CN109253947A - 一种负压环境下高温熔融金属液滴碰壁实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负压环境下高温熔融金属液滴碰壁可视化实验装置和方法，试验装置包括：气浮减震实验台、金属液滴产生系统、可控温壁面系统、环境压力调节系统、自动触发高速摄影系统和图像分析系统。金属液滴产生系统产生金属液滴；环境压力调节系统实现液滴碰撞壁面时的环境压力在较大的负压范围内进行精准控制；自动触发高速摄影系统记录液滴撞击壁面的图像，最后由图像分析系统对视频定量分析，给出准确的液滴速度、液滴直径、铺展半径、高度以及变形特征等物理量。本实验方法能够实现在负压环境下产生金属液滴，为金属液滴撞击壁面运动特性的机理研究提供实验方案。该方法操作简单，过程安全可靠，具有较广的实验研究应用价值。

Description

一种负压环境下高温熔融金属液滴碰壁实验装置及方法
技术领域
本发明属于两相流动实验测试领域，具体涉及一种负压环境下高温熔融金属液滴碰壁可视化实验装置和方法。
背景技术
随着对太空的探索逐渐深入，很多学者对于常见的物理现象发生在大气环境中和发生在太空负压环境中的区别有极大的兴趣。气液自由界面流动现象一直以来是两相流动中研究的热点，其中典型的物理现象是液滴撞击固体壁面的变形流动。在大气环境中，液滴碰壁后常伴随粘附、飞溅、反弹等现象，不同的运动现象会影响液滴对固体壁面的冲击力和液态燃料的燃烧热值。在星际太空以及航天推进器中，存在典型的负压环境，液态燃料及金属催化剂在推进器中的颗粒大小决定了燃料的燃烧效率，其反弹、飞溅、铺展等运动状态更是对动力装置的设计起到至关重要的作用，但目前该方面的实验研究还未开展，运动机理无法取得突破，因此，开展负压环境中金属液滴撞击壁面运动形态的实验研究是热点也是难点。针对该基础研究，存在环境压力、液滴撞击速度、液滴直径大小、实验壁面温度四个直接影响液滴撞击壁面运动形态的物理量，实验装置需能够实现其中任一物理量的控制，这就对实验测试方法提出了更高的技术要求。具体包含以下三点：(1)能够按需提供 10Pa-10kPa范围内不同真空度的负压环境；(2)能够在负压环境内克服金属高熔点并产生均匀的熔融态金属液滴；(3)能够改变液滴撞击速度、液滴直径大小、实验壁面温度。
目前，液滴碰壁最常用的实验测量技术为高速摄影，专利CN106228875A公开了“一种液滴撞击液膜可视化实验平台及其使用方法”，该装置采用注射泵和不锈钢针管组成的装置手动产生水滴，可以持续产生不同种类、不同直径、及不同滴落速度的液滴，但该装置无法用于高温熔融金属液滴，如锡、铝的产生。此外，该装置仅能在常温常压环境下进行实验，无法在封闭箱体中进行。专利CN107389300公开了一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法，该装置中金属液滴采用电磁感应加热器加热双腔石墨坩埚，通过高压气瓶供气驱动液滴产生；高温高压环境采用感应加热器和高压气瓶充气实现，压力可调节范围为1-6MPa；该装置的高压容器为直角方型腔体，考虑到负压和正压的容器在受压方向和加工上有很大区别，因此在高真空度时，直角方型腔体板材中部会发生巨大变形，造成巨大安全隐患；此外，该装置中的双腔石墨坩埚固定在高压容器顶部，无法实现金属液滴撞击速度的控制，同时，实验壁面温度为常温，无温控装置。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种负压环境下高温熔融金属液滴碰壁可视化实验装置和方法，利用真空箱根据不同需求调节出10Pa-10kPa范围的负压环境，在负压环境内克服金属高熔点并产生均匀的熔融态金属液滴；进一步改变液滴撞击速度、液滴直径大小、实验壁面温度。该装置和方法工艺简单，操作方便，具有低成本、短流程、高效便捷等优点。
本发明的技术方案是：一种负压环境下高温熔融金属液滴碰壁实验装置，其特征在于：包括金属液滴产生系统、可控温壁面系统、环境压力调节系统、自动触发高速摄影系统和图像处理系统；
所述环境压力调节系统包括真空箱1，真空箱1为竖直放置的中空柱状结构，且边角圆弧过度；真空箱1外安装有压阻真空计14、手动阀门15、高真空球阀16和真空泵 17，用于压力的调节和实时显示；在真空箱1周向相对两个面上设置有石英玻璃视窗 9，用于光照和高速相机21的拍摄；真空箱1一侧设置有真空箱侧门25；
所述金属液滴产生系统包括金属熔炉、黄铜喷嘴5、陶瓷电加热器6、压力变送器7、氮气瓶12、进气管路和电磁阀13；陶瓷电加热器6包围在所述金属熔炉外侧；所述金属熔炉的熔炉筒体3为竖直放置的中空柱状结构，两端分别通过熔炉上端盖2 和熔炉下端盖4封闭；黄铜喷嘴5安装于所述金属熔炉内，熔炉筒体3和熔炉下端盖4 连接的通孔内，使熔融态金属能够从黄铜喷嘴5中心孔滴落；氮气瓶12、电磁阀13 和进气管路通过外伸接口安装于熔炉上端盖2上，压力变送器7安装于所述熔炉上端盖2，用于实时测量所述金属熔炉内部压力，精度为0.1Pa；
所述金属熔炉通过丝杠8安装在真空箱内部，丝杠8设置于真空箱1内，并垂直于真空箱1的底面；通过调节真空箱1外设置的丝杠手轮24转动丝杠8，进一步改变所述金属熔炉高度位置；
所述可控温壁面系统设置于真空箱1的底面上，并处于所述金属熔炉的正下方，包括实验壁面10、电加热板11和温度控制装置；实验壁面10水平放置在电加热板11上方，通过导热加温；所述温度控制装置与电加热板11连接；
所述自动触发高速摄影系统设置于真空箱1外，包括激光触发装置，高速摄影装置，光源系统；组成所述激光触发装置的激光发射器18和激光接收器19相对设置，其安装位置在金属液滴下落路径上，与石英玻璃视窗9相对；金属液滴下落时激光接收器 19触发所述高速摄影装置的高速相机21的开关，开始记录；所述光源系统通过石英玻璃视窗9给真空箱1内照明；
所述图像处理系统与所述自动触发高速摄影系统连接。
本发明的进一步技术方案是：所述真空箱1采用20mm厚不锈钢制作而成，其内压力可调范围为10Pa-10kPa。
本发明的进一步技术方案是：将所述石英玻璃视窗9在同一侧分为上、下两个视窗，能够避免石英玻璃在内外压差作用下的变形破碎，提高了实验的安全系数。
本发明的进一步技术方案是：所述陶瓷电加热器6外围使用玻璃棉包裹以隔绝高温，其调节温度范围为50℃-300℃。
本发明的进一步技术方案是：所述外伸接口长度大于150mm，能够有效减少高温对进气管路的损坏。
本发明的进一步技术方案是：所述电加热板11为铸铝电加热板，在其下方设置四个隔热脚垫，防止高温损伤真空箱1的底面。
一种使用所述实验装置在负压环境下高温熔融金属液滴碰壁的实验方法，其特征在于：
步骤1：按需选择孔径合适的黄铜喷嘴5，采用过盈配合的方式将黄铜喷嘴5安装于熔炉筒体3和熔炉下端盖4连接的通孔内；通入氮气清洗所述金属熔炉，将金属块放入所述金属熔炉内，黄铜喷嘴5上方；在保证所述金属熔炉各部件之间密封性的前提下，打开氮气进气电磁阀13，将金属熔炉内部空气排出，防止金属块表面氧化；
步骤2：将安装好的所述金属熔炉固定于丝杠8上，通过丝杠手轮24调节所述金属熔炉初始位置，改变所述金属液滴撞击实验壁面的初速度；根据所述金属熔炉中心轴线定位实验壁面10和电加热板11，并保证实验壁面10水平；
步骤3：用无水乙醇清洗实验壁面10；启动电加热板11，电加热板11的温度范围为50-300℃，设定加热温度后，由热电偶作为温度控制装置测量实验壁面温度，并反馈到温度控制装置，保证实验壁面10温度维持在设定温度；
步骤4：真空泵17工作时，用高真空球阀16控制真空箱1内低气压环境，待压阻真空计14示数为设定值时关闭高真空球阀16，用手动阀门15改变真空箱1压力，对真空箱1内环境压力进行微调；
步骤5：启动陶瓷电加热器6将所述金属熔炉内金属块加热到预定值，陶瓷电加热器6的温度调节范围为50℃-300℃，在加热金属块的过程中始终向所述金属熔炉内通入氮气，待金属熔炉内氮气温度接近金属块熔点时，调节电磁阀13控制氮气压力作为驱动压力，使驱动压力高于所述真空箱1内的环境压力50-70Pa时，金属块熔融后的金属液从黄铜喷嘴5中心小孔处滴落，产生均匀的离散液滴；金属液滴在重力作用下自由滴落，此时金属液滴外形接近球形；
步骤6：计算设定环境压力下金属液滴的表面张力系数σ：
环境压力P0通过压阻真空计确定，金属液滴内部压力恒定PS，通过 Young-Laplace方程推导得到设定环境压力下金属液滴的表面张力系数σ表达式；输入物理量为液滴密度、液滴直径、环境压力，输出物理量为液滴表面张力系数；设定环境压力下金属液滴的表面张力系数直接表达式为：
其中，R为金属液滴的半径，σ为表面张力系数，PS为液滴内部压力，P0为环境压力，ρ是金属液滴密度，g为重力加速度；
步骤7：金属液滴下落过程中会引起激光触发装置工作，当激光发射器18的激光被下落金属液滴阻挡，激光接收机19未能接收到来自激光发射器18的激光时，激光触发装置触发高速相机21开关，开始拍摄，记录金属液滴撞击实验壁面后形态的连续变化；
步骤8：通过对金属液滴接触实验壁面时刻的前三张照片进行图像分析，便可以准确得到金属液滴直径和液滴碰壁初速度的物理量；
需要输入的物理量为液滴撞击壁面前三帧图像的液滴体心位置和相机拍摄帧频，输出物理量为液滴撞击壁面初速度；
高速摄影装置频率为f，金属液滴接触实验壁面时刻的前三张照片分别为a，b， c，c为金属液滴接触实验壁面的第一张照片；将三张照片读入到Matlab中以[xa,za] 的二维矩阵形式存储，其中xa表示水平坐标，za表示高度坐标,每张照片的液滴体心位置分别记为(xa,za)，(xb,zb)，(xc,zc)，由于丝杠垂直度良好，周围环境气流稳定，因此可认为xa＝xb＝xc，液滴下落过程可视为匀加速直线运动；
根据模型在Matlab中可以得到液滴碰壁初速度：
其中，Va,Vb,Vc分别为三张照片金属液滴的瞬时速度，t为相邻两帧间隔时间， t＝1/f；
步骤9：用高速摄影装置拍摄实验壁面上静止金属液滴图像，通过边缘检测算法测量气-液-固三相接触角，以此标定在设定温度下金属液滴与实验壁面10的接触角；
步骤10：在同一实验条件下进行三次重复实验，消除偶然误差；待一组实验完毕后，调节真空箱1内压力接近大气压力，打开真空箱侧门25，用无水乙醇清洗实验壁面10后再进行后续实验，实验中可以对壁面温度，金属液滴下落高度，黄铜喷嘴5孔径等变量进行控制；
步骤11：对金属液滴变形动态过程进行定量分析：在Matlab环境下读入高速相机21记录的视频文件，获取视频总帧数，对其中的某一张图片进行二值化处理，获得壁面位置(不变)；之后分别对每一帧图像根据不同的阈值进行二值化，在壁面位置一行寻找像素点矩阵元素大于0的点，并输出该点坐标，由此可以得出每一帧液滴的铺展直径；采用这样的图像处理算法可以绘制不同We数和壁面温度TS下液滴铺展直径、液滴高度随时间的变化图像。
发明效果
本发明的技术效果在于：①在实现高温熔融金属液滴(锡、镁、锂)产生的前提下，能够精确控制液滴撞击壁面的负压环境(10Pa--10kPa)。②为了防止真空箱板材中心受压变形，保证真空箱受压均匀，将其设计为边角圆弧过度的立式结构。③黄铜喷嘴采用过盈配合的方式安装于金属熔炉内，能够方便更换不同孔径的黄铜喷嘴，该方法极大节约了实验成本，提高了实验效率；在实验过程中通过更换换0.1mm、0.2mm、0.3mm等不同孔径的黄铜喷嘴、调节金属熔炉高度、调节电加热板功率、调节真空阀门，从而改变液滴直径，控制液滴速度、改变壁面温度、改变环境压力等，操作简单，可行性强。④采用激光触发装置捕捉液滴下落时刻，实验装置能够自动触发高速相机进行记录，有效利用相机内存，增强实验可操作性。⑤为了保证光学石英玻璃满足强度要求和可视范围要求，设计两个长宽比小的视窗代替同等面积的一个视窗，防止石英玻璃在内外压差作用下的变形破碎，提高了实验的安全系数。⑥提出根据环境压力和液滴大小近似估算金属液滴表面张力系数的公式和方法。⑦以壁面位置为基准的视频处理代码，能够准确捕捉液滴铺展直径和高度变化，实现两相流动现象的定量测量。
大多数金属在熔融状态极易与氧气发生反应，不仅影响金属液滴的纯度，而且高熔点的金属氧化物极易堵塞黄铜喷嘴。本发明在熔炉上端盖设计有长150mm(大于150mm均可)的氮气进气外伸接口和压力测量外伸接口；将金属放入熔炉内部，设置陶瓷电加热器温度，用电磁阀控制氮气进气量，一方面使得金属隔绝氧气，另一方面以稳定的气压驱动产生离散熔融金属液滴。熔炉上端盖的进气外伸接口可以有效防止熔炉高温损坏气管。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明中黄铜喷嘴结构和安装位置
图3是本发明中熔炉上端盖结构(包括氮气进气接口和压力测量接口)。
图4是本发明中为满足技术要求的真空箱及其接口设计图。
图5是本发明中设计的实验壁面及电加热板(其中80mm见方的为实验壁面)。
图6是本发明中金属液滴附加压力与表面张力系数、曲率半径的关系。
图7是本发明中接触角标定简图。
图8是本发明实施例中实验后处理处理流程图。
图9是本发明视频处理得到的不同壁温下液滴无量纲高度随时间变化图像。
图10是本发明视频处理得到的不同壁温下液滴无量纲铺展直径随时间变化图像。
附图标记说明：①表示金属液滴产生系统，②表示可控温壁面系统③表示环境压力调节系统，④表示自动触发高速摄影系统，⑤表示图像处理系统。
1-真空箱、2-熔炉上端盖、3-熔炉筒体、4-熔炉下端盖、5-黄铜喷嘴、6-陶瓷电加热器、7-压力变送器、8-丝杠、9-石英玻璃视窗、10-实验壁面、11-电加热板、 12-氮气瓶(压力10GPa)、13-电磁阀、14-ZDR-I压阻真空计、15-手动阀门、16- GU-25/KF高真空球阀、17-2XZ-4真空泵(10Pa-10kPa)、18-激光发射器、19-激光接收机、20-冷光源、21-高速相机(Phantom)、22-计算机、23-气浮减震平台、24- 丝杠手轮、25-真空箱侧门、26-真空计接口(测量范围：10Pa-10kPa)、27-真空泵波纹管接口、28-电源线密封接口。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明一种负压环境下高温熔融金属液滴碰壁可视化实验装置包括金属液滴产生系统、可控温壁面系统、环境压力调节系统、自动触发高速摄影系统和图像处理系统，所述五个系统固定设置于气浮减震平台上；
1)所述金属液滴产生系统包括金属熔炉，黄铜喷嘴5，陶瓷电加热器6，氮气瓶12，进气管路，电磁阀13，压力变送器7；陶瓷电加热器6包围在所述金属熔炉外侧，由玻璃棉包裹以隔绝高温，可调节温度范围为50℃-300℃；氮气瓶12，进气管路，电磁阀13由150mm长的外伸接口安装于熔炉上端盖2，当金属块开始熔化时，调节电磁阀13控制氮气压力，熔融态金属在压差和重力驱动下从黄铜喷嘴5 中心孔滴落，垂直撞击到高温壁面上，同时，150mm长的外伸接口可以有效减少高温对进气管路的损坏；压力变送器7安装于熔炉上端盖2，用于实时测量容腔内部压力，精度为0.1Pa。
2)所述可控温壁面系统包括电加热板11，温度控制装置，四个隔热脚垫，实验壁面10；实验壁面10水平放置在电加热板11上方，通过导热加温；隔热脚垫用于支撑铸铝电加热板10，防止高温损伤真空箱1底面；电加热板11的温度范围为50-300℃，设定加热温度后，由热电偶测量实验壁面10温度，并反馈到温度控制装置，保证实验壁面温度维持在设定温度。
3)所述环境压力调节系统包括自主设计的真空箱1，2XZ-4真空泵17，GU-25/KF 高真空球阀16，ZDR-I压阻真空计14；真空箱1一侧设计有波纹管连接口、真空计接口、以及电源线密封接口。波纹管外接GU-25/KF高真空球阀16及2XZ-4真空泵17， ZDR-I压阻真空计14实时显示舱内压力，压力范围10Pa-10kPa，采样精度为0.1Pa。此外，在真空箱1内部设计有丝杠8，所述金属熔炉通过丝杠8设置于真空箱1内，用真空箱1外部的丝杠手轮24能够改变所述金属熔炉高度，控制金属液滴撞击壁面的初速度；真空箱1前后两面设计有光学石英玻璃视窗9，为满足强度要求和可视范围要求，用两个长宽比小的视窗代替同等面积的一个视窗；由于陶瓷加热器6和电加热板11需要外接220V电源，采用航空插头座引入电源线及信号线为箱体内部设备供电。
4)所述自动触发高速摄影系统包括激光触发装置，高速摄影装置，光源系统；所述激光触发装置由激光发射器18、激光接收器19组成，其中激光发射器18和激光接收器19相对布置，并设置与光学石英玻璃视窗9相对应的位置，其安装位置为金属液滴下落路径上，当金属液滴下落并阻挡光路，激光接收器19触发高速相机21开关，高速相机21开始记录，该方法有助于提高实验效率；光源为冷光源20，并采用光源与相机相对布置的背光法进行拍摄。
采用本发明实验装置，研究锡液滴在不同负压环境中撞击高温实验壁面的变形特点以及锡液滴撞击不同温度实验壁面的变形特点。所选用金属锡纯度为99.999％，固态密度为7310kg/m3，常压下熔点为230.6℃，240℃时密度为6980kg/m3，运动粘度为2.12×10-3Pa·s。
具体实验方法步骤如下：
(1)确定金属液滴产生系统各器件的位置。将熔炉上端盖2、熔炉筒体3、熔炉下端盖4用螺栓连接，选取孔径0.2mm的黄铜喷嘴5，因螺栓固定占用空间，黄铜喷嘴5采用过盈配合安装于熔炉筒体3和熔炉下端盖4之间，具体结构如图2所示。氮气进气管路与长150mm的外伸接口相连，并按照结构设计安装压力变送器7、陶瓷电加热器6。各器件具体位置如图3所示。
(2)确定高速摄影各重要器件的位置。将安装好的金属熔炉固定于丝杠8上，通过丝杠手轮24调节金属熔炉初始位置；根据金属熔炉中心轴线定位实验壁面10 和电加热板11，并保证实验壁面10水平；激光触发装置安装于液滴下落路径上，用于触发高速相机21；各部分安装位置如图4所示，电加热板和实验壁面尺寸如图 5所示。
(3)确定金属液滴产生的驱动压力。通入氮气清洗熔炉，将锡块放入熔炉内部，在保证熔炉密封性能前提下，打开氮气进气电磁阀13，将金属熔炉内部空气排出，防止锡表面氧化。在加热金属的过程中始终向金属熔炉内通入氮气，待熔炉内氮气温度接近金属熔点时，调节氮气进气压力为合适数值，黄铜喷嘴5中心小孔处便会产生均匀滴落的离散液滴。根据多组实验结果，发现驱动压力与真空箱1内的环境压力有关，当驱动压力高于环境压力约50-70Pa时，金属液滴近似在重力作用下自由滴落，此时金属液滴外形接近球形。
(4)改变实验可控物理量。在真空箱1电源控制器中调节实验壁面电加热板 11功率，改变实验壁面10温度，通过热电偶实时显示实验壁面10温度；在真空箱 1外用丝杠手轮24调节熔炉高度，改变液滴撞击壁面的初速度。
(5)精准调节真空箱环境压力。在真空泵17工作时，用高真空球阀16控制箱内低气压环境，待压阻真空计14示数为设定值时关闭高真空球阀16，用手动阀门15改变真空箱1压力，对环境压力进行微调。
(6)产生熔融态金属液滴，进行实验。用无水乙醇清洗实验壁面，设置熔炉温度为240℃，当熔炉内部热电偶测温装置达到设定温度时，加热开关自动断开并保持恒温；调节电磁阀至压力变送器显示的驱动压力为50-70Pa，锡液滴会在压力作用下从黄铜喷嘴5小孔处产生，如图6所示为喷嘴处金属液滴滴落临界状态示意图。
(7)估算金属液滴表面张力系数。根据真空计显示的环境压力P0，以及本发明得到的任意环境压力下液滴的表面张力系数表达式：
假设半径为R的金属液滴，有Young-Laplace公式：
其中，金属液滴内部压力PS可根据球形液滴受力平衡近似计算，金属液滴内部压力PS与金属液滴表面积S的乘积数值上应与金属液滴重力Vρg相等，PS推导过程如下：
PSS＝Vρg
其中，V是金属液滴体积，ρ是金属液滴密度；R为金属液滴的半径，σ为表面张力系数，PS为液滴内部压力，P0为环境压力，g为重力加速度；
综上，设定环境压力下金属液滴的表面张力系数直接表达式为：
得到此时锡液滴表面张力系数为575mN/m。
(7)触发高速相机，记录动态过程。锡液滴下落过程中会引起激光触发装置工作，当激光发射器的激光被下落液滴阻挡，激光接收机未能接收到来自激光发射器的激光时，激光器触发高速相机开关，高速相机开始拍摄，记录液滴撞击壁面后形态的连续变化。
(8)通过对金属液滴接触实验壁面时刻的前三张照片进行图像分析，便可以准确得到金属液滴直径和液滴碰壁初速度的物理量；
需要输入的物理量为液滴撞击壁面前三帧图像的液滴体心位置和相机拍摄帧频，输出物理量为液滴撞击壁面初速度；
高速摄影装置频率为f，金属液滴接触实验壁面时刻的前三张照片分别为a，b， c，c为金属液滴接触实验壁面的第一张照片，将三张照片读入到Matlab中以[xa,za] 的二维矩阵形式存储，其中xa表示水平坐标，za表示高度坐标；每张照片的液滴体心位置分别记为(xa,za)，(xb,zb)，(xc,zc)，由于丝杠垂直度良好，周围环境气流稳定，因此可认为xa＝xb＝xc，液滴下落过程可视为匀加速直线运动；
金属液滴直径测量方法：Sobel算子进行边缘检测，输出max(x)；
金属液滴碰壁初速度测量方法：对匀加速直线运动瞬时速度进行分析，得到以下计算公式：
at2＝(zc-zb)-(zb-za)
2Vbt＝zc-za
Vc＝Vb+at
其中，a为金属液滴加速度，Va,Vb,Vc分别为三张照片金属液滴的瞬时速度，t 为相邻两帧间隔时间，t＝1/f；
根据上述模型在Matlab中可以得到液滴碰壁初速度：
(9)液滴与壁面接触角标定。用相机拍摄实验壁面上静止液滴图像，通过边缘检测算法测量气-液-固三相接触角，以此标定液滴在实验壁面和特定温度下的接触角。接触角θ定义如图7所示。
(10)在同一实验条件下进行三次重复实验，消除偶然误差。待一组实验完毕后，调节真空箱内压力接近大气压力，打开真空箱侧门25，用无水乙醇清洗实验壁面后再进行后续实验，实验中可以对壁面温度，液滴下落高度，喷嘴直径等变量进行控制。
(11)对液滴变形动态过程进行定量分析。在Matlab环境下读入高速相机记录的视频文件，获取视频总帧数，对其中的某一张图片进行二值化处理，获得壁面位置(不变)；之后分别对每一帧图像根据不同的阈值进行二值化，在壁面位置一行寻找像素点矩阵元素大于0的点，并输出该点坐标，由此可以得出每一帧液滴的铺展直径。采用这样的图像处理算法可以绘制不同We数和壁面温度TS下液滴铺展直径、液滴高度随时间的变化图像。图像处理流程如图8所示，液滴无量纲高度和无量纲铺展直径随时间动态变化数据如图9、图10所示。
本发明提供了一种压力可控的离散金属液滴碰壁可视化实验平台，如图1所示，包括金属液滴产生系统、可控温壁面系统、环境压力调节系统、自动触发高速摄影系统以及图像分析系统，可实现在负压环境下，对不同种类、不同直径、不同撞击速度的金属液滴撞击不同种类、不同温度壁面液滴变形过程的可视化实验研究。本发明操作简单，可靠性高，可用于与液滴相关的大多数基础研究实验，特别是针对负压环境下液态燃料及金属催化剂的燃烧效率和运动状态的实验研究，其研究结果对星际太空以及航天推进器等动力装置的设计有至关重要的意义。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种负压环境下高温熔融金属液滴碰壁实验装置，其特征在于：包括金属液滴产生系统、可控温壁面系统、环境压力调节系统、自动触发高速摄影系统和图像处理系统；
所述环境压力调节系统包括真空箱(1)，真空箱(1)为竖直放置的中空柱状结构，且边角圆弧过度；真空箱(1)外安装有压阻真空计(14)、手动阀门(15)、高真空球阀(16)和真空泵(17)，用于压力的调节和实时显示；在真空箱(1)周向相对两个面上设置有石英玻璃视窗(9)，用于光照和高速相机(21)的拍摄；真空箱(1)一侧设置有真空箱侧门(25)；
所述金属液滴产生系统包括金属熔炉、黄铜喷嘴(5)、陶瓷电加热器(6)、压力变送器(7)、氮气瓶(12)、进气管路和电磁阀(13)；陶瓷电加热器(6)包围在所述金属熔炉外侧；所述金属熔炉的熔炉筒体(3)为竖直放置的中空柱状结构，两端分别通过熔炉上端盖(2)和熔炉下端盖(4)封闭；黄铜喷嘴(5)安装于所述金属熔炉内，熔炉筒体(3)和熔炉下端盖(4)连接的通孔内，使熔融态金属能够从黄铜喷嘴(5)中心孔滴落；氮气瓶(12)、电磁阀(13)和进气管路通过外伸接口安装于熔炉上端盖(2)上，压力变送器(7)安装于所述熔炉上端盖(2)，用于实时测量所述金属熔炉内部压力，精度为0.1Pa；
所述金属熔炉通过丝杠(8)安装在真空箱内部，丝杠(8)设置于真空箱(1)内，并垂直于真空箱(1)的底面；通过调节真空箱(1)外设置的丝杠手轮(24)转动丝杠(8)，进一步改变所述金属熔炉高度位置；
所述可控温壁面系统设置于真空箱(1)的底面上，并处于所述金属熔炉的正下方，包括实验壁面(10)、电加热板(11)和温度控制装置；实验壁面(10)水平放置在电加热板(11)上方，通过导热加温；所述温度控制装置与电加热板(11)连接；
所述自动触发高速摄影系统设置于真空箱(1)外，包括激光触发装置，高速摄影装置，光源系统；组成所述激光触发装置的激光发射器(18)和激光接收器(19)相对设置，其安装位置在金属液滴下落路径上，与石英玻璃视窗(9)相对；金属液滴下落时激光接收器(19)触发所述高速摄影装置的高速相机(21)的开关，开始记录；所述光源系统通过石英玻璃视窗(9)给真空箱(1)内照明；
所述图像处理系统与所述自动触发高速摄影系统连接。
2.根据权利要求1所述负压环境下高温熔融金属液滴碰壁实验装置，其特征在于：所述真空箱(1)采用20mm厚不锈钢制作而成，其内压力可调范围为10Pa-10kPa。
3.根据权利要求1所述负压环境下高温熔融金属液滴碰壁实验装置，其特征在于：将所述石英玻璃视窗(9)在同一侧分为上、下两个视窗，能够避免石英玻璃在内外压差作用下的变形破碎，提高了实验的安全系数。
4.根据权利要求1所述负压环境下高温熔融金属液滴碰壁实验装置，其特征在于：所述陶瓷电加热器(6)外围使用玻璃棉包裹以隔绝高温，其调节温度范围为50℃-300℃。
5.根据权利要求1所述负压环境下高温熔融金属液滴碰壁实验装置，其特征在于：所述外伸接口长度大于150mm，能够有效减少高温对进气管路的损坏。
6.根据权利要求1所述负压环境下高温熔融金属液滴碰壁实验装置，其特征在于：所述电加热板(11)为铸铝电加热板，在其下方设置四个隔热脚垫，防止高温损伤真空箱(1)的底面。
7.一种使用权利要求1所述实验装置在负压环境下高温熔融金属液滴碰壁的实验方法，其特征在于：
步骤1：按需选择孔径合适的黄铜喷嘴(5)，采用过盈配合的方式将黄铜喷嘴(5)安装于熔炉筒体(3)和熔炉下端盖(4)连接的通孔内；通入氮气清洗所述金属熔炉，将金属块放入所述金属熔炉内，黄铜喷嘴(5)上方；在保证所述金属熔炉各部件之间密封性的前提下，打开氮气进气电磁阀(13)，将金属熔炉内部空气排出，防止金属块表面氧化；
步骤2：将安装好的所述金属熔炉固定于丝杠(8)上，通过丝杠手轮(24)调节所述金属熔炉初始位置，改变所述金属液滴撞击实验壁面的初速度；根据所述金属熔炉中心轴线定位实验壁面(10)和电加热板(11)，并保证实验壁面(10)水平；
步骤3：用无水乙醇清洗实验壁面(10)；启动电加热板(11)，电加热板(11)的温度范围为50-300℃，设定加热温度后，由热电偶作为温度控制装置测量实验壁面温度，并反馈到温度控制装置，保证实验壁面(10)温度维持在设定温度；
步骤4：真空泵(17)工作时，用高真空球阀(16)控制真空箱(1)内低气压环境，待压阻真空计(14)示数为设定值时关闭高真空球阀(16)，用手动阀门(15)改变真空箱(1)压力，对真空箱(1)内环境压力进行微调；
步骤5：启动陶瓷电加热器(6)将所述金属熔炉内金属块加热到预定值，陶瓷电加热器(6)的温度调节范围为50℃-300℃，在加热金属块的过程中始终向所述金属熔炉内通入氮气，待金属熔炉内氮气温度接近金属块熔点时，调节电磁阀(13)控制氮气压力作为驱动压力，使驱动压力高于所述真空箱(1)内的环境压力50-70Pa时，金属块熔融后的金属液从黄铜喷嘴(5)中心小孔处滴落，产生均匀的离散液滴；金属液滴在重力作用下自由滴落，此时金属液滴外形接近球形；
步骤6：计算设定环境压力下金属液滴的表面张力系数σ：
环境压力P0通过压阻真空计确定，金属液滴内部压力恒定PS，通过Young-Laplace方程推导得到设定环境压力下金属液滴的表面张力系数σ表达式；输入物理量为液滴密度、液滴直径、环境压力，输出物理量为液滴表面张力系数；设定环境压力下金属液滴的表面张力系数直接表达式为：
其中，R为金属液滴的半径，σ为表面张力系数，PS为液滴内部压力，P0为环境压力，ρ是金属液滴密度，g为重力加速度；
步骤7：金属液滴下落过程中会引起激光触发装置工作，当激光发射器(18)的激光被下落金属液滴阻挡，激光接收机(19)未能接收到来自激光发射器(18)的激光时，激光触发装置触发高速相机(21)开关，开始拍摄，记录金属液滴撞击实验壁面后形态的连续变化；
步骤8：通过对金属液滴接触实验壁面时刻的前三张照片进行图像分析，便可以准确得到金属液滴直径和液滴碰壁初速度的物理量；
需要输入的物理量为液滴撞击壁面前三帧图像的液滴体心位置和相机拍摄帧频，输出物理量为液滴撞击壁面初速度；
高速摄影装置频率为f，金属液滴接触实验壁面时刻的前三张照片分别为a，b，c，c为金属液滴接触实验壁面的第一张照片，将三张照片读入到Matlab中以[xa,za]的二维矩阵形式存储，其中xa表示水平坐标，za表示高度坐标；每张照片的液滴体心位置分别记为(xa,za)，(xb,zb)，(xc,zc)，由于丝杠垂直度良好，周围环境气流稳定，因此可认为xa＝xb＝xc，液滴下落过程可视为匀加速直线运动；
根据模型在Matlab中可以得到液滴碰壁初速度：
其中，Va,Vb,Vc分别为三张照片金属液滴的瞬时速度，t为相邻两帧间隔时间，t＝1/f；
步骤9：用高速摄影装置拍摄实验壁面上静止金属液滴图像，通过边缘检测算法测量气-液-固三相接触角，以此标定在设定温度下金属液滴与实验壁面(10)的接触角；
步骤10：在同一实验条件下进行三次重复实验，消除偶然误差；待一组实验完毕后，调节真空箱(1)内压力接近大气压力，打开真空箱侧门(25)，用无水乙醇清洗实验壁面(10)后再进行后续实验，实验中可以对壁面温度，金属液滴下落高度，黄铜喷嘴(5)孔径进行控制；
步骤11：对金属液滴变形动态过程进行定量分析：在Matlab环境下读入高速相机(21)记录的视频文件，获取视频总帧数，对其中的某一张图片进行二值化处理，获得壁面位置(不变)；之后分别对每一帧图像根据不同的阈值进行二值化，在壁面位置一行寻找像素点矩阵元素大于0的点，并输出该点坐标，由此可以得出每一帧液滴的铺展直径；采用这样的图像处理算法可以绘制不同We数和壁面温度TS下液滴铺展直径、液滴高度随时间的变化图像。
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Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110082063A (zh) * 2019-03-04 2019-08-02 中国科学院化学研究所 一种控制液滴碰撞后旋转运动的方法及用途
CN110262585A (zh) * 2019-07-11 2019-09-20 解波 一种熔融金属液检测装置
CN110274850A (zh) * 2019-07-30 2019-09-24 西南交通大学 一种接触角测试装置及测试方法
CN110530603A (zh) * 2019-07-09 2019-12-03 西安交通大学 低沸点高挥发性介质常压环境液滴生成、蒸发性观测与撞壁试验系统及方法
CN110631966A (zh) * 2019-09-27 2019-12-31 重庆大学 高温液态熔滴与壁面接触角测量装置及方法
CN111665170A (zh) * 2020-06-16 2020-09-15 中国石油大学(华东) 一种通气定量控制柔性基底变形和张力的液滴冲击实验装置
CN111707586A (zh) * 2020-06-28 2020-09-25 中国石油大学(北京) 一种用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统
CN111795793A (zh) * 2019-03-21 2020-10-20 西南科技大学 液滴与固体壁面碰撞的试验装置
CN112268837A (zh) * 2020-09-27 2021-01-26 西安交通大学 一种高温热管碱金属工质铺展特性可视化测量系统及方法
CN113045186A (zh) * 2019-12-27 2021-06-29 杭州光学精密机械研究所 硫系玻璃球坯的制备装置及使用方法
CN113190065A (zh) * 2021-01-22 2021-07-30 大连理工大学 一种金属构筑成形变形参数精密控制装置与方法
CN113533616A (zh) * 2020-04-13 2021-10-22 香港理工大学深圳研究院 一种产生滴落火焰的设备及研究滴落火点火的实验方法
CN113740209A (zh) * 2021-09-16 2021-12-03 哈尔滨工业大学（威海） 一种模拟特定压力下塑料在金属表面润湿行为的装置与方法
CN114459763A (zh) * 2022-02-21 2022-05-10 北京航空航天大学 高度可调真空舱及其系统
CN118032660A (zh) * 2024-04-12 2024-05-14 北京理工大学长三角研究院(嘉兴) 一种高压条件下液滴底部气膜干涉实验装置及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69720459T2 (de) * 1996-07-26 2004-01-29 Bio Dot Inc Dosiervorrichtung mit erweitertem dynamikbereich
CN102621042A (zh) * 2012-04-27 2012-08-01 南京大学 一种控温、控湿、控压条件下测量液滴接触角和滚动角的装置
WO2014038275A1 (ja) * 2012-09-04 2014-03-13 株式会社 日立ハイテクノロジーズ 分析装置及びその試料導入装置
CN106228875A (zh) * 2016-09-29 2016-12-14 河海大学常州校区 一种液滴撞击液膜可视化实验平台及其使用方法
CN107389300A (zh) * 2017-07-24 2017-11-24 西北工业大学 一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69720459T2 (de) * 1996-07-26 2004-01-29 Bio Dot Inc Dosiervorrichtung mit erweitertem dynamikbereich
CN102621042A (zh) * 2012-04-27 2012-08-01 南京大学 一种控温、控湿、控压条件下测量液滴接触角和滚动角的装置
WO2014038275A1 (ja) * 2012-09-04 2014-03-13 株式会社 日立ハイテクノロジーズ 分析装置及びその試料導入装置
CN106228875A (zh) * 2016-09-29 2016-12-14 河海大学常州校区 一种液滴撞击液膜可视化实验平台及其使用方法
CN107389300A (zh) * 2017-07-24 2017-11-24 西北工业大学 一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
付娜: "多个密封观察窗口耐压壳体有限元分析与结构优化设计", 《三峡大学学报》 *

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110082063A (zh) * 2019-03-04 2019-08-02 中国科学院化学研究所 一种控制液滴碰撞后旋转运动的方法及用途
CN111795793B (zh) * 2019-03-21 2022-05-13 西南科技大学 液滴与固体壁面碰撞的试验装置
CN111795793A (zh) * 2019-03-21 2020-10-20 西南科技大学 液滴与固体壁面碰撞的试验装置
CN110530603B (zh) * 2019-07-09 2020-08-18 西安交通大学 低沸点高挥发性介质常压环境液滴生成、蒸发性观测与撞壁试验系统及方法
CN110530603A (zh) * 2019-07-09 2019-12-03 西安交通大学 低沸点高挥发性介质常压环境液滴生成、蒸发性观测与撞壁试验系统及方法
CN110262585A (zh) * 2019-07-11 2019-09-20 解波 一种熔融金属液检测装置
CN110274850A (zh) * 2019-07-30 2019-09-24 西南交通大学 一种接触角测试装置及测试方法
CN110631966A (zh) * 2019-09-27 2019-12-31 重庆大学 高温液态熔滴与壁面接触角测量装置及方法
CN113045186A (zh) * 2019-12-27 2021-06-29 杭州光学精密机械研究所 硫系玻璃球坯的制备装置及使用方法
CN113045186B (zh) * 2019-12-27 2023-06-02 杭州长波红外科技有限公司 硫系玻璃球坯的制备装置及使用方法
CN113533616A (zh) * 2020-04-13 2021-10-22 香港理工大学深圳研究院 一种产生滴落火焰的设备及研究滴落火点火的实验方法
CN111665170B (zh) * 2020-06-16 2023-02-07 中国石油大学(华东) 一种通气定量控制柔性基底变形和张力的液滴冲击实验装置
CN111665170A (zh) * 2020-06-16 2020-09-15 中国石油大学(华东) 一种通气定量控制柔性基底变形和张力的液滴冲击实验装置
CN111707586A (zh) * 2020-06-28 2020-09-25 中国石油大学(北京) 一种用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统
CN112268837A (zh) * 2020-09-27 2021-01-26 西安交通大学 一种高温热管碱金属工质铺展特性可视化测量系统及方法
CN113190065A (zh) * 2021-01-22 2021-07-30 大连理工大学 一种金属构筑成形变形参数精密控制装置与方法
CN113740209A (zh) * 2021-09-16 2021-12-03 哈尔滨工业大学（威海） 一种模拟特定压力下塑料在金属表面润湿行为的装置与方法
CN113740209B (zh) * 2021-09-16 2024-04-05 哈尔滨工业大学（威海） 一种模拟特定压力下塑料在金属表面润湿行为的装置与方法
CN114459763A (zh) * 2022-02-21 2022-05-10 北京航空航天大学 高度可调真空舱及其系统
CN118032660A (zh) * 2024-04-12 2024-05-14 北京理工大学长三角研究院(嘉兴) 一种高压条件下液滴底部气膜干涉实验装置及方法

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