顶端连接横杆3的两端，横杆3上设置液滴枪4，液滴枪4用于提供加速液滴；光电测量系统7设置在两个支架2上，并分为两组，一组靠近液滴枪出口，用于测量液滴出射时间以启动传感器加速系统，另一组位于碰撞位置附近，用于测量碰撞时液滴的速度。传感器系统5和传感器加速系统6设置在底座1上的密闭筒8内。所述横杆3可以沿支架2上下滑动，所述液滴枪4可以沿横杆3滑动。

本发明提供的测量装置，其工作原理为：液滴枪4精确地量取一滴液滴，同时利用压缩空气将液滴可控地加速至20m/s以内并释放；传感器加速系统6将传感器系统5可控地加速至所需速度(≤80m/s)；传感器系统5用于测量液滴冲击的瞬时载荷以及测量液滴以不同冲击角度冲击固壁时产生的载荷，冲击角度可通过调整传感器系统中的固壁倾角而改变。

如图3所示，所述液滴枪4用于准确地量取并提供加速液滴。所述的液滴枪4包括移液枪401、压杆A402、电磁铁403、弹簧A404和注射器405，所述移液枪401用于储存液体，实验开始时，通过橡皮管406连接注射器405上的入液管409，量取适量液体后移开移液枪401并将入液管409密封，所述入液管409位置靠近注射器6末端。注射器405的尾柄407与压杆A402的底端固定连接后装在套筒A408内。所述套筒A408顶部固定连接在横杆3上，压杆A402的顶端穿过横杆3上的中心孔，并可以沿中心孔轴线上下运动，用于控制尾柄407在套筒A408中的位置高度。压杆A402的底端为圆盘结构与尾柄407固定连接，并与套筒A408的内径配合密封。所述压杆A402的底端圆盘结构的上表面与横杆2的下表面之间设置弹簧A404，初始状态时，弹簧A404处于压缩状态。电磁铁403置于横杆3之上并靠近压杆A402，用于吸附固定压杆A402，并在弹簧A404压缩状态下保持压杆A402的初始位置。所述液滴枪4的工作原理为：从移液枪401里精确取得一定量的液体并注入注射器405末端，通过对弹簧A404进行一定量的压缩来获得所需加速能量。测量开始前，先将弹簧A404压缩至所需位置，并用电磁铁403吸附固定压杆A402保持弹簧A404的位置；测量开始时，释放电磁铁403，弹簧A404释放弹力并推动压杆A402的末端圆盘向下运动，带动尾柄407向下运动，压缩注射器405内空气，使液滴从注射器405末端加速射出。

传感器加速系统6，如图4所示，包括弹簧B601、压杆B602、油槽603、套筒B604、冲击盘605、卡盘606和平台607，所述套筒B604置于所述油槽603中间，与油槽603形成连通器。所述压杆B602末端具有活塞结构，活塞结构刚好密封在所述油槽603的油压面S2上。所述压杆B602顶端穿过冲击盘605和密封筒8的上壁，并与冲击盘605之间固定连接，与密封筒8的上壁之间通过卡盘606连接。所述套筒B604内设置平台607，传感器系统5置于平台607上，平台607在套筒B604内由于套筒B604内油压面S1的上升和下降而随之上下运动。所述弹簧B601两端分别压在密封筒8上壁和冲击盘605上表面。所述冲击盘605上贯穿有四个以上压杆B602，优选四个。所述弹簧B601的数量为四个以上，优选四个大刚度弹簧，大刚度弹簧劲度系数不小于26.2N/mm。所述传感器加速系统6的工作原理为：测量开始前先将四个大刚度弹簧B601进行一定量的压缩，并用卡盘606夹紧固定压杆B602；实验开始后，松开卡盘606，弹簧B601伸长并通过冲击盘605带动压杆B602末端的活塞冲击下方的油槽603的油压面S2，根据连通器原理，位于套筒B604内的传感器系统5将在平台607上升的同时以更高的速度出射。所述油压面S2的截面积大于油压面S1的截面积，优选二者的面积比为8:1。

传感器系统5主要由固壁、应变片、动态应变测量仪、计算机、接线、倾角调整装置构成，其中固壁采用铝材料，以减小质量，同时增大应变。在固壁侧面布置应变片，以测量液滴冲击固壁顶面时产生的正应力和切应力，进而获得液滴对固壁顶面的冲击载荷。动态应变测量仪通过接线连接在应变片和计算机之间，选择采集频率在1M以上的高速数据采集卡对应变片的应变数据采集，并发送给计算机，可保证应力测量的时间精度。倾角调整装置用以调整固壁顶面的倾角，所述倾角可以在0度～90度之间调整，以获得液滴以不同角度冲击固壁顶面的冲击载荷。所述的倾角调整装置可以是现有技术中的任何可以实现固壁顶面倾角变化的装置。

所述的支架2要保证整套测量装置有足够的强度刚度并满足基本的使用要求。所述底座1为平板结构，两个支架2底端竖直固定在底座1上，两个支架2顶端设置横杆3。所述横杆3可以沿支架2纵向上下移动，液滴枪4可以在横杆3上左右滑动，用于调整液滴枪4与传感器系统5之间的相对位置，这样就保证了液滴枪4射出的液滴可以撞击到传感器系统5的固壁上。

所述的光电测量系统7如图1和图2所示，由四对光电开关构成，并分为两组，所述的光电开关均与计算机相连，并且均固定在所述支架2。第一组有一对光电开关701的固定高度与注射器405的末端高度相同，负责捕捉液滴射出的时间以启动传感器加速系统6，另一组有三对光电开关702固定高度位置位于液滴撞击固壁前的区域，用以测量液滴与固壁的碰撞时的液滴速度。由于液滴撞击时间极短，且相邻两对光电开关的间距很小，因此可通过三对光电开关702的平均速度代替冲击速度。

Claims (7)

1.一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括底座、支架、横杆、液滴枪、传感器系统、传感器加速系统和光电测量系统，所述支架有两个，支架底端固定在底座上，两个支架顶端分别连接横杆的两端，横杆上设置液滴枪，液滴枪用于提供加速液滴；光电测量系统设置在两个支架上，并分为两组，一组靠近液滴枪出口，用于测量液滴出射时间以启动传感器加速系统，另一组位于碰撞位置附近，用于测量碰撞时液滴的速度；传感器系统和传感器加速系统设置在底座上的密闭筒内。

2.根据权利要求1所述的一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置，其特征在于：所述横杆可以沿支架上下滑动，所述液滴枪可以沿横杆滑动。

3.根据权利要求1所述的一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置，其特征在于：所述的液滴枪包括移液枪、压杆A、电磁铁、弹簧A和注射器，所述移液枪用于储存液体，实验开始时，通过橡皮管连接注射器上的入液管相连，量取液体后移开移液枪并将入液管密封，所述入液管位置靠近注射器末端；注射器的尾柄与压杆A的底端固定连接后装在套筒A内；所述套筒A顶部固定连接在横杆上，压杆A的顶端穿过横杆上的中心孔，并可以沿中心孔轴线上下运动，用于控制尾柄在套筒A中的位置高度；压杆A的底端为圆盘结构与尾柄固定连接，并与套筒A的内径配合密封。所述压杆A的底端圆盘结构的上表面与横杆的下表面之间设置弹簧A，初始状态时，弹簧A处于压缩状态；电磁铁置于横杆之上并靠近压杆A，用于吸附固定压杆A，并在弹簧A压缩状态下保持压杆A的初始位置。

4.根据权利要求1所述的一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置，其特征在于：所述的传感器加速系统包括弹簧B、压杆B、油槽、套筒B、冲击盘、卡盘和平台，所述套筒B置于所述油槽中间，与油槽形成连通器；所述压杆B末端具有活塞结构，活塞结构刚好密封在所述油槽的油压面S2上；所述压杆B顶端穿过冲击盘和密封筒的上壁，并与冲击盘之间固定连接，与密封筒的上壁之间通过卡盘连接；所述套筒B内设置平台，传感器系统置于平台上，平台在套筒B内由于套筒B内油压面S1的上升和下降而随之上下运动；所述弹簧B两端分别压在密封筒上壁和冲击盘上表面；所述冲击盘上贯穿有压杆B。

5.根据权利要求4所述的一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置，其特征在于：所述油压面S2的截面积大于油压面S1的截面积，二者的面积比为8:1；所述弹簧B劲度系数不小于26.2N/mm。

6.根据权利要求1所述的一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置，其特征在于：传感器系统由固壁、应变片、动态应变测量仪、计算机、接线、倾角调整装置构成，在固壁侧面布置应变片，以测量液滴冲击固壁顶面时产生的正应力和切应力，进而获得液滴对固壁顶面的冲击载荷；动态应变测量仪通过接线连接在应变片和计算机之间，选择采集频率在1M以上的高速数据采集卡对应变片的应变数据采集，并发送给计算机；倾角调整装置用以调整固壁顶面的倾角，所述倾角在0度～90度之间调整。

7.根据权利要求1所述的一种液滴高速多向冲击载荷的测量装置，其特征在于：所述的光电测量系统由四对光电开关构成，所述的光电开关均与计算机相连，并且均固定在所述支架；第一对光电开关的固定高度与注射器的末端高度相同，负责捕捉液滴射出的时间以启动传感器加速系统另外三对光电开关固定高度位置位于液滴撞击固壁前的区域，用以测量液滴与固壁的碰撞速度。