CN108444719A - 液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置及其加热系统 - Google Patents

液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置及其加热系统 Download PDF

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吴晗
王利利
刘福水
岑春泽
汤成龙
李佳峰
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Abstract

本发明公开了一种液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置，包括液滴注射系统、玻璃壁面和可视化系统，还包括加热系统；所述加热系统的加热热源为环形，环形加热热源与玻璃壁面相接触，环形加热热源所围玻璃壁面区域为液滴碰壁实验区；配合周布式光源，可视化系统从玻璃壁面底部或上部任何角度拍摄液滴碰壁实验过程。本发明还公开了一种应用于上述测试装置的加热系统。本发明所提供的可视化测试装置采用新颖的玻璃壁面加热方法，可以清晰地观察在不同温度下的碰壁过程中的液滴形态变化，可以更好更全面地研究液滴碰壁现象。

Description

液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置及其加热系统
技术领域
本发明涉及液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置及其加热系统。
背景技术
对于缸内直喷发动机，随着其向结构小型化与高增压、高喷油压力的方向发展，燃料由于蒸发时间有限等原因容易撞击并附着在气缸壁以及活塞壁上形成附壁油膜，造成实际燃油损失，降低了发动机经济性。同时，因为循环中的油膜蒸发量很少，因此还会影响发动机后续工作循环的混合气形成。随着附壁油膜的不断积累，会在局部形成一个富燃料区，造成碳烟颗粒物排放大大增加，并且形成积碳。而积碳相当于一个个的热点，在缸内温度较高时，易使其周围的混合气自燃，从而产生超级爆震，严重损坏发动机。因此，可以从液滴碰壁方向来研究提高发动机经济性以及抑制超级爆震的方法。
现有技术中的液体碰壁实验，壁面一般分为玻璃材料与金属材料两种。使用玻璃的壁面会使拍摄的图像非常清晰，同时由于玻璃的透明特性也可以将摄像头置于玻璃下面仰拍，可以清晰地观察到液滴底面在碰壁过程中的变化，这是金属材料壁面所不能实现的。但是现有技术中，玻璃一般用来进行壁面温度为常温下的实验，这是因为加热装置一般置于壁面下面，这样就无法利用玻璃的透明特性进行仰拍，使得玻璃壁面没有了最大优点，而玻璃的导热率又远远低于诸如铜之类的金属，使得加热效率不太理想。因此，在现有技术中，研究人员使用玻璃壁面模拟常温下的液滴碰壁情况，主要研究液滴碰壁时的形态变化，不做温度的变化；使用金属壁面模拟各个温度下的液滴碰壁情况，主要研究温度对碰壁过程的影响。
目前，还没有一种液体碰壁方案能够结合金属壁面和玻璃壁面的优势，可以清晰地观察在不同温度下碰壁过程中的液滴形态变化，从而有助于更好地研究液滴碰壁现象。
发明内容
有鉴于此，根据液滴碰壁的特点，本发明提供了一种滴碰撞高温壁面的可视化测试装置，以及该装置使用的加热系统，该可视化测试装置采用新颖的玻璃壁面加热方法，可以清晰地观察在不同温度下的碰壁过程中的液滴形态变化，可以更好地研究液滴碰壁现象。
为实现上述目的，本发明提供了一种滴碰撞高温壁面的可视化测试装置，其包括：液滴注射系统、玻璃壁面、加热系统和可视化系统。
所述加热系统的加热热源为环形，环形加热热源与玻璃壁面相接触，环形加热热源所围玻璃壁面区域为液滴碰壁实验区；可视化系统利用周布式光源，从玻璃壁面底部或上部任何角度拍摄液滴碰壁实验过程。该加热系统为一环形加热热源，可以使得玻璃壁面得到均匀的加热。与传统从壁面底部加热相比，环形加热热源使得从底部观察液滴撞击加热玻璃壁面变为可能。
优选地，所述环形加热热源包裹在圆形玻璃壁面圆周外侧。
优选地，液滴注射系统为一液滴注射器，其高度可调节，可以控制液滴下落高度进而控制液滴碰壁速度。
优选地，可视化系统由一环形LED光源、一45度反射镜以及两台高速相机组成。来自环形LED光源的光可以使得整个液滴变得透明，可以观察液滴内部的情况，比如是否携带气泡等等。45度反射镜可以使得垂直光路变为水平光路，从底部观察液滴碰壁。其中一台高速相机置于上表面位置以人意角度拍摄液滴碰壁过程；另一台高速相机通过45度反射镜的反射，透过所述玻璃壁面仰拍液滴碰壁过程。
本发明还提供了一种应用于上述液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置的加热系统，其包括加热控制器和环形加热热源；环形加热热源与液滴碰壁实验装置中的玻璃壁面相接触，环形加热热源所围玻璃壁面区域为液滴碰壁实验区。
优选地，所述包裹在圆形玻璃壁面圆周外侧。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用环形加热热源，一是可以使得玻璃壁面得到均匀的加热，二是可以留出圆形区域作为拍摄场，与传统从壁面底部加热相比，环形加热热源使得从底部观察液滴撞击加热玻璃壁面变为可能，实现高温撞壁正面形态的有效获取。
(2)在一优选实施例中，环形加热热源采用透明玻璃侧面加热方式，热损失小，加热更为均匀。
(3)在一优选实施例中，采用环形光源，一是适于任意角度的液滴形态拍摄，二是使得整个液滴变得透明，可以观察液滴内部的情况，实现高温撞壁细节的有效获取；而且环形光源中间区域还可以放置液滴注射系统，使得整个装置更为紧凑。
(4)在一优选实施例中，采用双高速相机在底面和侧面的同时拍摄，可以利用拍摄图像还原3D过程。
附图说明
图1为本发明液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置的示意图。
其中，1-液滴发生器，2-环形LED光源，3-环形加热热源，4-高速相机，5-玻璃壁面，6-45度反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
首先，本发明提供了一种带有玻璃壁面加热装置的液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置，该可视化测试装置包括：液滴注射系统、玻璃壁面、加热系统和可视化系统。
如图1所示，液滴注射系统为一液滴注射器，设置在玻璃壁面上方，其高度可调节，可以控制液滴下落高度进而控制液滴碰壁速度。
加热系统包括加热控制器和热源，其中热源为一环形加热热源，环形加热热源与玻璃壁面相接触，环形加热热源所围玻璃壁面区域为液滴碰壁实验区，由于采用环形形状，一是可以使得玻璃壁面得到均匀的加热，二是可以留出圆形区域作为拍摄场，与传统从壁面底部加热相比，环形加热热源使得从底部观察液滴撞击加热玻璃壁面变为可能。
环形加热热源有两种实施方式，一是如图1所示包裹在圆形玻璃壁面圆周外侧；另一种是环形加热热源放置在玻璃壁面上表面或黏贴在玻璃壁面下表面。
可视化系统用于从玻璃壁面底部拍摄液滴碰壁实验过程。本实施例中，可视化系统利用周布式光源，从玻璃壁面底部或上部任何角度拍摄液滴碰壁实验过程，从而可以获得多维、清晰的实验过程。具体来说，该可视化系统由一环形LED光源、一45度反射镜以及两台高速相机组成。环形LED光源设置在玻璃壁面上方，45度反射镜设置在玻璃壁面下方，使得垂直光路变为水平光路，便于相机拍摄。来自环形LED光源的光可以使得整个液滴变得透明，可以观察液滴内部的情况，比如是否携带气泡等等，而且环形LED光源中间区域还可以放置液滴注射系统。其中一台高速相机拍摄玻璃壁面上表面的液滴碰壁过程；另一台高速相机通过45度反射镜的反射，透过所述玻璃壁面仰拍液滴碰壁过程。两台及以上高速相机可以获得多维拍摄结果。
下面对实验过程进行详细描述。
(1)使用蒸馏水清洗玻璃实验平台表面，以防实验平面上的杂质影响实验结果。
(2)启动环形加热热源，设定实验温度，使其开始加热。
(3)由于环形加热热源玻璃在加热过程中会有热损失，因此玻璃实验平台的表面温度会低于实验温度，故加热一段时间后，用K型测温计测量玻璃实验平台的表面温度，待其稳定后，将其与实验温度比较，若与实验温度不一致，则相应调节环形加热热源的设定温度，重复测量，直至玻璃实验平台的表面温度与实验温度一致。
(4)此时便可进行液滴碰壁实验。
(5)完成一组实验后，若需要改变温度，重复实验步骤(3)。
由以上实例可以看出，本发明提供的液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置用以清晰地观察在不同温度下的碰壁过程中的液滴形态变化，可以更好地研究液滴碰壁现象。

Claims (7)

1.一种液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置，包括液滴注射系统、玻璃壁面和可视化系统，其特征在于，还包括加热系统；所述加热系统的加热热源为环形，环形加热热源与玻璃壁面相接触，环形加热热源所围玻璃壁面区域为液滴碰壁实验区；可视化系统利用周布式光源，从玻璃壁面底部或上部任何角度拍摄液滴碰壁实验过程。
2.如权利要求1所述的液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置，其特征在于，所述环形加热热源包裹在圆形玻璃壁面圆周外侧。
3.如权利要求1所述的液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置，其特征在于，所述液滴注射系统为一高度可调节的液滴注射器。
4.如权利要求1所述的液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置，其特征在于，所述可视化系统由一环形LED光源、一45度反射镜以及两台高速相机组成；环形LED光源设置在玻璃壁面上方，45度反射镜设置在玻璃壁面下方，使得垂直光路变为水平光路；其中一台高速相机置于上表面位置以人意角度拍摄液滴碰壁过程；另一台高速相机通过45度反射镜的反射，透过所述玻璃壁面仰拍液滴碰壁过程。
5.如权利要求4所述的液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置，其特征在于，所述环形LED光源的圆心位于环形加热热源的圆心轴上。
6.一种应用于液滴碰撞高温壁面的可视化测试装置的加热系统，其特征在于，包括加热控制器和环形加热热源；环形加热热源与液滴碰壁实验装置中的玻璃壁面相接触，环形加热热源所围玻璃壁面区域为液滴碰壁实验区。
7.如权利要求6所述的加热系统，其特征在于，所述环形加热热源包裹在圆形玻璃壁面圆周外侧。
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