CN108827640A - 一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置 - Google Patents

一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，属于液滴碰壁实验技术领域，包括：气路模块、气流加速控制模块及液滴产生模块；所述气路模块用于提供驱动液滴加速下落的气体，并对气体流量和压力进行控制；所述液滴产生模块用于重复产生单个液滴；所述气流加速控制模块用于对气路模块提供的气体的气流进行引导，消除湍流，产生层流，并通过层流对液滴进行加速处理，使液滴加速下落，滴落在测试平面上；本发明能够真实的模拟发动机内喷雾的形成，且能够方便迅速的改变液滴韦伯数，能够产生9000韦伯数的液滴，实现了液滴的高速碰撞。

Description

一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置
技术领域
本发明属于液滴碰壁实验技术领域，具体涉及一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置。
背景技术
增压是实现汽油机节能减排的一条重要途径。然而随着汽油机强化程度不断提高，在低转速大负荷工况下出现了一种被称为“超级爆震”的不正常燃烧现象，缸内峰值压力可超过30MPa，压力震荡幅度可超过20MPa，具有极强的破坏性，可造成火花塞断裂、气门熔断或活塞烧蚀。早燃是指火花点火前出现的着火现象，早燃和超级爆震之间存在着密切的联系。超级爆震前一定发生了早燃，早燃是发生超级爆震的必要非充分条件。因而，抑制超级爆震的一条重要途径就是杜绝早燃。机油液滴诱发早燃机理成为目前早燃诱因的主流观点。该机理认为，对于缸内直喷发动机，燃油喷雾碰壁导致气缸壁面的机油油膜被稀释，机油黏度和表面张力降低。机油稀释的比例越大，机油黏度和表面张力降低的幅度就越大。在压缩冲程活塞接近上止点位置时，活塞向上做减速运动，速度与加速度方向相反。此时在气缸壁面、活塞侧面和第一道活塞环所围成的间隙内的机油，容易在惯性力的作用下，以机油液滴的形式进入燃烧室中。机油液滴中含有的部分易燃物质，在机油表面蒸发并形成着火延迟较短的可燃气体，在一定的温度和压力条件下，可燃气体自燃并点燃周围的混合气，最终导致早燃的发生。如果能深入了解液滴碰撞壁面的机理并控制其碰撞效果，则可能缓解汽油机超级爆震的问题。
现有技术中的液体碰壁实验，一般是液滴靠自身重力下落撞击在壁面上，这就导致该实验模型与真实的发动机内部工况相差甚远。首先，传统的实验装置中，液滴靠自身重力下落，忽略了喷射压力及气流对液滴的影响，不能较为真实的模拟发动机内喷雾的形成；其次，目前液滴碰壁装置在针对产生较高韦伯数的液滴所采取的方法是提高针头距离壁面的位置，该方法操作起来费时费力，对于较高的韦伯数有时需要搭建高达几米的实验设备，造成实验过程具有一定危险性；最后，大部分针对液滴碰壁研究的实验装置产生的液滴韦伯数小于3500，对于韦伯数高于3500的研究几乎没有。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，能够真实的模拟发动机内喷雾的形成，且能够方便迅速的改变液滴韦伯数，能够产生9000韦伯数的液滴，实现了液滴的高速碰撞。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，包括：气路模块、气流加速控制模块及液滴产生模块；
所述气路模块用于提供驱动液滴加速下落的气体，并对气体流量和压力进行控制；
所述液滴产生模块用于重复产生单个液滴；
所述气流加速控制模块用于对气路模块提供的气体的气流进行引导，消除湍流，产生层流，并通过层流对液滴进行加速处理，使液滴加速下落，滴落在测试平面上。
进一步，还包括加热模块，所述加热模块用于加热液滴滴落的测试平面的温度，来模拟发动机燃烧室内表面的温度。
进一步，所述气路模块包括：压缩气瓶、减压阀和气体流量控制器；减压阀和气体流量控制器均安装在压缩气瓶的出气管道上。
进一步，所述液滴产生模块包括注射器、导管及针头；注射器内装有液体，注射器的出口端通过导管与针头连接并相通，在驱动力的作用下，注射器内的液体通过导管流入到针头中，通过所述针头产生液滴。
进一步，还包括驱动泵，驱动泵用于推动注射器的活塞杆运动。
进一步，所述气流加速控制模块包括：扩散器、矫直机、针头支架及喷嘴；所述扩散器为圆台状筒体，其小径端与气路模块的出气管道对接并相通，其大径端与圆筒状的矫直机的一端同轴对接，矫直机的另一端通过同轴布置的圆环状的针头支架与喷嘴的大径端同轴对接；
针头的水平部分安装在针头支架上，针头的竖直部分与喷嘴的小径端相对，通过针头流出的液滴在喷嘴被气体驱动加速后，通过喷嘴的小径端加速滴落。
进一步，所述矫直机内部安装有筛管和筛网；两个以上与矫直机轴线平行的筛管密集安装在矫直机的上部，两个以上筛网同轴并列安装在矫直机的下部；
进一步，两个以上筛管密集安装在圆环状的压块中，通过圆环状的压块安装在矫直机内；每个筛网的上、下表面通过两个压块压紧后，安装在矫直机内。
进一步，所述加热模块包括：恒温加热平台、活动平板和测温仪；恒温加热平台位于气流加速控制模块的下方，恒温加热平台上安装有活动平板，活动平板即为液滴滴落的测试平面；所述测温仪用于测量活动平板的温度，通过调节恒温加热平台使活动平板的温度控制在发动机燃烧室内表面的温度范围内。
进一步，还包括可视化模块，可视化模块用于采集液滴滴落过程的图像；
所述可视化模块包括：光源、均光片、高速相机和计算机；光源和均光片均位于测试平面的一侧，高速相机位于测试平面的另一侧，光源与高速相机相对；高速相机用于采集液滴滴落过程的图像，高速相机与计算机电路连接，计算机用于接收所述图像；光源用于提供照明；均光片用于将光源发出的点光源均匀漫射成面光源。
有益效果：(1)本发明考虑了喷射压力及气流对液滴的影响，能够较为真实的模拟发动机内喷雾的形成；通过气流来驱动液滴加速，通过改变气体流量及压力，可以改变液滴的滴落速度，进而方便迅速的改变液滴韦伯数，扩大液滴撞壁实验在韦伯数方向的研究领域，同时，综合考虑了气流及压力对液滴碰壁的影响。
(2)本发明通过恒温加热平台对液滴滴落的活动平板进行加热，使活动平板的温度控制在发动机燃烧室内表面的温度范围内，能够模拟发动机内部真实工况下的喷雾的产生过程。
(3)本发明通过可视化模块能够实时观察液滴滴落的实验现象，以便及时反馈。
(4)本发明能够在产生超高韦伯数液滴的条件下有效减少装置体积，且实验过程中安全性较高，能有效保障实验操作人员的人身安全。
附图说明
图1为本发明的组成示意图；
图2为本发明的气流加速控制模块的组成示意图；
图3为本发明的矫直机内部示意图；
图4为本发明的喷嘴内表面的函数曲线图；
其中，1-压缩气瓶，2-减压阀，3-气体流量控制器，4-导管，5-支架平台，6-驱动泵，7-注射器，8-支架，9-计算机，10-高速相机，11-活动平板，12-恒温加热平台，13-均光片，14-光源，15-扩散器，16-矫直机，17-针头支架，18-针头，19-喷嘴，20-筛管，21-筛网，22-压块。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，参见附图1，包括：气路模块、气流加速控制模块、液滴产生模块、加热模块及可视化模块；
所述气路模块用于提供气体并对气体流量和压力进行控制，包括：压缩气瓶1、减压阀2和气体流量控制器3；减压阀2和气体流量控制器3均安装在压缩气瓶1的出气管道上；
所述液滴产生模块用于重复产生单个液滴，包括支架8、驱动泵6、注射器7、导管4及针头18；驱动泵6和注射器7均安装在支架8上，注射器7内装有液体，注射器7的出口端通过导管4与针头18连接并相通，驱动泵6用于推动注射器7的活塞杆运动，使得注射器7内的液体通过导管4流入到针头18中，所述针头18弯折90度，其竖直部分末端产生液滴滴落下来；导管4采用橡胶材料；
所述气流加速控制模块安装在支撑平台5上，用于对气路模块提供的气体的气流进行引导，消除湍流，产生稳定可控的层流，并通过层流对液滴进行加速处理，使液滴加速滴下，参见附图2，包括：扩散器15、矫直机16、针头支架17及喷嘴19；所述扩散器15为圆台状筒体，其小径端与压缩气瓶1的出气管道相通，其大径端与圆筒状的矫直机16的一端同轴对接，矫直机16的另一端通过同轴布置的圆环状的针头支架17与喷嘴19的大径端同轴对接；针头18的水平部分安装在针头支架17上，针头18的竖直部分与喷嘴19的小径端(即为出口端)相对，通过针头18流出的液滴在喷嘴19内被气体驱动加速后，通过喷嘴19的小径端加速滴落；喷嘴19的内表面按照函数曲线加工，参见附图4，其中，y为喷嘴19的内径，x为喷嘴19从其小径端端面为零点开始的轴向长度；
其中，参见附图3，所述矫直机16内部安装有筛管20、筛网21及圆环状的压块22；两个以上与矫直机16轴线平行的筛管20安装在矫直机16的上部，两个以上筛网21同轴并列安装在矫直机16的下部；其中，两个以上筛管20密集安装在圆环状的压块22中，通过圆环状的压块22安装在矫直机16内；每个筛网21的上、下表面通过两个压块22压紧后，安装在矫直机16内；所述筛管20为塑料筛管，筛网21为50目筛网；筛管20和筛网21用于消除气流中的湍流；
所述加热模块用于加热液滴滴落的测试平面的温度，来模拟发动机燃烧室内表面的温度，包括：恒温加热平台12、活动平板11和测温仪；恒温加热平台12安装在支撑平台5上，并位于喷嘴19的下方，恒温加热平台12上安装有活动平板11，活动平板11即为液滴滴落的测试平面，活动平板11可以从恒温加热平台12拆下，以方便清洗液滴蒸发留下的痕迹；所述测温仪用于测量活动平板11的温度，通过调节恒温加热平台12使活动平板11的温度控制在发动机燃烧室内表面的温度范围内；
所述可视化模块用于采集液滴滴落过程的图像，包括：光源14、均光片13、高速相机10和计算机9；光源14和均光片13均位于活动平板11的一侧，高速相机10位于活动平板11的另一侧，光源14与高速相机10相对；高速相机10用于采集液滴滴落过程的图像，高速相机10与计算机9电路连接，计算机9用于接收所述图像；光源14用于提供照明，采用氙灯光源；均光片13用于将光源14发出的点光源均匀漫射成面光源，以达到更好的照明效果。
工作原理：打开压缩气瓶1后，压缩气瓶1内的气体通过减压阀2控制气压，通过流量控制器3设定目标流量后，通过出气管道流入到气流加速控制模块的扩散器15中，形成气流；扩散器15为内径上小下大的圆台，由于横截面积增加，气流减速，便于后续调整；然后气流进入矫直机16，密集的筛管20和筛网21会消除大部分的湍流，留下稳定的层流；最后气流进入喷嘴19，喷嘴19的内径上大下小，气流逐渐加速由喷嘴19喷出；
然后开启驱动泵6，驱动泵6推动注射器7的活塞杆运动，将注射器7内的液体通过导管4和针头18流出，在针头18的竖直部分末端产生液滴，液滴在喷嘴19内在气流的作用下进行加速滴落；
液滴从喷嘴19的小径端滴落时，开启高速相机10对液滴的滴落过程进行拍摄，并将采集的图像发送并储存在计算机9内。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，其特征在于，包括：气路模块、气流加速控制模块及液滴产生模块；
所述气路模块用于提供驱动液滴加速下落的气体，并对气体流量和压力进行控制；
所述液滴产生模块用于重复产生单个液滴；
所述气流加速控制模块用于对气路模块提供的气体的气流进行引导，消除湍流，产生层流，并通过层流对液滴进行加速处理，使液滴加速下落，滴落在测试平面上。
2.如权利要求1所述的一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，其特征在于，还包括加热模块，所述加热模块用于加热液滴滴落的测试平面的温度，来模拟发动机燃烧室内表面的温度。
3.如权利要求1所述的一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，其特征在于，所述气路模块包括：压缩气瓶(1)、减压阀(2)和气体流量控制器(3)；减压阀(2)和气体流量控制器(3)均安装在压缩气瓶(1)的出气管道上。
4.如权利要求1所述的一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，其特征在于，所述液滴产生模块包括注射器(7)、导管(4)及针头(18)；注射器(7)内装有液体，注射器(7)的出口端通过导管(4)与针头(18)连接并相通，在驱动力的作用下，注射器(7)内的液体通过导管(4)流入到针头(18)中，通过所述针头(18)产生液滴。
5.如权利要求4所述的一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，其特征在于，还包括驱动泵(6)，驱动泵(6)用于推动注射器(7)的活塞杆运动。
6.如权利要求4所述的一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，其特征在于，所述气流加速控制模块包括：扩散器(15)、矫直机(16)、针头支架(17)及喷嘴(19)；所述扩散器(15)为圆台状筒体，其小径端与气路模块的出气管道对接并相通，其大径端与圆筒状的矫直机(16)的一端同轴对接，矫直机(16)的另一端通过同轴布置的圆环状的针头支架(17)与喷嘴(19)的大径端同轴对接；
针头(18)的水平部分安装在针头支架(17)上，针头(18)的竖直部分与喷嘴(19)的小径端相对，通过针头(18)流出的液滴在喷嘴(19)被气体驱动加速后，通过喷嘴(19)的小径端加速滴落。
7.如权利要求6所述的一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，其特征在于，所述矫直机(16)内部安装有筛管(20)和筛网(21)；两个以上与矫直机(16)轴线平行的筛管(20)密集安装在矫直机(16)的上部，两个以上筛网(21)同轴并列安装在矫直机(16)的下部。
8.如权利要求7所述的一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，其特征在于，两个以上筛管(20)密集安装在圆环状的压块(22)中，通过圆环状的压块(22)安装在矫直机(16) 内；每个筛网(21)的上、下表面通过两个压块(22)压紧后，安装在矫直机(16)内。
9.如权利要求1所述的一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，其特征在于，所述加热模块包括：恒温加热平台(12)、活动平板(11)和测温仪；恒温加热平台(12)位于气流加速控制模块的下方，恒温加热平台(12)上安装有活动平板(11)，活动平板(11)即为液滴滴落的测试平面；所述测温仪用于测量活动平板(11)的温度，通过调节恒温加热平台(12)使活动平板(11)的温度控制在发动机燃烧室内表面的温度范围内。
10.如权利要求1所述的一种气体驱动液滴高速碰壁实验装置，其特征在于，还包括可视化模块，可视化模块用于采集液滴滴落过程的图像；
所述可视化模块包括：光源(14)、均光片(13)、高速相机(10)和计算机(9)；光源(14)和均光片(13)均位于测试平面的一侧，高速相机(10)位于测试平面的另一侧，光源(14)与高速相机(10)相对；高速相机(10)用于采集液滴滴落过程的图像，高速相机(10)与计算机(9)电路连接，计算机(9)用于接收所述图像；光源(14)用于提供照明；均光片(13)用于将光源(14)发出的点光源均匀漫射成面光源。
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