CN107340178A - 一种单液滴撞击织物机理研究实验装置 - Google Patents

一种单液滴撞击织物机理研究实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，主要包括注射泵、高速摄像机、测力计、磁性座、试件、冷光源、夹具等组成。其中四个磁性座吸附固定在铁质刚性基座上，十字状试件通过夹具夹紧，夹具通过铁丝连接磁性座支架，将试件悬空固定，通过调节磁性座调节间距离获得试件表面张力，通过调节磁性座支架上铁丝连接位置获得不同的织物倾斜角度。此外，夹具由玻璃纤维板和橡胶条胶接而成，通过螺栓夹紧试件。本发明装置可以用于研究液滴碰撞角和织物表面张力对撞击的影响，可以估算碰撞力，对实际工程应用具有非常重要的参考意义。

Description

一种单液滴撞击织物机理研究实验装置
技术领域
本发明涉及一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，属于纺织材料机理研究领域。
背景技术
液滴撞击织物现象广泛出现于织物染整过程、暴雨环境下充气展开织物工作过程(如降落伞、热气球)。液滴撞击织物表象简单，但其机理研究对降低染整能耗(可参考：王军锋，吴琦，霍元平等.荷电液滴撞击织物表面铺展特性的试验.江苏大学学报(自然科学版)，2016，37(4):394-398.)和降低恶劣环境伞降失效概率(可参考：程涵，刘峰，龙江等.一种暴雨天气下降落伞性能分析方法.发明专利.201610065068.7)有非常重要的工程意义。
现有单液滴撞击织物特性实验研究主要采用高速摄像技术(可参考：王军锋，吴琦，霍元平等.荷电液滴撞击织物表面铺展特性的试验.江苏大学学报(自然科学版)，2016，37(4):394-398.)，但现有实验装置主要将织物试件放置在固体平板上，不考虑撞击角度，更重要的是无法考虑织物表面张力、撞击后织物法向位移和弹性变形对撞击的影响，无法获得液滴撞击力，无法为降低暴雨环境下伞降失效概率提供依据。此外，现有单液滴撞击力测试技术主要依赖于压电传感器(可参考：Jingyin Li,Bin Zhang,Penghua Guo,and QianLv.Impact force of a low speed water droplet colliding on a solidsurface.JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,2014,116:214903)只适用于刚体，不适合织物碰撞力测试。因此，当前单液滴撞击织物机理研究急需一种新型实验装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，首次考虑液滴撞击织物角度θ和织物表面张力σ对撞击过程的影响，可以根据撞击后织物和液滴变化，利用动量定理估算撞击力F，进而评估雨滴场外载荷对减速特性的影响，此外，还可以获得铺展因子变化，有助于织物染整能耗评估或者高寒地区伞衣结冰评估，对实际工程应用具有非常重要的参考意义。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，该装置包括注射泵、支架、高速摄像机、磁性座、计算机、冷光源、试件、平口针头、夹具、铁质刚性基座和输液管，其中：
所述试件通过四个夹具固定在四个磁性座上，四个所述磁性座吸附在铁质刚性基座的上表面，使得所述试件悬空固定在铁质刚性基座的上方；
所述平口针头通过支架固定在试件的上方，通过输液管与高精度注射泵连接；
所述高速摄像机、冷光源与试件位于同一平面，高速摄像机用于拍摄液滴撞击试件的过程，冷光源用于拍摄时的照明；
所述计算机与高速摄像机连接，以控制高速摄像机拍摄和数据采集。
作为本发明的进一步技术方案，所述试件沿其经线和纬线被设置成十字状，该十字状试件的四个端部分别被夹具固定在磁性座上。
作为本发明的进一步技术方案，所述夹具包括两块玻璃纤维板、螺栓和两个橡胶条(17)，其中，所述两个橡胶条分别通过胶接固定在两块玻璃纤维板上，试件设置在两个橡胶条之间，通过固定在两块玻璃纤维板上的螺栓将试件夹紧。
作为本发明的进一步技术方案，所述高速摄像机为NAC型高速摄像机。
作为本发明的进一步技术方案，该装置还包括设置在任两个相邻夹具和与其连接的磁性座之间的测力计，以测量试件相互垂直的两个方向的拉力。
作为本发明的进一步技术方案，每个所述磁性座上还设置有一个支架，夹具(10)通过铁丝与磁性座上的支架连接。
作为本发明的进一步技术方案，计算机(5)采用HotShot SC Link 1.2软件进行数据采集和数据处理。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明的实验装置可以考虑液滴撞击织物角度θ和织物表面张力σ对撞击过程的影响，可以利用动量定理评估撞击力F，获得不同工况下铺展变化为降落伞优化设计或染整工艺研究提供参考。本发明可以用于研究液滴碰撞角和织物表面张力对撞击的影响，可以估算碰撞力，对实际工程应用具有非常重要的参考意义。
附图说明
图1是实验系统示意图。
图2是试件尺寸和经纬线方向示意图。
图3是夹具示意图。
图4是液滴在0ms,1ms,2.33mm,5ms,9ms,14.33ms,21ms,72ms时的撞击变化图。
图5是铺展因子变化图。
图中，1为高精度注射泵、2为高度调整支架、3为高速摄像机、4为磁性座、5为计算机、6为测力计、7为冷光源、8为试件、9为平口针头、10为夹具、11为铁质刚性基座、12为液滴、13为夹具安装孔、14为输液管、15为玻璃纤维板、16为螺栓、17为橡胶条、18为铁丝。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明提供一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，如图1所示，该实验装置包括高精度注射泵1、支架2、高速摄像机3、磁性座4、计算机5、测力计6、冷光源7、试件8、平口针头9、夹具10、铁质刚性基座11和输液管12。
高精度注射泵1通过输液管14连接平口针头9，平口针头9被固定在高度调整支架2上。通过不同直径的针头，可以获得不同直径D的液滴，通过调整平口针头9距撞击点的距离H，可以获得不同撞击速度v：v＝(2g(H-D))1/2。
如图2所示，试件8沿其经线和纬线被设置成十字状，试件8的四个端部的宽度ls为50mm，试件8的四个端部采用夹具10夹紧。
四个磁性座4吸附固定在铁质刚性基座11上，每个磁性座4上还分别设置一个磁性座支架，夹具10通过铁丝连和磁性座支架连接，将试件8悬空固定。通过调节磁性座支架上铁丝的连接位置可以获得不同的试件8的倾斜角度θ；通过调整四个磁性座4在铁质刚性基座11上相互间的距离，可以达到在试件8经纬向分别施加拉力FJ的目的，进而间接获得织物表面张力σ：σ＝FJ/ls。同时，还可以在任两个相邻夹具(10)和与其连接的磁性座4之间的测力计6，以测量试件8相互垂直的两个方向的拉力。
高速摄像机3为NAC型高速摄像机；计算机5控制高速摄像机3拍摄和数据采集，计算机5采用HotShot SC Link 1.2软件进行数据采集和数据处理。冷光源7用于拍摄照明；高速摄像机3镜头方向与冷光7照射方向相向；试件8悬空介于冷光源7和高速摄像机3之间，三者处同一平面。
如图3所示，夹具10包括玻璃纤维板15、螺栓16和摩擦系数较大的橡胶条17，橡胶条17用胶水固定在玻璃纤维板15夹紧试件8的部位，以增加摩擦力。上下两块玻璃纤维板15通过螺栓16将试件8夹紧，可以将集中载荷转化为均布载荷。同时，还可以将连接夹具10和磁性座支架的铁丝固定在螺栓16上。
现采用本发明实验装置对直径2.12mm液滴撞击66格子锦丝绸过程进行研究，撞击速度为0.77m/s，撞击角度为5°，织物预张力分别为0N/m、200N/m和400N/m。
如图4为织物预张力为200N/m的撞击过程，从中可以发现在撞击阶段(0-0.33ms)，液滴与织物表面接触面积较小，液滴保持近似球形状，部分液体开始被织物吸收，织物开始沿撞击方向出现微小幅度法向位移；液滴在惯性力作用下，液滴开始进入铺展阶段(0.33ms-2.67ms)，铺展至最大直径呈扁圆状，织物法向位移达到最大，并开始反向回弹；随后在液滴自身表面张力作用下，液滴开始进入回弹阶段(2.67ms-9ms)，液滴呈现帽状，在9ms时液滴高度达到最大值，但并未发生液滴分离；随后液滴进入震荡阶段直至最终平衡阶段，织物振动也逐渐衰减，并早于液滴进入静止平衡状态，最终呈现球冠状。从上述撞击过程中可以发现，液滴动能是在不断建立新的液滴外形和织物振动过程中耗散掉，此外可以利用动量定理估算出碰撞力约为0.008055N。
如图5为三种预张力工况的铺展因子β(β＝Dt/D0，Dt为液滴在织物表面的瞬时铺展直径，D0为液滴初始直径，通常用于描述液滴变形程度)变化图，图5通过HotShot SC Link1.2软件测量获得，从中可以发现预张力抑制织物振动和液滴变化效果尤为明显。
从具体实施效果来看，本发明可以对单液滴撞击织物机理进行研究，可以为工程设计和研究提供重要的参考依据。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，其特征在于，该装置包括注射泵（1）、支架（2）、高速摄像机（3）、磁性座（4）、计算机（5）、冷光源（7）、试件（8）、平口针头（9）、夹具（10）、铁质刚性基座（11）和输液管（14），其中：
所述试件（8）通过四个夹具（10）固定在四个磁性座（4）上，四个所述磁性座（4）吸附在铁质刚性基座（11）的上表面，使得所述试件（8）悬空固定在铁质刚性基座（11）的上方；
所述平口针头（9）通过支架（2）固定在试件（8）的上方，通过输液管（14）与高精度注射泵（1）连接；
所述高速摄像机（3）、冷光源（7）与试件（8）位于同一平面，高速摄像机（3）用于拍摄液滴撞击试件的过程，冷光源（7）用于拍摄时的照明；
所述计算机（5）与高速摄像机（3）连接，以控制高速摄像机（3）拍摄和数据采集。
2.根据权利要求1所述的一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，其特征在于，所述试件（8）沿其经线和纬线被设置成十字状，该十字状试件（8）的四个端部分别被夹具（10）固定在磁性座（4）上。
3.根据权利要求1或2所述的一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，其特征在于，所述夹具（10）包括两块玻璃纤维板（15）、螺栓（16）和两个橡胶条（17），其中，所述两个橡胶条（17）分别通过胶接固定在两块玻璃纤维板（15）上，试件（8）设置在两个橡胶条（17）之间，通过固定在两块玻璃纤维板（15）上的螺栓（16）将试件（8）夹紧。
4.根据权利要求1所述的一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，其特征在于，所述高速摄像机（3）为NAC型高速摄像机。
5.根据权利要求1所述的一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，其特征在于，该装置还包括设置在任两个相邻夹具（10）和与其连接的磁性座（4）之间的测力计（6），以测量试件（8）相互垂直的两个方向的拉力。
6.根据权利要求1所述的一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，其特征在于，每个所述磁性座（4）上还设置有一个支架，夹具（10）通过铁丝（18）与磁性座（4）上的支架连接。
7. 根据权利要求4所述的一种单液滴撞击织物机理研究实验装置，其特征在于，计算机（5）采用HotShot SC Link 1.2软件进行数据采集和数据处理。
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