CN106769687A - 倾斜式圆锥旋转盘斜坡面液体撞击‑飞溅性能测试方法 - Google Patents

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陈宇
严辉
王如志
张铭
宋雪梅
张永哲
崔阿娟
汪浩
刘晶冰
朱满康
侯育冬
郑木鹏
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Abstract

倾斜式圆锥旋转盘斜坡面液体撞击‑飞溅性能测试方法，属于固体表面润湿技术领域。本发明圆锥旋转盘的旋转轴与重力方向的夹角在可0°至90°之间调节，液滴以一定速度撞击在绕中心轴旋转的旋转盘圆锥斜坡面上，液滴所受重力与圆锥旋转盘斜坡面成一定的夹角，在粘附力、离心力和重力的共同作用下液滴飞离圆锥旋转盘。以旋转盘上撞击点作为原点记录飞溅液滴坠落点的空间三维坐标。计算飞溅液滴的坠落点与液滴降落线的距离s，测试圆锥旋转盘的倾斜角度对距离s的影响，表征固体表面润湿性能对固液撞击‑飞溅过程的影响。本测试方法通过设置圆锥旋转盘的倾斜角度，得到液滴的最佳撞击角度，提高快淬非晶合金薄带生产中的产品质量稳定性。

Description

倾斜式圆锥旋转盘斜坡面液体撞击-飞溅性能测试方法
技术领域
本发明属于固体表面润湿技术领域，具体涉及的是一种固液撞击-飞溅性能测试方法。
背景技术
飞机飞行中机翼会与空中的水滴发生碰撞，碰撞后水滴可能铺展在机翼表面、也可能飞离机翼表面。铺展在机翼表面的水会增加飞机的质量，当温度合适时会出现结冰现象，进而影响飞行安全。飞溅的液滴则可能撞击到飞机的薄弱部位。
单辊快淬法，亦称溶体冷辊旋凝法、连铸薄带法(见图3)。金属溶液喷射在高速旋转的冷却辊表面并在重力、润湿作用下铺展形成熔池；熔池与冷却辊接触的界面层因急剧冷却而凝固，并随冷却辊一起旋转、继续冷却，形成非晶金属薄带；非晶金属薄带自身收缩，在离心力作用下脱离辊轮。熔池中的液体在高速运动过程中有时会脱离冷却辊，飞溅的液滴冷却结晶，使生产效率降低、生产成本增加。部分高粘度、不润湿的合金液体表现出严重的飞溅现象，难以形成非晶金属薄带。
上述两个过程中，液体撞击在高速运动的固体表面，在润湿性能的影响下液体铺展，固体表面与液体之间的热传导使得部分液体降温并凝固成为固体，未凝固的液体飞离固体表面形成飞溅的液滴。影响液滴撞击高速运动固体表面过程的因素包括：1撞击角度，2撞击的相对速度，3液滴与固体表面的温差，4液滴在固体表面的润湿性等。实际过程中是多种因素共同作用的结果，这就需要能够测试各种条件对飞溅性能影响的测试方法。
现在一般采用高速摄像机拍摄撞击过程，进而表征撞击-飞溅性能。在高速运动时撞击-飞溅过程时间短、粘附力对过程的影响较小，造成标准困难。这就需要简单、高效的测试方法标征固体表面润湿性能对固液撞击-飞溅离过程的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新测试方法，测试固液撞击-飞溅过程中撞击角度对飞溅液滴的影响。本测试方法通过设置圆锥旋转盘的转速、温度、粗糙度、材质以及液滴的温度、撞击速度等测试参数，能够模拟非晶合金薄带生产过程冷却辊的转速、温度、粗糙度、材质、金属熔液的温度、液体喷射速度等操作参数。本测试方法通过设置圆锥旋转盘的倾斜角度，进而模拟液滴的撞击角度，测试各种因素对固液撞击-飞溅过程的综合影响，提高快淬非晶合金薄带生产中的产品质量稳定性。本测试方法能够模拟水滴撞击飞机表面时的撞击参数(撞击速度、撞击角度、机体温度、表面材质等)，从而测试水滴撞击飞机表面时的飞溅性能，提高飞行安全性。
采用的技术方案是：采用倾斜角度可调式圆锥旋转盘，高速运动的液滴速度撞击在转动的圆锥旋转盘上，撞击瞬间液体所受离心力在水平方向，粘附在圆锥旋转盘表斜坡面的液滴所受离心力的方向随时间推移而变化，飞溅液滴脱离圆锥旋转盘的时刻所受离心力的方向直接影响了其运动轨迹和坠落点，坠落点的位置可以表征液滴撞击-飞溅过程中转速、重力、润湿性等因素对飞溅液滴的综合影响。
1、倾斜式圆锥旋转盘斜坡面液体撞击-飞溅性能测试方法，其特征在于，圆锥旋转盘的旋转轴与重力方向的夹角可在0°至90°之间调节，液滴撞击在绕中心轴旋转的圆锥旋转盘上，撞击瞬间液滴所受离心力与水平面平行，液滴所受重力与圆锥旋转盘斜坡面成一定的夹角，在粘附力、离心力和重力作用下液滴飞离圆锥旋转盘；以旋转盘上撞击点作为原点记录飞溅液滴落点的空间三维坐标；计算飞溅液滴的落点与液滴降落线的距离s，测试圆锥旋转盘的倾斜角度对距离s的影响，表征固体表面润湿性能对固液撞击-飞溅过程的影响。
2、进一步，圆锥旋转盘的母线与旋转轴夹角大于等于0°小于90°。
3、进一步，圆锥旋转盘的旋转速度，旋转速度小于十万转每秒。
4、进一步，使用电加热装置控制圆锥旋转盘温度。
5、进一步，使用圆锥旋转盘内部管道通冷却剂的方法控制圆锥旋转盘温度。
6、进一步，通过设置圆锥旋转盘的转速、温度、粗糙度、材质以及液滴的温度、撞击速度，模拟非晶合金薄带生产过程冷却辊的转速、温度、粗糙度、材质、金属熔液的温度、液体喷射速度；通过设置圆锥旋转盘的倾斜角度，模拟液滴的撞击角度，测试各种因素对固液撞击-飞溅过程的综合影响。
本发明利用离心力方向的改变使飞溅液滴的坠落点可以表征撞击过程中各种因素的综合作用。通过测试圆锥旋转盘倾斜角度与飞溅液滴坠落点的关系，从而优化金属熔液在冷却辊表面落点的位置，减少液滴飞溅，提高非晶合金薄带的质量稳定性。从液滴接触固体表面到液滴飞溅的过程中，1液滴在润湿作用下与固体表面形成润湿角，2在热传导作用下液滴温度发生改变引起体积变化，3粘附力拖动液滴随旋转盘转动，4飞溅液滴与旋转盘接触过程中受粘附力作用。从液滴撞击到液滴飞离的时间越长，液滴随圆锥旋转盘运动的角度就越大，液滴飞溅方向的改变就越大。当圆锥旋转盘温度低于液体凝固点时，会有部分液体冷却凝固成为固体，飞溅液滴的质量将减小。当圆锥旋转盘温度高于液体沸点时，会有部分液体沸腾成为汽体，飞溅液滴的质量将减小。圆锥旋转盘转速可控，当转速为零时相当于撞击在静止表面上的飞溅测试状态。液滴发生装置可以控制液滴撞击在旋转盘表面的速度，控制方法有自由落体低落、加压喷射等。圆锥旋转盘的母线与旋转轴夹角大于等于0°小于90°。旋转轴与重力方向夹角为90°时，就相当于在测量液体撞击圆柱面的飞溅状态。
本发明是一种新的测试方法，液滴撞击-飞溅过程测试过程中的具体参数可根据具体情况进行调节。本发明的倾斜式圆锥旋转盘测试法，其特点是：
(1)圆锥旋转盘的旋转轴与重力方向的夹角可调，夹角调节范围在0°至90°。
(2)圆锥旋转盘的母线与旋转轴夹角大于等于0°小于90°。
(3)液滴发生装置可以控制液滴撞击在圆锥旋转盘表面的速度，液滴撞击时的速度范围为0至50米/秒。
(4)圆锥旋转盘的旋转速度可控，旋转速度在小于2000转/分钟。
(5)圆锥旋转盘温度可控，控制范围在-50℃至300℃。采用电加热系统控制圆锥旋转盘温度高于室温。采用圆锥旋转盘内部管道通冷却剂的方法控制旋转盘温度低于室温。
(6)液滴落点记录台用于记录飞溅液滴的坠落点。记录台通过保留液滴溅落在记录台表面上的位置不变，然后通过对各个液滴位置的分布坐标进行统计来获得液滴溅落分布数据。坠落点与撞击点之间的三维空间位置关系用坐标法表示，也可以根据实际需要只记录坠落点与撞击点投影之间的距离。
(7)采用高速摄像机记录飞溅液滴的运动轨迹。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)模拟了快淬非晶合金薄带生产中，金属液滴撞击辊轮表面时不同撞击角度对飞溅过程的影响。
(2)通过控制圆锥旋转盘的温度可以使部分液体发生相变(液体转变为固体或气体)，从而测试热传导对撞击-飞溅过程的影响。
(3)通过测试圆锥旋转盘的母线与旋转轴夹角的改变，可以对表面粘附力对液滴飞溅过程的影响。
附图说明
图1是倾斜式圆锥旋转盘测试方法示意图。
图1中，1液滴产生装置，2液滴熔池，3圆锥旋转盘，4飞溅液滴运动轨迹，5飞溅液滴坠落点，6飞溅液滴落点记录台，S飞溅液滴水平飞溅距离，H飞溅液滴水垂直飞溅距离。
图2是静态润湿性示意图。
图2中，7液滴，8固体表面，θe静态接触角，θu上游接触角，θd下游接触角，实线-液滴静态形貌，虚线-液滴动态形貌。
图3是单辊快淬法示意图
图3中，1液滴产生装置，2液滴熔池，4飞溅液滴运动轨迹，9冷却辊。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
测试条件如下：
(1)选用蒸馏水，圆锥旋转盘选择合黄铜圆锥旋转盘，圆锥旋转盘表面经1000号砂纸打磨。
(2)圆锥旋转盘的母线与旋转轴夹角为20°。
(3)控制圆锥旋转盘温度为25℃。
(4)控制圆锥旋转盘转速在1100转每分钟。
(5)控制圆锥旋转盘倾斜角为5°。
(6)液滴坠落速度为60米/秒。
测试结果，飞溅液滴坠落点最远飞溅距离为1248毫米。
实施例2
测试条件如下：
(1)在圆锥旋转盘选择铝合金旋转盘，圆锥旋转盘表面经200号砂纸打磨。
(2)圆锥旋转盘的母线与旋转轴夹角为70°。
(3)选用金属镓(熔点29.8℃)，控制液滴发生装置使金属镓温度为70℃
(4)控制圆锥旋转盘温度为200℃。
(5)控制圆锥旋转盘转速为50转每分钟。
(6)控制圆锥旋转盘倾斜角在35°。
(7)液滴坠落速度为10米/秒。
测试结果，飞溅液滴坠落点最远飞溅距离为412毫米。
实施例3
测试条件如下：
(1)圆锥旋转盘选择铜制旋转盘，圆锥旋转盘表面经2000号砂纸打磨。
(2)圆锥旋转盘的母线与旋转轴夹角为45°。
(3)选用金属锡(熔点231.9℃)，控制液滴发生装置使金属锡温度为290℃
(4)控制圆锥旋转盘温度为-15℃。
(5)控制圆锥旋转盘转速为300转每分钟。
(6)控制圆锥旋转盘倾斜角在75°。
(7)液滴坠落速度为25米/秒。
测试结果，锡凝固于圆锥旋转盘表面，最远飞溅距离记录为“无”。

Claims (6)

1.倾斜式圆锥旋转盘斜坡面液体撞击-飞溅性能测试方法，其特征在于，圆锥旋转盘的旋转轴与重力方向的夹角可在0°至90°之间调节，液滴撞击在绕中心轴旋转的圆锥旋转盘上，撞击瞬间液滴所受离心力与水平面平行，液滴所受重力与圆锥旋转盘斜坡面成一定的夹角，在粘附力、离心力和重力作用下液滴飞离圆锥旋转盘；以旋转盘上撞击点作为原点记录飞溅液滴落点的空间三维坐标；计算飞溅液滴的落点与液滴降落线的距离s，测试圆锥旋转盘的倾斜角度对距离s的影响，表征固体表面润湿性能对固液撞击-飞溅过程的影响。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，圆锥旋转盘的母线与旋转轴夹角大于等于0°小于90°。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，圆锥旋转盘的旋转速度，旋转速度小于十万转每秒。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使用电加热装置控制圆锥旋转盘温度。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使用圆锥旋转盘内部管道通冷却剂的方法控制圆锥旋转盘温度。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，通过设置圆锥旋转盘的转速、温度、粗糙度、材质以及液滴的温度、撞击速度，模拟非晶合金薄带生产过程冷却辊的转速、温度、粗糙度、材质、金属熔液的温度、液体喷射速度；通过设置圆锥旋转盘的倾斜角度，模拟液滴的撞击角度，测试各种因素对固液撞击-飞溅过程的综合影响。
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