CN108562422B - 复杂环境下液体动力学特性试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复杂环境下液体动力学特性试验装置，属于机电一体化精密仪器领域。包括复杂环境加载平台和温湿控制箱。其中，复杂环境加载平台包括XYZ三自由度快速定位机构、电场加载模块、温度场加载模块、磁场加载模块、光照加载模块、液体控制模块、基座、支架和载物台等，温湿控制箱包括温度控制模块、湿度控制模块和箱体等。优点在于：整体结构紧凑，占用空间小；采用模块化设计方法，既能够实现电场、温度场、磁场、光照的单独加载，又能实现其耦合加载，结合温度、湿度可控的环境氛围，可最大程度的模拟液体作用的实际情况，为探究复杂环境下液体的动力学特性提供了有效的方法和手段。
Description
技术领域
本发明涉及机电一体化精密仪器领域，特别涉及一种液体动力学特性试验装置，尤指一种复杂环境下液体动力学特性试验装置。是一种能够提供电场、温度场、磁场、光照加载和恒温恒湿的多氛围环境，模拟液体作用的实际工况并对液体在复杂环境下凝固、汽化、溅射、润湿等进行探究的试验装置。
背景技术
生产和生活离不开液体，人们对液体的研究由来已久，传统的研究多局限于液体在单一场下的动力学特性，如高温表面上液体的莱顿弗罗斯特效应，电场下液体对于疏水表面的电润湿效应等等。随着科技的进步和发展，人们越来越认识到液体的动力学特性不仅受单一场的影响，而且与液体所处的复杂的氛围环境和多场耦合因素等密切相关，液体在复杂环境下会表现出与通常情况下不同甚至完全相反的特性。
在复杂环境下，液体的试验条件更加苛刻，液体的物理性能和力学行为也会与单一场作用有所区别，如磁流变抛光时磁流变液会受到磁场和温度的影响，激光3D打印时光敏树脂的固化会受到光照和温度的影响等等。然而直到现在，对于复杂环境下液体动力学特性的研究还没有比较成熟的试验装置，这给液体动力学特性的研究带来了很大的限制与不便。
因此，无论是从基础研究的角度考虑，还是从工程应用的角度考虑，一种集成温度、湿度调节并且可实现电场、温度场、磁场、光照加载的液体动力学特性试验装置对于研究液体在复杂环境下的动力学特性具有重要意义，这也必将促进微流控、医疗卫生、液体输送、机械加工以及材料防护等诸多领域的进步和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂环境下液体动力学特性试验装置，解决现有技术对液体动力学特性研究的局限性问题，尤其是解决复杂环境加载和精确调控问题。本发明除可进行传统的单一场作用下液体动力学特性的研究，也可以结合温度、湿度可控的环境氛围进行电场、温度场、磁场、光照及其耦合作用下液体动力学特性的研究。本发明基于多场耦合的机理，采用模块化设计方式，可以实现任意两个或两个以上物理场的耦合加载，结合温度、湿度可控的环境氛围，可以满足复杂环境下探究液体动力学特性的试验要求。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
复杂环境下液体动力学特性试验装置，包括复杂环境加载平台1和温湿控制箱2两部分，复杂环境加载平台1整体采用立式对称结构布置，位于温湿控制箱2内；复杂环境加载平台1包括电热耦合加载模块a103、电热耦合加载模块b107、磁场加载模块108、光照加载模块109、液体控制模块102、X向运动机构110、Y向运动机构106、Z向运动机构101、支架111、基座104和载物台105，所述电热耦合加载模块a103安装在Z向运动机构101上；电热耦合加载模块b107安装在基座104上；磁场加载模块108和光照加载模块109位于基座上方；Y向运动机构106和Z向运动机构101通过支架111与基座104上的X向运动机构110相连；液体控制模块102安装在Z向运动机构101上，载物台105位于液体控制模块102下方，与电热耦合加载模块b107相连，对载物台上方的液体施加电场、温度场、磁场和光照并探究液体在复杂环境下的动力学特性。
所述的电热耦合加载模块a103和电热耦合加载模块b107均采用液氮制冷和电热丝加热相结合的技术实现温度场的加载。
所述的电热耦合加载模块a103和电热耦合加载模块b107分别连接电源的电极a10303和电极b10703，采用在两极间加电压的方式实现电场的加载；所述电极a10303通过传热板a10302与冷热器a10301相连，电极b10703通过传热板b10702与冷热器b10701相连。
所述的磁场加载模块108采用电磁铁通电产生磁场的方式实现磁场的加载。
所述的光照加载模块109采用激光照射的方式实现光照的加载。
所述的液体控制模块102采用电热丝加热和半导体制冷相结合的技术控制液体的温度，采用控制微量进样器10208进给的方式实现液体体积的精确微量控制。
所述的基座104由大理石材料构成，降低外界振动对试验测试的影响。
所述的传热板a10302、传热板b10702和载物台105均由绝缘导热材料构成，以实现电极a10303与冷热器a10301绝缘，电极b10703与冷热器b10701绝缘。
所述的液体控制模块102和电热耦合加载模块a103均可以实现X、Y、Z三个自由度的移动和定位。
本发明的有益效果在于：
本发明可实现电场、温度场、磁场、光照的耦合加载，针对不同的试验要求，可以组合设计不同的加载方案，结合温度、湿度可控的环境氛围，能够精确的模拟液体作用的客观条件，探究液体在复杂环境下的动力学特性。
本发明采用模块化设计，结构紧凑，布局合理，功能齐全，可以对不同类别的液体开展液体动力学特性试验研究。
本发明操作简单，控制方便，拓展了探究液体动力学特性的试验领域，具有十分重要的科学意义和广阔的应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为本发明的复杂环境加载的原理示意图；
图3为本发明的复杂环境加载平台的正等轴测图；
图4为本发明的复杂环境加载平台的左视图；
图5为本发明的复杂环境加载平台的俯视图；
图6为本发明的电热耦合加载模块的结构示意图；
图7为本发明的液体控制模块的结构示意图；
图8为本发明的基座的剖视图；
图9为本发明的光照加载模块的结构示意图。
图中：1、复杂环境加载平台；2、温湿控制箱；101、Z向运动机构；102、液体控制模块；103、电热耦合加载模块a；104、基座；105、载物台；106、Y向运动机构；107、电热耦合加载模块b；108、磁场加载模块；109、光照加载模块；110、X向运动机构；111、支架；10101、连接件a；10102、连接件b；10201、伺服电机a；10202、内六角螺钉a；10203、内六角螺钉b；10204、液体温控器；10205、内六角螺钉c；10206、针头；10207、内六角螺钉d；10208、微量进样器；10209、蜗轮；10210、蜗杆；10211、齿条；10301、冷热器a；10302、传热板a；10303、电极a；10304、内六角螺钉e；10401、内六角螺钉f；10402、基座底板；10403、连接筒a；10404、连接筒b；10405、基座平板；10406、内六角螺钉g；10407、立柱；10601、内六角螺钉h；10602、连接件c；10701、冷热器b；10702、传热板b；10703、电极b；10704、内六角螺钉i；10801、磁极a；10802、磁极b；10901、手轮；10902、光发射器；10903、发射器支座；11001、连接件d；11101、内六角螺钉j。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图9所示，本发明的复杂环境下液体动力学特性试验装置，包括复杂环境加载平台和温湿控制箱。其中，复杂环境加载平台包括XYZ三自由度快速定位机构、电场加载模块、温度场加载模块、磁场加载模块、光照加载模块、液体控制模块、基座、支架和载物台等，温湿控制箱包括温度控制模块、湿度控制模块和箱体等。本发明的优点在于：整体结构紧凑，占用空间小；采用模块化设计方法，既能够实现电场、温度场、磁场、光照的单独加载，又能实现其耦合加载，结合温度、湿度可控的环境氛围，可最大程度的模拟液体作用的实际情况，为探究复杂环境下液体的动力学特性提供了有效的方法和手段。
参见图1至图9所示，本发明的复杂环境下液体动力学特性试验装置，包括复杂环境加载平台1和温湿控制箱2两部分。复杂环境加载平台1整体采用立式对称结构布置，位于温湿控制箱2内。复杂环境加载平台1包括电热耦合加载模块a103、电热耦合加载模块b107、磁场加载模块108、光照加载模块109、液体控制模块102、X向运动机构110、Y向运动机构106、Z向运动机构101、支架111、基座104和载物台105。
参见图1、图2、图3及图5所示，所述的电热耦合加载模块a103主要由冷热器a10301、传热板a10302、电极a10303组成，电热耦合加载模块a103通过内六角螺钉e10304安装在Z向运动机构101的连接件a10101上。施加温度场时，控制端向电热耦合加载模块a103发出温度控制指令，电热耦合加载模块a103上的热电偶采集电极a10303的温度并作出反馈，控制端通过控制冷热器a10301的电热丝功率和液氮流量实现加热或者制冷；施加电场时，根据控制要求，控制端向电极a10303施加相应电势。
参见图1、图2、图3及图5所示，所述的电热耦合加载模块b107主要由冷热器b10701、传热板b10702、电极b10703组成，电热耦合加载模块b107通过内六角螺钉i10704固定在基座104的基座平板10405上。施加温度场时，控制端向电热耦合加载模块b107发出温度控制指令，电热耦合加载模块b107上的热电偶采集载物台105的温度并作出反馈，控制端通过控制冷热器b10701的电热丝功率和液氮流量实现加热或者制冷；施加电场时，根据控制要求，控制端向电极b10703施加相应电势，电极a10303和电极b10703之间形成电压，实现电场的加载。
参见图1、图2及图3所示，所述的磁场加载模块108安装在基座104上，磁极a10801和磁极b10802位于载物台105两端，根据控制要求，控制端通过控制电磁铁的电流大小，在磁极a10801和磁极b10802之间形成所需磁场，实现了磁场的加载。
参见图1、图2、图4以及图9所示，所述光照加载模块109安装在基座104上，主要由手轮10901、光发射器10902和发射器支座10903组成，根据控制要求，可以通过手轮10901控制光发射器10902射出光的角度，通过控制端控制光的强度，即可实现光照的加载。光发射器10902安装在发射器支座10903上。
参见图1、图2及图6所示，所述的液体控制模块102通过内六角螺钉a10202和内六角螺钉c10205安装在连接件b10102上，连接件b10102通过内六角螺钉b10203与Z向运动机构101的连接件a10101相连。液体控制模块102主要由伺服电机a10201、蜗杆10210、蜗轮10209、齿条10211、微量进样器10208、液体温控器10204、针头10206组成。通过控制伺服电机a10201旋转，使蜗杆10210带动蜗轮10209旋转，蜗轮10209上的齿轮将运动传递给齿条10211，齿条10211推动微量进样器10208的推杆，再配合粗细不同的针头10206，即可实现液体体积的精确控制。微量进样器10208通过内六角螺钉d10207与液体温控器10204相连，液体温控器10204采用电热丝加热和半导体制冷相结合的技术对微量进样器10208进行加热或制冷，即可实现液体温度的精确控制。
参见图2、图3及图7所示，所述的基座104主要由基座底板10402、连接筒a10403、连接筒b10404、基座平板10405、立柱10407组成。基座底板10402通过内六角螺钉f10401与镶嵌在立柱10407上的连接筒a10403相连；基座平板10405通过内六角螺钉g10406与镶嵌在立柱10407上的连接筒b10404相连；基座底板10402、基座平板10405和立柱10407均由大理石材料制成，可以有效减小外界振动对复杂环境加载平台1的影响。
参见图2及图5所示，所述的载物台105通过导热胶与电极b10703相连，传热板a10302、传热板b10702和载物台105均由绝缘导热材料构成，其目的是传导热量，同时将电极与其它相邻的零部件绝缘。
参见图2、图3及图4所示，所述的X向运动机构110、Y向运动机构106和Z向运动机构101主要由伺服电机、电机座、连轴器、丝杠螺母和导轨滑块组成。Y向运动机构106通过内六角螺钉h10601固定在基座底板10402上，其连接件c10602通过内六角螺钉j11101与支架111相连，支架111通过螺纹和销连接的形式与X向运动机构110相连，X向运动机构110的连接件d11001通过螺纹和销连接的形式与Z向运动机构101相连，如此Z向运动机构101上的零部件便实现了XYZ三个方向的运动和定位。
参见图1至图7所示，本发明的复杂环境下液体动力学特性试验装置，首先通过控制复杂环境加载平台1的XYZ三坐标快速定位机构，将液体控制模块102的试验液体滴在载物台105上，然后根据试验要求，选择性地加载电场、温度场、磁场和光照，结合温湿控制箱2控制环境的温度和湿度，对液体展开复杂环境下的动力学特性研究，最后通过相应表征及检测设备对试验结果进行分析和评价。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种复杂环境下液体动力学特性试验装置，其特征在于：包括复杂环境加载平台（1）和温湿控制箱（2）两部分，复杂环境加载平台（1）整体采用立式对称结构布置，位于温湿控制箱（2）内；复杂环境加载平台（1）包括电热耦合加载模块a（103）、电热耦合加载模块b（107）、磁场加载模块（108）、光照加载模块（109）、液体控制模块（102）、X向运动机构（110）、Y向运动机构（106）、Z向运动机构（101）、支架（111）、基座（104）和载物台（105），所述电热耦合加载模块a（103）安装在Z向运动机构（101）上；电热耦合加载模块b（107）安装在基座（104）上；磁场加载模块（108）和光照加载模块（109）位于基座上方；Y向运动机构（106）和Z向运动机构(101)通过支架（111）与基座（104）上的X向运动机构（110）相连；液体控制模块（102）安装在Z向运动机构（101）上，载物台（105）位于液体控制模块（102）下方，与电热耦合加载模块b（107）相连，对载物台上方的液体施加电场、温度场、磁场和光照并探究液体在复杂环境下的动力学特性；
所述的电热耦合加载模块a（103）和电热耦合加载模块b（107）均采用液氮制冷和电热丝加热相结合的技术实现温度场的加载；
所述的电热耦合加载模块a（103）和电热耦合加载模块b（107）分别连接电源的电极a（10303）和电极b（10703），采用在两极间加电压的方式实现电场的加载；所述电极a（10303）通过传热板a（10302）与冷热器a（10301）相连，电极b（10703）通过传热板b（10702）与冷热器b（10701）相连；
所述的液体控制模块（102）采用电热丝加热和半导体制冷相结合的技术控制液体的温度，采用控制微量进样器（10208）进给的方式实现液体体积的精确微量控制；
所述的传热板a（10302）、传热板b（10702）和载物台（105）均由绝缘导热材料构成，以实现电极a（10303）与冷热器a（10301）绝缘，电极b（10703）与冷热器b（10701）绝缘。
2.根据权利要求1所述的复杂环境下液体动力学特性试验装置，其特征在于：所述的磁场加载模块（108）采用电磁铁通电产生磁场的方式实现磁场的加载。
3.根据权利要求1所述的复杂环境下液体动力学特性试验装置，其特征在于：所述的光照加载模块（109）采用激光照射的方式实现光照的加载。
4.根据权利要求1所述的复杂环境下液体动力学特性试验装置，其特征在于：所述的基座（104）由大理石材料构成，降低外界振动对试验测试的影响。
5.根据权利要求1所述的复杂环境下液体动力学特性试验装置，其特征在于：所述的液体控制模块（102）和电热耦合加载模块a（103）均可以实现X、Y、Z三个自由度的移动和定位。
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