CN107389300A - 一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法；利用高频感应加热器作为热源，对双腔石墨坩埚进行感应加热，以热传导形式快速熔化双腔石墨坩埚内的金属形成金属熔融液。采用气压驱动法，将两个石墨腔内的金属熔融液从其侧端喷嘴射出；通过控制电磁阀和驱动气压生成两个不同粒径和速度的熔融液滴，通过改变喷嘴方向实现不同角度的液滴碰撞，整个碰撞过程采用高速摄影仪拍摄。熔融金属液滴碰撞的粒径、速度、角度、温度和环境压力均可调节；双腔石墨坩埚结构简单、加工方便，有利于分别控制液滴生成；采用感应加热器和高压气瓶模拟固体火箭发动机内的高温高压环境，实现不同角度的液滴碰撞，降低了实验成本，且装置可重复使用。

Description

一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法

技术领域

本发明涉及航天应用试验技术领域，具体地说，涉及一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法，用于研究高温高压环境下微小熔融金属液滴之间的碰撞规律。

背景技术

在固体火箭发动机工作过程中，燃烧室内含铝推进剂中铝颗粒在高温2800～3800K、高压1～6MPa燃气环境下，经熔化、蒸发及化学反应等过程，生成粒径为0.2～500μm的Al/Al₂O₃熔融微液滴。固体火箭发动机内熔融液滴碰撞会发生聚合、分离和破碎等现象，而液滴的运动变化过程对燃烧室内的两相流动状态非常重要。以往的液滴碰撞实验主要集中在常温常压下的非金属液滴碰撞，而针对高温高压环境下的金属熔融液滴碰撞实验尚未见文献报道。

目前，液滴喷射最常使用的装置是压电陶瓷液滴发生器。专利CN204870075U公开了“一种挤压式压电陶瓷致动的液滴喷射单元及喷射装置”，该装置利用压电陶瓷挤压收缩喷射液滴。但典型的压电陶瓷居里点温度通常为120℃～360℃，无法用于高温熔融金属液滴，如铝、镁的喷射。此外，还有采用气压驱动来生成液滴，例如，专利CN106092506A公开了“高速小液滴/壁面液膜斜碰撞试验装置”，该试验装置利用高压气体挤压润滑油生成液滴，但该试验装置也是在常温常压下进行，仍然不能实现高温高压下的金属熔融液滴碰撞。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:高温熔融微液滴碰撞装置，其特征在于包括高压气瓶、计算机、电磁感应加热器、真空泵、闭密容器、高速摄影仪、水冷式冷凝管、热电偶、双腔石墨坩埚，所述闭密容器为上下两部份扣合连接的中空长方体，闭密容器连接法兰部位装有密封圈，闭密容器顶部中间有通孔，用于安装双腔石墨坩埚，闭密容器顶部位于中间通孔两侧分别连接有进气手阀、第三压力传感器和排气手阀，密闭容器侧壁下部设有抽真空口与真空泵相连通，真空泵位于密闭容器旁侧，高速摄影仪位于密闭容器另一侧，且与密闭容器侧壁上的透明窗相对；高压气瓶与闭密容器通过气体管路连接，气体管路上分别连接有密闭容器减压阀、第一进气电磁阀、第二进气电磁阀、第二排气电磁阀、第一排气电磁阀，并通过计算机控制；高压气瓶供气作为生成金属熔融液滴的驱动气和用于模拟液滴碰撞的环境压强；第二压力传感器、第一压力传感器、第三压力传感器、热电偶和高速摄影仪的数据和信号传输至计算机；

所述双腔石墨坩埚通过坩埚安装支架固定在密闭容器内顶部通孔处，坩埚盖板位于密闭容器上部，坩埚安装支架与坩埚盖板通过紧固螺栓固连，且坩埚盖板与密闭容器上部通孔处加装石墨密封圈；热电偶位于双腔石墨坩埚的上部；感应加热器铜管嵌套在双腔石墨坩埚外部并与电磁感应加热器连接，感应加热器铜管与密闭容器采用耐高温胶密封，电磁感应加热器通过感应加热器铜管对石墨坩埚加热，同时控制水冷式冷凝管循环冷却；

所述双腔石墨坩埚底部为两个半圆腔结构，相对的侧壁上依石墨坩埚中轴线等半径分别设有喷嘴，且两个喷嘴轴线位于同一水平面，对应角度可调。

一种采用所述的高温熔融微液滴碰撞装置进行熔融微液滴碰撞的方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.称重两块同质量的高熔点金属，分别放入双腔石墨坩埚的腔室内，并通过坩埚安装支架和螺栓将双腔石墨坩埚固定在密闭容器内顶部；

步骤2.在液滴的碰撞区域放置标准尺，调整高速摄影仪焦距，拍摄记录标准尺比例大小后，移去标准尺，并打开电磁感应加热器，熔化双腔石墨坩埚内的金属；

步骤3.设置第一进气电磁阀和第二进气电磁阀进气的工作时间、第二排气电磁阀和第一排气电磁阀排气工作时间、第一减压阀和第二减压阀的压力值，通过控制进入双腔石墨坩埚的两个腔室的进气量和排气量来驱动金属熔融液体生成两个所需粒径和速度的微液滴；

步骤4.根据需要预先设计液滴的碰撞角度，同时打开计算机控制系统和高速摄影仪，拍摄金属熔融微液滴碰撞过程。

本发明高温熔融微液滴碰撞装置及方法，具有以下特点:

(1)在较短时间内能熔化高熔点金属，形成金属熔融液；通过改变电磁感应加热设备的功率，改变石墨坩埚的升温速率和最高温度，并使金属熔融液的温度保持在一定的范围内。(2)金属熔融液滴的粒径和速度均可调节，两个碰撞液滴的调节互不干涉；采用双腔石墨坩埚设计，分别控制石墨坩埚喷嘴口的直径和电磁阀的工作时间，可生成所需粒径和速度的金属熔融液滴。(3)金属熔融液滴的碰撞角度可任意调节；通过改变石墨坩埚底部喷嘴的对应位置，进行不同角度的液滴碰撞，该设计可提高两个微液滴的碰撞精度。(4)能模拟固体火箭发动机内的液滴碰撞过程；通过调节减压阀的压力和感应加热器的功率，模拟固体火箭发动机内的高温高压环境，利用高速摄影拍摄熔融液滴的碰撞过程，获得液滴在不同We数下的碰撞规律。

有益效果

本发明高温熔融微液滴碰撞装置及方法与现有技术相比，解决了固体火箭发动机内Al/Al₂O₃微液滴碰撞测试难的问题，同时该装置也适用于大多数高熔点金属如镁、锂、铁等液滴碰撞；熔融金属液滴碰撞的粒径、速度、角度、温度和环境压力均可调节，液滴碰撞的参数变量多、可调范围大；双腔石墨坩埚结构简单，便于加工、使用方便，有利于分别控制液滴生成；无需进行昂贵的火箭发动机点火实验，仅采用感应加热器和高压气瓶就能模拟固体火箭发动机内Al/Al₂O₃微液滴的碰撞过程，大大地降低了实验成本，而且装置安全可长期重复使用。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法作进一步的详细说明。

图1为本发明高温熔融微液滴碰撞装置结构示意图。

图2为双腔石墨坩埚结构图。

图3为液滴碰撞角度示意图。

图中

1.高压气瓶 2.密闭容器减压阀 3.第一减压阀 4.第二减压阀 5.第一进气电磁阀 6.第二进气电磁阀 7.第二排气电磁阀 8.第一排气电磁阀 9.第二压力传感器 10.第一压力传感器 11.水冷式冷凝管 12.计算机 13.热电偶 14.排气手阀 15.电磁感应加热器 16.真空泵 17.密闭容器 18.双腔石墨坩埚 19.第三压力传感器 20.透明窗 21.进气手阀 22.高速摄影仪 23.喷嘴

具体实施方式

本实施例是一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法。其利用高频感应加热器作为热源，对双腔石墨坩埚进行感应加热，以热传导形式能快速熔化双腔石墨坩埚内的金属形成金属熔融液；采用气压驱动法，分别将两个石墨腔内的金属熔融液从其末端的喷嘴口射出，通过控制电磁阀和驱动气压生成两个不同粒径和速度的熔融液滴，并通过改变喷嘴方向实现不同角度的液滴碰撞，整个碰撞过程利用高速摄影仪拍摄。其模拟固体火箭发动机内的高温高压环境，实现不同角度的液滴碰撞。

参阅图1图2图3，本实施例高温熔融微液滴碰撞装置由高压气瓶1、计算机12、电磁感应加热器15、真空泵16、闭密容器17、高速摄影仪22、水冷式冷凝管11、热电偶13、双腔石墨坩埚18组成；其中，闭密容器17为上下两部份扣合连接的中空长方体，闭密容器连接法兰部位装有密封圈，闭密容器17顶部中间有通孔，用于安装双腔石墨坩埚18。闭密容器17顶部位于中间通孔两侧分别连接有进气手阀21、第三压力传感器19和排气手阀14。密闭容器17侧壁下部设有抽真空口与真空泵16相连通，真空泵16安装在密闭容器17旁侧；高速摄影仪22位于密闭容器17另一侧，且与密闭容器侧壁上的透明窗20相对。高压气瓶1与闭密容器17通过气体管路连接，气体管路上分别连接有密闭容器减压阀2、第一进气电磁阀5、第二进气电磁阀6、第二排气电磁阀7、第一排气电磁阀8，并通过计算机控制；高压气瓶1供气作为生成金属熔融液滴的驱动气和用于模拟液滴碰撞的环境压强。第二压力传感器9、第一压力传感器10、第三压力传感器19、热电偶13和高速摄影仪22的数据和信号分别传输至计算机。

本实施例中,双腔石墨坩埚18通过坩埚安装支架固定在密闭容器17内顶部通孔处，坩埚盖板位于密闭容器17上部，坩埚安装支架与坩埚盖板通过紧固螺栓固连，且坩埚盖板与密闭容器上部通孔处加装石墨密封圈；热电偶13位于双腔石墨坩埚18的上部。感应加热器铜管嵌套在双腔石墨坩埚外部并与电磁感应加热器15连接，感应加热器铜管与双腔石墨坩埚不接触，感应加热器铜管与密闭容器17采用耐高温胶密封，电磁感应加热器15通过感应加热器铜管对双腔石墨坩埚加热，同时控制水冷式冷凝管11水循环冷却。双腔石墨坩埚18底部为两个半圆腔结构，相对的侧壁上依石墨坩埚中轴线等半径分别设有喷嘴，且两个喷嘴轴线位于同一水平面，对应角度可调。

下面应用高温熔融微液滴碰撞装置进行测试熔融铝的微液滴碰撞，具体步骤如下:

步骤1.称重两块等质量的铝块，对铝块表面进行打磨处理，除去表面的氧化铝薄膜，将两铝块分别放入石墨坩埚的两个腔室内。

步骤2.装配密闭容器，连接管路，并通过坩埚安装支架和螺栓将双腔石墨坩埚固定在密闭容器内顶部；打开第一进气电磁阀和第二进气电磁阀，充入0.5MPa的氩气，验证双腔石墨坩埚的气密性，保证气体只能从坩埚底部的两个喷嘴口喷出。

步骤3.通过螺栓拧紧闭密容器连接法兰，开启真空泵将密闭容器内压强抽至10^{- 5}MPa后关闭真空泵，再打开进气手阀，充入氩气至0.1MPa后关闭，反复进行三次抽充氩气操作，确保将密闭容器内的空气被完全抽出。

步骤4.在液滴的碰撞区域放置标准尺，用于计算熔融金属液滴的尺寸，调整高速摄影仪焦距，拍摄记录标准尺比例大小后，移去标准尺。

步骤5.打开电磁感应加热器和水循环，设置加热功率为10KW，开始对石墨坩埚进行加热；同时打开测试系统，待热电偶测试温度到达700℃温度后，调整加热功率使铝完全融化成铝液并保持在700℃温度。

步骤6.打开计算机控制系统，设置第一减压阀和第二减压阀的压力值均为0.6MPa，设置第一进气电磁阀和第二进气电磁阀的工作时间均为9ms，第一排气电磁阀和第二排气电磁阀工作时间均为20ms，排气阀的开始工作时间相同均为进气阀的结束时间；通过控制进入双腔石墨坩埚的两个腔室的进气量和排气量来驱动金属熔融液体生成两个所需粒径和速度的微液滴。

步骤7.同时打开第一进气电磁阀、第二进气电磁阀和高速摄影仪，对熔融铝微液滴碰撞过程进行拍摄。

步骤8.保存实验数据，关闭测试装置和高速摄影仪，拆卸实验装置，清理双腔石墨坩埚以备下次使用。

Claims (2)

1.一种高温熔融微液滴碰撞装置，其特征在于:包括高压气瓶、计算机、电磁感应加热器、真空泵、闭密容器、高速摄影仪、水冷式冷凝管、热电偶、双腔石墨坩埚，所述闭密容器为上下两部份扣合连接的中空长方体，闭密容器连接法兰部位装有密封圈，闭密容器顶部中间有通孔，用于安装双腔石墨坩埚，闭密容器顶部位于中间通孔两侧分别连接有进气手阀、第三压力传感器和排气手阀，密闭容器侧壁下部设有抽真空口与真空泵相连通，真空泵位于密闭容器旁侧，高速摄影仪位于密闭容器另一侧，且与密闭容器侧壁上的透明窗相对；高压气瓶与闭密容器通过气体管路连接，气体管路上分别连接有密闭容器减压阀、第一进气电磁阀、第二进气电磁阀、第二排气电磁阀、第一排气电磁阀，并通过计算机控制；高压气瓶供气作为生成金属熔融液滴的驱动气和用于模拟液滴碰撞的环境压强；第二压力传感器、第一压力传感器、第三压力传感器、热电偶和高速摄影仪的数据和信号传输至计算机；

所述双腔石墨坩埚通过坩埚安装支架固定在密闭容器内顶部通孔处，坩埚盖板位于密闭容器上部，坩埚安装支架与坩埚盖板通过紧固螺栓固连，且坩埚盖板与密闭容器上部通孔处加装石墨密封圈；热电偶位于双腔石墨坩埚的上部；感应加热器铜管嵌套在双腔石墨坩埚外部并与电磁感应加热器连接，感应加热器铜管与密闭容器采用耐高温胶密封，电磁感应加热器通过感应加热器铜管对石墨坩埚加热，同时控制水冷式冷凝管循环冷却；

所述双腔石墨坩埚底部为两个半圆腔结构，相对的侧壁上依石墨坩埚中轴线等半径分别设有喷嘴，且两个喷嘴轴线位于同一水平面，对应角度可调。

2.一种采用权利要求1所述的高温熔融微液滴碰撞装置进行熔融微液滴碰撞的方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.称重两块同质量的高熔点金属，分别放入双腔石墨坩埚的腔室内，并通过坩埚安装支架和螺栓将双腔石墨坩埚固定在密闭容器内顶部；

步骤2.在液滴的碰撞区域放置标准尺，调整高速摄影仪焦距，拍摄记录标准尺比例大小后，移去标准尺，并打开电磁感应加热器，熔化双腔石墨坩埚内的金属；

步骤3.设置第一进气电磁阀和第二进气电磁阀进气的工作时间、第二排气电磁阀和第一排气电磁阀排气工作时间、第一减压阀和第二减压阀的压力值，通过控制进入双腔石墨坩埚的两个腔室的进气量和排气量来驱动金属熔融液体生成两个所需粒径和速度的微液滴；

步骤4.根据需要预先设计液滴的碰撞角度，同时打开计算机控制系统和高速摄影仪，拍摄金属熔融微液滴碰撞过程。