CN110553951B - 一种微粒撞击及观测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微粒撞击及其行为观测装置和微粒撞击方法。撞击装置包括上下依次布置的加速室、分离室和撞击室。加速室从上至下包括混合段、渐缩段和加速直段，顶部设有气溶胶入口。加速直段嵌入分离室，分离室与撞击室之间设有加速微粒入口。观测装置还包括高速影像采集装置和光源。观测时，将液体注入撞击室或将平板放置入撞击室形成两相界面，将光源和高速影像采集装置对准两相界面采集高速影像。携带着微米级颗粒的加速气流进入加速室加速，在分离室分离，实现微米级颗粒或液滴以不同角度和速度撞击气液界面或气固界面并获得其撞击影像。本发明具有微粒撞击速度高、适用范围广、使用调节灵活等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种微粒撞击及观测装置和方法，尤其涉及微米级颗粒或液滴的分离和撞击，属于气溶胶技术领域。
背景技术
颗粒或液滴撞击相界面是自然界和工业过程的常见现象。例如颗粒(或液滴)撞击液面过程，是自然界的湿沉降清洗大气气溶胶和工业湿法喷淋除尘、冶金喷射技术和化工催化反应的基础过程；而液滴撞击固体表面也在喷墨打印、表面喷涂和喷雾冷却等领域应用广泛；颗粒撞击固体表面也在工业设备中十分常见。颗粒或液滴撞击相界面所蕴含的丰富的物理现象也是气溶胶力学、颗粒动力学、流体力学、界面科学等学科关注的基础和前沿问题，人们常采用高速摄影在线观测的方法对该过程进行实验研究。
目前，关于颗粒(或液滴)撞击相界面的实验观测主要针对毫米级左右的颗粒(或液滴)，一般采用自然沉降或机械发射的方法实现颗粒或液滴以不同速度撞击相界面的过程。但是随着颗粒(或液滴)粒径的减小，其沉降速度和弛豫时间迅速减小，采用传统的自然沉降和机械发射的方法很难实现颗粒(或液滴)的高速撞击。以粒径为100μm，密度为2g/cm3的颗粒为例，其沉降速度为0.46m/s，而实际过程中其撞击速度有可能达到数十m/s。采用雾化喷嘴可以实现微米级液滴高速撞击界面的过程，但是会存在液滴浓度高，粒径分布广，很难对单一液滴撞击界面过程进行清晰的在线观测。采用加速喷嘴喷射气溶胶颗粒可实现微米级颗粒高速撞击界面的过程，但同时加速气流会影响界面处的边界层，从而对液面和撞击过程中的颗粒产生影响。
微粒撞击相界面在工业过程中的广泛应用以及其在材料、医药等新兴领域的广阔前景，已成为目前相关领域的基础研究热点。
发明内容
本发明旨在提供一种微粒撞击及观测装置及其方法。基于气流携带、喷嘴加速和惯性分离原理，能够实现微米级颗粒或液滴以不同角度和速度撞击气液界面或气固界面的过程，并且采用高速影像采集装置能够实现在线观测和轨迹捕集。
本发明通过以下技术方案实现：
一种微粒撞击装置，包括从上到下依次布置的加速室、分离室和撞击室，所述加速室从上至下包括混合段、渐缩段和加速直段，所述混合段为等截面段，其顶部设置有气溶胶入口，所述渐缩段底部截面积最小处连接有加速直段；所述加速直段嵌入所述分离室，且加速直段出口位于所述分离室中部以下；所述分离室与所述撞击室之间设有加速微粒入口，所述加速微粒入口位于所述加速直段出口正下方；所述分离室壁面还设有气体出口。
上述技术方案中，所述加速直段出口直径D为1mm≤D≤2mm，所述分离室的高度≥5D；所述加速直段出口与所述分离室底部的距离≥2D。
上述技术方案中，所述加速微粒入口直径d≤1mm。
上述技术方案中，所述渐缩段与水平面的夹角α为45°≤α≤60°。
上述技术方案中，所述气体出口设置2～4个，均匀分布在所述分离室四周。
上述技术方案中，所述撞击装置还包括真空泵，所述气体出口设置有气体管道与所述真空泵相连，使所述分离室内压力保持为负压。
上述技术方案中，所述撞击室横截面选用矩形，且其宽度≥16mm、高度≥40mm。
一种微粒撞击方法，包括：
将液体注入所述撞击室或将平板放置入所述撞击室，使得所述撞击室中部以上形成气液或气固的两相界面；
使载气和适量微粒通过气溶胶入口进入加速室，所述微粒包括微米级固体颗粒或微米级液滴；所述载气和微粒首先在混合段混合均匀，随后通过渐缩段迅速加速，到达加速直段时成为加速气流；
携带着微粒的加速气流通过加速直段入口进入分离室，空间瞬间增大使得加速气流冲击分离室底部向四周扩散，气流从气体出口排出，气流中携带的部分微粒粘附在分离室底部及其附近区域，部分微粒竖直穿过加速微粒入口进入撞击室并逐渐减速，最终撞击到两相界面，在两相界面形成撞击轨迹。
上述技术方案中，所述撞击装置还包括真空泵使所述分离室和撞击室内的压力为负压时，所述方法还包括：
将携带着微粒的加速气流通过加速直段入口进入分离室，空间瞬间增大使得加速气流冲击分离室底部向四周扩散，气流从气体出口排出，加速气流携带的部分微粒粘附在分离室底部及其附近区域，部分微粒竖直穿过加速微粒入口进入撞击室；真空泵的抽吸作用使得分离室和撞击室保持负压，微粒的弛豫时间减小，在撞击室内的减速变慢，最终撞击到两相界面，在两相界面形成撞击轨迹。
一种微粒撞击及观测装置，包括微粒撞击装置，以及高速影像采集装置和光源；所述微粒撞击装置包括从上到下依次布置的加速室、分离室和撞击室，所述高速影像采集装置和光源分别设置在所述撞击室外部相对的两侧，且所述撞击室对应的两侧壁面设置有透明视窗。
一种微粒撞击及观测方法，包括：
将液体注入所述撞击室或将平板放置入所述撞击室，使得所述撞击室中部以上形成气液或气固的两相界面；使光源和高速影像采集装置分别从所述撞击室两侧对准所述两相界面，并调校至能够采集所述两相界面上形成的高速影像；
使载气和适量微粒通过气溶胶入口进入加速室，所述微粒包括微米级固体颗粒或微米级液滴；所述载气和微粒首先在混合段混合均匀，随后通过渐缩段迅速加速，到达加速直段时成为加速气流；
携带着微粒的加速气流通过加速直段入口进入分离室，空间瞬间增大使得加速气流冲击分离室底部向四周扩散，气流从气体出口排出，气流中携带的部分微粒粘附在分离室底部及其附近区域，部分微粒竖直穿过加速微粒入口进入撞击室并逐渐减速，最终撞击到两相界面，在两相界面形成撞击轨迹；使所述高速影像采集装置采集和记录下所述撞击轨迹。
上述技术方案中，所述撞击装置还包括真空泵使所述分离室和撞击室内的压力为负压，所述方法还包括：
将携带着微粒的加速气流通过加速直段入口进入分离室，空间瞬间增大使得加速气流冲击分离室底部向四周扩散，气流从气体出口排出，加速气流携带的部分微粒粘附在分离室底部及其附近区域，部分微粒竖直穿过加速微粒入口进入撞击室；真空泵的抽吸作用使得分离室和撞击室保持负压，微粒的弛豫时间减小，在撞击室内的减速变慢，最终撞击到两相界面，在两相界面形成撞击轨迹；使高速影像采集装置采集所述两相界面上微粒撞击形成的高速影像，对微粒撞击过程及其轨迹实现捕捉、采集和记录。
本发明具有以下优点及有益效果：通过调节载气流量和适量微粒携带，形成高速气溶胶，并在加速室和分离室中实现进一步加速和分离，实现单微粒或有限数量微粒的高速撞击，且微粒可选用固体颗粒或液滴，适用范围广；同时能够通过调整撞击装置入口的气流流量，来调控微粒的撞击速度；此外，通过将撞击装置内保持为负压状态，能够大大减小微粒运动过程受到的空气阻力，进一步使得微粒撞击界面速度提高，调节方法简单、可靠；通过与背景光源和高速显微相机联用，能够对微粒撞击界面过程进行在线观测和实时影像采集。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种微粒撞击装置示意图。
图2为计算机数值模拟得到的撞击装置内轴线处的气流速度与颗粒速度变化曲线。
图中：1－加速室；101－混合段；102－减缩段；103－加速直段；2－气溶胶入口；3－加速微粒入口；4－分离室；5－撞击室；6－透明视窗；7－气体出口；8－高速影像采集装置；9－光源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本申请文件中的上、下、左和右等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
如图1所示，一种微粒撞击装置，包括从上到下依次布置的加速室1、分离室4和撞击室5。加速室1包括从上至下设置的混合段101、渐缩段102和加速直段103。混合段101为等截面段，其顶部设置有气溶胶入口2。载气和微粒从气溶胶入口2进入撞击装置。载气由气源供给，包括空气、惰性气体等。微粒包括微米级固体颗粒、微米级液滴。其中，微米级固体颗粒由微型颗粒给料装置给入，微米级液滴通过微滴产生装置产生并给入。
渐缩段102为混合段101和加速直段103之间的过渡连接段。渐缩段102底部截面积最小处连接有加速直段103。加速直段103为等截面设置。加速室1与分离室4可以采用螺纹或法兰密封连接。加速室1内部的流道为轴对称结构，其渐缩段102与水平面的夹角α为45°<α<60°。加速直段103嵌入分离室4，且出口位于分离室4中部以下。加速直段3的出口直径1mm≤D≤2mm，其底部与分离室4底部的距离≥2D。
分离室4与撞击室5固定密封连接，连接方式优先选用法兰连接。分离室4的截面可采用圆柱形或方形，其高度≥5D，其四周壁面设有2～4个开孔作为气体出口7，可通过管道与真空泵密封连接。
分离室4与撞击室5之间设有加速微粒入口3，加速微粒入口3的直径d≤1mm。加速微粒入口3位于加速直段103出口正下方，且加速微粒入口3与加速直段103为同轴设置。
撞击室5的横截面为矩形，其内部空腔的宽度≥16mm，高度≥40mm。撞击室5两侧分布对称的矩形开口，可密封镶嵌透明视窗6。
透明视窗6的形状为矩形，其边长≥20mm。透明视窗6的材料可选用光学性能良好的光学石英玻璃或光学有机玻璃，其一侧设置光源9照明，与光源9相对的另一侧设置高速影像采集装置8对两相界面上形成的高速影像进行采集。
撞击室5中可通过注入液体形成气液界面，或者放置平板形成气固界面，来形成两相界面。
加速室1、分离室4和撞击室5的轴线重合，撞击装置内各部件均密封连接，与真空泵形成的气路系统能维持负压。
首先载气携带适量微粒通过气溶胶入口2进入撞击装置的加速室1中，在混合段101流道截面积大，气流速度慢，停留时间长，有利于微粒在气流中均匀分布，之后通过沿流向截面积不断缩小的渐缩段102，气流的速度迅速增加，进入截面积小的加速直段103，微粒在加速气流的曳力作用下被加速到接近加速气流的速度。
然后载气和微粒瞬间进入分离室4内部的开阔空间内，流动速度大的载气冲击到分离空腔底部的滞止边界层后向四周扩散流动，通过分离室4四周的气体出口7流出撞击装置。还可以进一步通过真空泵的抽吸使得扩散后的载气从气体出口7流出，进入真空泵中。一部分微粒由于惯性撞击并粘附在分离室4底部的固体壁面，另一部分微粒通过分离室4底部的小孔进入撞击室5。
撞击室5由于仅通过顶部直径很小的小孔与外界连通，因此其内部的气流滞止，通过分离室4底部的小孔进入撞击室5的微粒在惯性作用下继续向下运动，在滞止气流的曳力作用下速度略有减小，最终撞击到撞击室5内设置的两相界面上。
在撞击室5一侧的光源9的照射下，可通过其相对侧的高速影像采集装置8对微粒撞击两相界面的过程进行影像采集。需要保证微粒撞击两相界面在高速影像采集装置8的视野内。
通过控制气溶胶入口2微粒的给入量，可使得微粒在撞击空腔中依次撞击两相界面，并且不影响其前后颗粒的撞击过程。
通过改变气溶胶入口2载气流速能够改变加速气流速度，从而能够改变微粒的撞击速度。
当两相界面为气液界面时，还可以通过调整撞击装置与水平面的倾斜角度，改变微粒撞击两相界面的角度。当两相界面为气固界面时，可通过调整两相界面与水平面的倾斜角度，改变微粒撞击两相界面的角度。
通过调节真空泵使得撞击装置内保持为负压，减小颗粒(或液滴)运动过程受到的空气阻力，调整撞击装置内的气体压力可进一步改变微粒撞击两相界面的速度。
加速直段103流道的长度应使得颗粒能够在该长度内被气流加速到足够大的速度，而撞击室5内两相界面与加速微粒入口3的距离应保证，微粒在适当减速后撞击到两相界面时仍能达到预期速度。
实施例：
将本发明所述撞击装置在实验室进行微粒分离及撞击验证。载气和微粒由实验室的气瓶和颗粒(或液滴)发生器等装置产生，真空泵为与之配套设备。使用条件：常温，撞击装置内气体压力0.1Mpa，载气流量1L/min，微米级颗粒粒径100μm，密度2g/cm3，两相界面为液面，液体为去离子水。
经过实验室实施验证，本发明可以达到如下的性能指标：如图2所示，撞击装置轴线处气流的速度在加速直段出口最大可达10m/s，颗粒速度最大可达4.5m/s，撞击室内颗粒最终以3.5m/s的速度撞击到液体表面，远大于其沉降速度(0.46m/s)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (8)
1.一种微粒撞击装置，其特征在于，所述装置包括真空泵，以及从上到下依次布置的加速室(1)、分离室(4)和撞击室(5)，所述加速室(1)从上至下包括混合段(101)、渐缩段(102)和加速直段(103)，所述混合段(101)为等截面段，其顶部设置有气溶胶入口(2)，所述渐缩段(102)底部截面积最小处连接有加速直段(103)；所述加速直段(103)嵌入所述分离室(4)，且所述加速直段(103)出口位于所述分离室(4)内；所述分离室(4)与所述撞击室(5)之间设有加速微粒入口(3)，所述加速微粒入口(3)位于所述加速直段出口正下方；所述分离室(4)壁面还设有气体出口(7)；所述气体出口(7)设置有气体管道与所述真空泵相连，使所述分离室(4)内保持负压。
2.根据权利要求1所述的一种微粒撞击装置，其特征在于：所述加速直段(103)出口直径D为1mm≤D≤2mm；所述分离室(4)的高度≥5D；所述加速直段(103)出口与所述分离室(4)底部的距离≥2D。
3.根据权利要求1所述的一种微粒撞击装置，其特征在于：所述加速微粒入口(3)直径d≤1mm。
4.根据权利要求1所述的一种微粒撞击装置，其特征在于：所述渐缩段(102)与水平面的夹角α为45°≤α≤60°。
5.根据权利要求1所述的一种微粒撞击装置，其特征在于：所述气体出口(7)设置2～4个，均匀分布在所述分离室(4)四周。
6.一种微粒撞击方法，其使用如权利要求1所述的一种微粒撞击装置，其特征在于，所述方法包括：
将液体注入所述撞击室(5)或将平板放置入所述撞击室(5)，使得所述撞击室(5)中部以上形成气液或气固的两相界面；
使载气和适量微粒通过气溶胶入口(2)进入加速室(1)，所述微粒包括微米级颗粒或微米级液滴；所述载气和微粒首先在混合段(101)混合均匀，随后通过渐缩段(102)迅速加速，到达加速直段(103)时成为加速气流；
携带着微粒的加速气流通过加速直段入口进入分离室(4)，空间瞬间增大使得加速气流冲击分离室(4)底部向四周扩散，气流从气体出口(7)排出，加速气流携带的部分微粒粘附在分离室(4)底部及其附近区域，部分微粒竖直穿过加速微粒入口(3)进入撞击室(5)；真空泵的抽吸作用使得分离室(4)和撞击室(5)保持负压，微粒在撞击室(5)内的减速变慢，最终撞击到两相界面，在两相界面形成撞击轨迹。
7.一种微粒撞击及其观测装置，其特征在于，所述观测装置包括如权利要求1至5任一项所述的微粒撞击装置，以及高速影像采集装置(8)和光源(9)；所述微粒撞击装置包括从上到下依次布置的加速室(1)、分离室(4)和撞击室(5)，所述高速影像采集装置(8)和光源(9)分别设置在所述撞击室(5)外部相对的两侧，且所述撞击室(5)两侧壁面设置有透明视窗(6)。
8.一种微粒撞击及观测方法，其使用如权利要求7所述的一种微粒撞击及观测装置，其特征在于，所述方法包括：
将液体注入所述撞击室(5)或将平板放置入所述撞击室(5)，使得所述撞击室(5)中部以上形成气液或气固的两相界面；使光源(9)和高速影像采集装置(8)分别从所述撞击室(5)两侧对准所述两相界面，并调校至能够采集所述两相界面上形成的高速影像；
使载气和适量微粒通过气溶胶入口(2)进入加速室(1)，所述微粒包括微米级颗粒或微米级液滴；所述载气和微粒首先在混合段(101)混合均匀，随后通过渐缩段(102)迅速加速，到达加速直段(103)时成为加速气流；
携带着微粒的加速气流通过加速直段入口进入分离室(4)，空间瞬间增大使得加速气流冲击分离室(4)底部向四周扩散，气流直接或在真空泵抽吸下从气体出口(7)排出，加速气流携带的部分微粒粘附在分离室(4)底部及其附近区域，部分微粒竖直穿过加速微粒入口(3)进入撞击室(5)并逐渐减速，最终撞击到两相界面，在两相界面形成撞击轨迹；使所述高速影像采集装置(8)采集和记录下所述撞击轨迹。
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