CN105890861B

CN105890861B - 一种多功能水滴发生器

Info

Publication number: CN105890861B
Application number: CN201610204796.1A
Authority: CN
Inventors: 刘森云; 朱春玲; 杜骞; 刘宇; 赵伟伟
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2018-11-27
Anticipated expiration: 2036-04-05
Also published as: CN105890861A

Abstract

本发明公开了一种多功能水滴发生器，包括腔体、孔口盘、环形压电陶瓷、盖板和密封圈，腔体为圆柱形空心壳体，设有进水口，上端面封闭，内部设有腔体内腔，底面设有圆形的第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽用于安装一侧粘固有环形压电陶瓷的孔口盘，粘固有环形压电陶瓷的孔口盘上下两侧还分别设有密封圈，其中，粘固有环形压电陶瓷的一侧被设置为朝向腔体外侧；第二凹槽用于安装圆形的盖板，盖板上设有盖板中心通孔和围绕盖板中心通孔的环形凸台；盖板将叠置的密封圈、孔口盘、环形压电陶瓷压紧固定于腔体的底面。该发明工作稳定性好，生成的连续水滴均匀性好，并且便于调节水滴的直径大小和分布。

Description

一种多功能水滴发生器

技术领域

本发明属于飞机结冰和防/除冰研究中的水滴动力学、撞击特性、相互作用及传热传质领域，具体涉及一种多功能水滴发生器。

背景技术

随着航空运输量的日益增长和气象条件限制的逐步放宽，飞机遭遇的结冰环境超出适航规范结冰环境的概率在不断增加。直径超过适航条例FAR25部附录C规定的结冰云雾环境下水滴直径的水滴被统称为大尺度过冷水滴(Supercooled Large Droplet，以下简称SLD)。飞行试验表明飞机在穿过结冰云时遭遇SLD的概率在8％～10％左右。

SLD与适航条例规定的小水滴在飞机结冰机理存在较大差异，SLD在运动过程存在变形、破碎、合并、合并后的分裂以及撞击固壁后的飞溅、反弹等现象。针对以往小水滴在飞机结冰数值模拟有两个最基本的假设：一是水滴的刚性球假设，即水滴在运动过程中始终保持球形，不发生变形和破碎行为，水滴阻力采用经典的球形阻力模型计算；二是水滴在碰撞固壁后不发生飞溅行为，即水滴撞击量与结冰量守恒。由SLD的动力学行为和撞击特性可见这两种假设已不再适用于SLD。

SLD动力学行为和撞击特性的存在，使得传统的球形假定和水滴撞击模型必须得到修正。而目前，由于缺乏这种定量的判断准则，使得研究人员不清楚什么情况和条件下必须修正和完善水滴撞击模型，导致了结冰计算一律采用了统一的、单一的水滴撞击模型，使得SLD结冰的形成机理和预测精确性受到了严重影响。寻找某些无量纲参数与水滴变形、破碎、飞溅等动力学行为的量化关系，是获得这种定量的判断准则的有效途径，也是判断水滴撞击模型不足的理论依据。如何定量判断SLD发生变形、破碎和飞溅的动力学行为，必须在实验中寻求答案，然后通过实验结果去指导理论模型的发展。

常规小水滴是通过气液两相喷嘴雾化形成，水滴数量众多，水滴直径较小且分布不均匀。小水滴结冰实验研究普遍是宏观尺度，海量的不同直径的过冷水滴混合在一起，杂乱无章、交错影响，使得研究人员无法剥离众多水滴相互之间的干扰和影响。不仅此种水滴生成方法不在适用于SLD，而且研究方法也无法应用于SLD研究。

综上所述，单组等径连续水滴、多组等径连续水滴和多组变径连续水滴迫切的需要，以用于SLD动力学、撞击特性、相互作用及传热传质研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，提供一种多功能水滴发生器，该水滴发生器能够生成单组等径连续水滴、多组等径连续水滴和多组变径连续水滴，并且水滴直径可控可变，用于水滴在气动力作用下的动力学行为(包括变形、破碎)、撞击特性(包括反弹、飞溅)、水滴相互作用(包括合并、分裂)和传热传质(包括过冷、冻结、蒸发)研究，为建立水滴动力学行为准则以及揭示SLD结冰机理提供帮助。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种多功能水滴发生器，包括腔体、孔口盘、环形压电陶瓷、盖板和密封圈，其特征在于：所述腔体为圆柱形空心壳体，设有进水口，上端面封闭，内部设有腔体内腔，底面设有中心出水孔以及与中心出水孔同心的圆形第一凹槽和第二凹槽，其中第一凹槽的直径小于第二凹槽；所述第一凹槽用于安装一侧粘固有环形压电陶瓷的孔口盘，粘固有环形压电陶瓷的孔口盘上下两侧还分别设有密封圈，其中，粘固有环形压电陶瓷的一侧被设置为朝向腔体外侧；所述第二凹槽用于安装圆形的盖板，所述盖板上设有盖板中心通孔和围绕盖板中心通孔的环形凸台，所述凸台被设置在朝向腔体的一侧且与第一凹槽相适配，凸台上开有埋线槽，盖板上还设有埋线孔；所述盖板将叠置的密封圈、孔口盘和环形压电陶瓷压紧固定于腔体的底面。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述第二凹槽上设置有多个内螺纹孔，所述盖板上设置有与内螺纹孔一一对应的多个通孔，盖板和第二凹槽通过螺栓旋紧固定。

所述腔体、盖板均采用不锈钢材料加工制成。

所述孔口盘采用单孔孔口盘，用于产生单组连续水滴。

所述孔口盘采用多孔等径孔口盘，用于产生多组等径连续水滴。

所述孔口盘采用多孔变径孔口盘，用于产生多组变径连续水滴。

通过孔口盘孔口的水滴直径满足以下条件，D_drop(i)为孔口盘第i个孔口的出水水滴直径(单位m)，Q_v为进水口进水体积流量(单位m³/s)，f为环形压电陶瓷的震动频率(单位Hz)，D_i为孔口盘中第i个孔口的孔口直径(单位m)，N为孔口盘上孔口的数量。

此外，还提出了一种采用上述水滴发生器来进行SLD撞击特性研究的试验方法，通过公式来计算通过孔口盘孔口的水滴直径，其中，D_drop(i)为孔口盘第i个孔口的出水水滴直径(单位m)，Q_v为进水口进水体积流量(单位m³/s)，f为环形压电陶瓷的震动频率(单位Hz)，D_i为孔口盘中第i个孔口的孔口直径(单位m)，N为孔口盘上孔口的数量。

本发明提供的多功能水滴发生器具有以下优点：1)通过更换孔口盘为单孔、等径多孔和变径多孔可以对应获得单组等径连续、多组等径连续和多组变径连续形式的水滴；2)采用多孔孔口盘时，改变孔口的相对位置可以获得不同分布的多组连续水滴；3)通过改变进水口进水体积流量、环形压电陶瓷的震动频率和孔口盘孔口直径，可以调节生成水滴直径大小；4)本发明提供的水滴发生器工作稳定性好，生成的连续水滴均匀性好，便于进行相关的实验研究；5)本发明提供的水滴发生器尺寸小、结构简单、安装拆卸方便且适用范围广。

附图说明

图1是本发明多功能水滴发生器的结构图。

图2是本发明多功能水滴发生器的结构分解图。

图3是本发明腔体结构图。

图4是本发明盖板结构图。

图5是本发明单孔孔口盘、等径多孔孔口盘和变径多孔孔口盘结构图。

图6是本发明生成的单径连续水滴图。

其中的附图标记为：腔体1、进水口11、腔体内腔12、第一凹槽13、第二凹槽14、内螺纹孔15、中心出水孔16、孔口盘2、环形压电陶瓷3、盖板4、埋线槽41、埋线孔42、中心通孔43、通孔44、凸台45、密封圈5。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1-3所示，本发明的多功能水滴发生器，包括腔体1、孔口盘2、环形压电陶瓷3、盖板4和密封圈5，其中，密封圈5为两个。

腔体1为圆柱形空心壳体，上端面封闭，内部设有腔体内腔12，腔体1上设有进水口11，用于连接高压储水罐并引水至内腔12，内腔12用于存储进水口11引入的加压过滤水。腔体1的底面设有中心出水孔16以及与中心出水孔16同心的圆形第一凹槽13和第二凹槽14，其中第一凹槽13的直径小于第二凹槽14，第一凹槽13呈嵌套在第二凹槽14中的状态。

第一凹槽13用于安装一侧粘固有环形压电陶瓷3的孔口盘2，粘固有环形压电陶瓷3的孔口盘2上下两侧还分别设有密封圈5，由上至下按照密封圈5-孔口盘2-环形压电陶瓷3-密封圈5的顺序层叠设置，使得粘固有环形压电陶瓷3的一侧被设置为朝向腔体1外侧。密封圈5为聚四氟乙烯材料制成，安装于孔口盘2两侧，起到防止内腔12的水渗出和保护孔口盘2的作用。

第二凹槽14用于安装圆形的盖板4，参照图4所示，盖板4上设有盖板中心通孔43和围绕盖板中心通孔43的环形凸台45，凸台45被设置为朝向腔体1的一侧且与第一凹槽13相适配，使得凸台45在安装时可嵌入第一凹槽13中从而对叠置的密封圈5、孔口盘2和环形压电陶瓷3起到压紧作用。凸台45上开有埋线槽41，盖板4上还设有埋线孔42以及与内螺纹孔15一一对应的多个通孔44，环形压电陶瓷3的接线可通过盖板4上的埋线槽41、埋线孔42与信号发生器相连。盖板4可通过多种方式将叠置的密封圈5、孔口盘2、环形压电陶瓷3压紧固定于腔体1的底面，比如在第二凹槽14上设置多个内螺纹孔15，盖板4上设置与内螺纹孔15一一对应的多个通孔44，螺栓穿过通孔44和对应的内螺纹孔15进行旋紧固定。

图5所示的分别是单孔孔口盘、等径多孔孔口盘和变径多孔孔口盘，通过更换孔口盘为单孔、等径多孔和变径多孔可以对应获得单组等径连续、多组等径连续和多组变径连续形式的水滴；采用多孔口盘时，改变孔口的相对位置可以获得不同分布的多组连续水滴；生成的水滴直径满足以下公式：其中，D_drop(i)为孔口盘2第i个孔口的出水水滴直径(单位m)，Q_v为进水口11进水体积流量(单位m³/s)，f为环形压电陶瓷3的震动频率(单位Hz)，D_i为孔口盘2中第i个孔口的孔口直径(单位m)，N为孔口盘2上孔口的数量。公式中这项因子表示各孔口对流量的分配关系，当采用单孔孔口盘时，i＝1，孔口的体积流量就等于进水口处的体积流量；当采用多孔等径孔口盘时，流量在N个孔口平均分配，每个孔口流量占进水口处总流量的1/N；当采用多孔变径孔口盘时，流量按照各个孔口的大小进行分配。通过改变进水口11进水体积流量、环形压电陶瓷3的震动频率和孔口盘2的孔口直径，可以调节水滴的直径大小，生成的特定直径大小的水滴可用于SLD撞击特性研究的试验。

在使用本发明的多功能水滴发生器时，选择所需的孔口盘2的类型，在孔口盘2的一侧粘固好环形压电陶瓷3，在粘固有环形压电陶瓷3的孔口盘2两侧加上密封圈5，并置于第一凹槽13中，将环形压电陶瓷3的接线穿过盖板4上的埋线槽41和埋线孔42，并引出盖板4外；将凸台45插入第一凹槽13中，盖板4盖在第二凹槽14上，从而对叠置的密封圈5、孔口盘2和环形压电陶瓷3起到压紧作用，将通孔44与第二凹槽14上的内螺纹孔15对准，采用螺栓旋紧固定，此时孔口盘2覆盖在中心出水孔16上，透过盖板4的中心通孔43可以看到孔口盘2的孔洞；进水口11连接高压储水罐，朝腔体内腔12中引入加压过滤水，环形压电陶瓷3的接线与信号发生器相连，通过改变进水口11进水体积流量、环形压电陶瓷3的震动频率和孔口盘2的孔口直径，调节生成水滴直径大小，通过改变孔口盘2中各孔口的相对位置，改变水滴的分布。

如图6所示为利用本发明的多功能水滴发生器生成的单径连续水滴图。其中，孔口盘采用单孔形式，孔口直径为200μm，水压为0.05Mpa，压电陶瓷震动频率为3kHz，生成的单组连续水滴直径约为500μm。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种多功能水滴发生器，包括腔体(1)、孔口盘(2)、环形压电陶瓷(3)、盖板(4)和密封圈(5)，其特征在于：所述腔体(1)为圆柱形空心壳体，设有进水口(11)，上端面封闭，内部设有腔体内腔(12)，底面设有中心出水孔以及与中心出水孔(16)同心的圆形第一凹槽(13)和第二凹槽(14)，其中第一凹槽(13)的直径小于第二凹槽(14)；所述第一凹槽(13)用于安装一侧粘固有环形压电陶瓷(3)的孔口盘(2)，粘固有环形压电陶瓷(3)的孔口盘(2)上下两侧还分别设有密封圈(5)，其中，粘固有环形压电陶瓷(3)的一侧被设置为朝向腔体(1)外侧；所述第二凹槽(14)用于安装圆形的盖板(4)，所述盖板(4)上设有盖板中心通孔(43)和围绕盖板中心通孔(43)的环形凸台(45)，所述凸台(45)被设置在朝向腔体(1)的一侧且与第一凹槽(13)相适配，凸台(45)上开有埋线槽(41)，盖板(4)上还设有埋线孔(42)；所述盖板(4)将叠置的密封圈(5)、孔口盘(2)和环形压电陶瓷(3)压紧固定于腔体(1)的底面，所述第二凹槽(14)上设置有多个内螺纹孔(15)，所述盖板(4)上设置有与内螺纹孔(15)一一对应的多个通孔(44)，盖板(4)和第二凹槽(14)通过螺栓旋紧固定。

2.根据权利要求1所述的一种多功能水滴发生器，其特征在于：所述腔体(1)、盖板(4)均采用不锈钢材料加工制成。

3.根据权利要求1所述的一种多功能水滴发生器，其特征在于：所述孔口盘(2)采用单孔孔口盘，用于产生单组连续水滴。

4.根据权利要求1所述的一种多功能水滴发生器，其特征在于：所述孔口盘(2)采用多孔等径孔口盘，用于产生多组等径连续水滴。

5.根据权利要求1所述的一种多功能水滴发生器，其特征在于：所述孔口盘(2)采用多孔变径孔口盘，用于产生多组变径连续水滴。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种多功能水滴发生器，其特征在于：通过孔口盘(2)孔口的水滴直径满足以下条件，D_drop(i)为孔口盘(2)第i个孔口的出水水滴直径(单位m)，Q_v为进水口(11)进水体积流量(单位m³/s)，f为环形压电陶瓷(3)的震动频率(单位Hz)，D_i为孔口盘(2)中第i个孔口的孔口直径(单位m)，N为孔口盘(2)上孔口的数量。

7.一种采用权利要求1-5中任一项所述的水滴发生器来进行SLD撞击特性研究的试验方法，其特征在于：通过公式来计算通过孔口盘(2)孔口的水滴直径，其中，D_drop(i)为孔口盘(2)第i个孔口的出水水滴直径(单位m)，Q_v为进水口(11)进水体积流量(单位m³/s)，f为环形压电陶瓷(3)的震动频率(单位Hz)，D_i为孔口盘(2)中第i个孔口的孔口直径(单位m)，N为孔口盘(2)上孔口的数量。