CN111307405B - 一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于航空航天技术领域，提供了一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，包括供水系统、供气系统、同步器、水滴发生器；供水系统和供气系统的一端均连接于水滴发生器，供水系统和供气系统的另一端均连接于同步器；供水系统向水滴发生器提供水，且供水速度可调节；供气系统向水滴发生器提供脉冲气流，且脉冲气流产生的频率可调节。进一步地，供水系统包括依次连接的位移控制器、线性位移仪、微量注射器，其中，位移控制器连接于同步器，微量注射器连接于水滴发生器。本发明的气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置能够实现水滴直径的调节和水滴间距的调节。

Description

一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，尤其涉及一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置。

背景技术

自1994年美国ATR-72空难后，过冷大水滴(Supercooled Large Droplet，以下简称SLD)成为了飞机结冰研究的热点。相比于FAR25部附录C规定的常规水滴(水滴平均有效直径小于50μm)，SLD的特点是水滴直径较大(通常大于100μm，甚至达到3mm以上)，在运动、撞击过程中会发生显著的动力学行为，如，在强气动力作用下会发生变形、破碎现象，在撞击固壁或液膜时可能发生铺展、收缩和飞溅等现象；同时，SLD撞击固壁后通常不会立刻冻结，多数情况会形成液态水膜并在气流驱动下沿固壁流动过程中逐渐冻结，最终形成冰瘤或冰脊对飞行安全威胁极大。

目前，针对SLD动力学特性的研究已经取得了较大的成果，主要集中在水滴的变形、破碎和飞溅等方向。但是，大量的研究普遍存在两个方面的局限性，一是大多采用点滴的方式获取的水滴直径较大，且不可控；二是利用压电的方式生成的水滴串，该水滴串的间距非常小，且不可控，在运动过程中存在相互影响，增大了实验的调控难度，如专利CN102419246B公开的微型水滴发生器，由于水滴串的间距小，在碰撞、撞击的实验中很难捕捉单颗水滴完成的整个动力学行为过程，往往会受到其它水滴干扰，致使实验的准确性降低。

针对以上问题，本发明提供了一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，可用于水滴碰撞、撞击及其行为过程的热-质-力耦合非平衡传递等研究，为解决飞机结冰与防除冰问题提供支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，旨在解决现有技术中水滴直径较大且不可控、水滴串的间距非常小且不可控的技术问题。

本发明是这样实现的，一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，包括供水系统、供气系统、同步器、水滴发生器；

所述供水系统和所述供气系统的一端均连接于所述水滴发生器，所述供水系统和所述供气系统的另一端均连接于所述同步器；

所述供水系统向所述水滴发生器提供水，且供水速度可调节；

所述供气系统向所述水滴发生器提供脉冲气流，且脉冲气流产生的频率可调节。

进一步地，所述供水系统包括依次连接的位移控制器、线性位移仪、微量注射器，其中，所述位移控制器连接于所述同步器，所述微量注射器连接于所述水滴发生器。

进一步地，所述供气系统包括储气罐、脉冲发生器、高频脉冲电磁阀，所述脉冲发生器连接于所述同步器和所述高频脉冲电磁阀之间，高频脉冲电磁阀还与所述储气罐和所述水滴发生器连接。

进一步地，所述水滴发生器包括集水组件、集气组件、套筒，所述集水组件、所述集气组件均套接于所述套筒中。

进一步地，所述集水组件包括水盘、微型针头安装管；所述微型针头安装管安装于所述水盘的一侧，所述微型针头安装管用于安装微型针头；所述水盘上设置有进水孔，所述进水孔与所述微型针头安装管连通。

进一步地，所述集气组件包括气盘和位于气盘一侧的排气环，所述气盘的另一侧设有进气管安装件，所述进气管安装件面向集水组件；

所述气盘和所述排气环中设置有贯通的微型针头安装管孔；

所述排气环中具有排气环缝，所述进气管安装件中具有进气孔，所述进气孔与所述排气环缝连通。

进一步地，所述套筒包括套筒本体、位于套筒本体内的第一环形体和第二环形体，所述第一环形体用于承接所述集水组件，所述第二环形体用于承接所述集气组件。

进一步地，所述第一环形体的内径大于所述第二环形体的内径。

进一步地，所述套筒本体上还设置有第二水盘安装孔，所述第二水盘安装孔位于所述第一环形体的台阶面的上侧，当将所述水盘承载在所述第一环形体的台阶面上，所述水盘上的所述进水孔可对准所述进水管安装孔。

进一步地，所述套筒上还具有进气管安装孔，所述进气管安装孔穿过所述套筒本体和所述第一环形体。

本发明可产生单颗微水滴，水滴的大小、生成时间可调可控，具体地：

1.能够实现水滴直径的调节：在保持供水系统的供水速度不变的情况下，提高供气系统的脉冲气流产生的频率，可以减小生成水滴的直径；降低脉冲气流产生的频率，可以增大生成水滴的直径；

2.能够实现水滴间距的调节：保持供气系统的脉冲气流产生的频率不变的情况下，提高供水系统的供水速度，可以加速生成水滴的速度，从而使水滴间距变小；减慢供水系统的供水速度，可以减慢生成水滴的速度，从而使水滴间距变大；

3.水滴发生器，通过多个通道供水和供气，因此，供水和供气的稳定性较高，更利于控制单颗微水滴的形成；

4.本发明的水滴发生器，其尺寸小、结构简单、安装拆卸方便且适用范围广；

5.本发明的气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，工作稳定性好，便于进行相关的实验研究。

6.本发明的气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置能够生成不同粒径大小的单颗微水滴，水滴直径可变可控，因此，可用于水滴在气动力作用下的动力学现象(包括变形、破碎)、撞击特性(包括反弹、飞溅)、水滴相互作用(包括合并、分裂)和传热传质(包括过冷、冻结、蒸发)以及结冰风洞水滴过冷特性等研究，为建立水滴动力学行为准则、建设结冰风洞过冷大水滴试验能力以及揭示SLD结冰机理提供帮助。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置示意图；

图2是本发明的水滴发生器的结构示意图；

图3是本发明的集水组件的结构示意图；

图4是本发明的集气组件的结构示意图；

图5是本发明的集气组件的另一视角的结构示意图；

图6是本发明的套筒的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。

在本发明的描述中，需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示为本发明的一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置示意图，包括供水系统10、供气系统20、同步器30、水滴发生器40；

供水系统10和供气系统20的一端均连接于水滴发生器40，供水系统10和供气系统20的另一端均连接于同步器30；

供水系统10向水滴发生器40提供水，且供水速度可调节；

供气系统20向水滴发生器40提供脉冲气流，且脉冲气流产生的频率可调节。

因此，本发明的气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置能够实现水滴直径的调节，具体地：在保持供水系统10的供水速度不变的情况下，提高供气系统20的脉冲气流产生的频率，可以减小生成水滴的直径；降低脉冲气流产生的频率，可以增大生成水滴的直径；

同时，本发明的气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置也能够实现水滴间距的调节，具体地：保持供气系统20的脉冲气流产生的频率不变的情况下，提高供水系统10的供水速度，可以加速生成水滴的速度，从而使水滴间距变小；减慢供水系统10的供水速度，可以减慢生成水滴的速度，从而使水滴间距变大；

同时，本发明的气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置也能够同时实现水滴直径和水滴间距的调节，具体地，通过同时改变供气系统20的脉冲气流产生的频率和供水系统10的供水速度，即可以联合调控水滴产生的直径和水滴间距。

进一步地，所述供水系统10包括依次连接的位移控制器11、线性位移仪12、微量注射器13，其中，位移控制器11连接于同步器30，微量注射器13连接于水滴发生器40；位移控制器11在接收到同步器30释放的信号后，位移控制器11启动线性位移仪12，从而驱动微量注射器13缓慢移动，从而使水供向水滴发生器40。

进一步地，所述供气系统20包括储气罐21、脉冲发生器22、高频脉冲电磁阀23，所述脉冲发生器22连接于所述同步器30和所述高频脉冲电磁阀23之间，高频脉冲电磁阀23还与所述储气罐21和所述水滴发生器40连接；

同步器30按时间间隔要求释放信号启动脉冲发生器22，脉冲发生器22可实现高频脉冲电磁阀23的开关操作，进而控制储气罐21中的气体流出与否，进而产生脉冲剪切气流作用于所述水滴发生器的水滴，使水滴下落，形成单颗微水滴。

进一步地，如图2所示为本发明的水滴发生器的结构示意图，所述水滴发生器40包括集水组件41、集气组件42、套筒43，集水组件41、集气组件42均套接于套筒43中。

具体地，如图3所示为本发明的集水组件的结构示意图，集水组件41包括水盘411、微型针头安装管412，微型针头安装管412安装于水盘411的一侧，优选地，微型针头安装管412安装于水盘411的中心位置，微型针头安装管412用于安装微型针头(未图示)，水滴最终聚集于微型针头的前缘；

水盘411上设置有进水孔414，进水孔414深入水盘411内部，且与微型针头安装管412连通，以使水进入微型针头安装管412；另外，水盘411上还设置有第一水盘安装孔413，其中，第一水盘安装孔413和进水孔414间隔开，通过第一水盘安装孔413将水盘411安装在套筒43内；

优选地，第一水盘安装孔413和进水孔414均匀地分布在水盘411上，第一水盘安装孔413为螺纹孔。优选地，第一水盘安装孔413和进水孔414的数量为多个，优选为四个。

进一步地，如图4所示为本发明的集气组件的结构示意图，如图5所示为本发明的集气组件的另一视角的结构示意图，所述集气组件42包括气盘421和位于气盘421一侧的排气环422，气盘421的另一侧设有进气管安装件423，进气管安装件423面向集水组件，可以将进气管安装在进气管安装件423上，从而实现气流的接入；优选地，进气管安装件423均匀分布在气盘421上，且数量为多个，优选为四个。

气盘421和排气环422中设置有贯通的微型针头安装管孔424，微型针头安装管孔424用于安装微型针头；优选地，微型针头安装管孔424位于气盘421和排气环422的中心位置。

排气环422中具有排气环缝427，进气管安装件423中具有进气孔425，进气孔425与排气环缝427连通，从而将气流引入排气环缝中；优选地，排气环缝以微型针头安装管孔424为中心，优选为圆环形排气缝。

气盘421上还具有第一气盘安装孔426，通过第一气盘安装孔426将气盘421安装在套筒43内。

进一步地，如图6所示为本发明的套筒的结构示意图，所述套筒43包括套筒本体430、位于套筒本体430内的第一环形体431和第二环形体432，第一环形体431的内径大于第二环形体432的内径，第一环形体431用于承接集水组件41，第二环形体432用于承接集气组件42。

具体地，位于第一环形体431上方的套筒本体430上设置有进水管安装孔433，进水管安装孔433的数量和进水孔414的数量相等；当将集水组件41放置在第一环形体431上时，水盘411承载在第一环形体431的台阶面上，在安装集水组件41时，将水盘411上的进水孔414对准进水管安装孔433，进水管通过进水管安装孔433与进水孔414相连，进而实现进水管与水滴发生器的连接。其中，这里的“对准”指的是每个进水孔414均与进水管安装孔433对准。

套筒本体430上还设置有第二水盘安装孔434，所述第二水盘安装孔434位于所述第一环形体431的台阶面的上侧，第二水盘安装孔434的数量和第一水盘安装孔413的数量相等；当将集水组件41放置在第一环形体431上时，水盘411承载在第一环形体431的台阶面上，在安装集水组件41时，将水盘411上的第一水盘安装孔413对准第二水盘安装孔434，再利用螺钉或螺栓等连接件将集水组件41和套筒43连接在一起。其中，这里的“对准”指的是每个第一水盘安装孔413均与第二水盘安装孔434对准。

优选地，第二水盘安装孔434和进水管安装孔433位于套筒43的同一周向位置，也就是说，第二水盘安装孔434和进水管安装孔433距离套筒43同一端的距离相同。

进一步地，套筒43上还具有进气管安装孔435，进气管安装孔435穿过套筒本体430和第一环形体431，进气管安装孔435的数量和进气管安装件423的数量相等；进气管可穿过进气管安装孔435与进气管安装件423连接，进而实现进气管与水滴发生器的连接。

套筒43上还具有第二气盘安装孔436，第二气盘安装孔436的数量和第一气盘安装孔426的数量相等；当将集气组件42放置在第二环形体432上时，气盘421承载在第二环形体432的台阶面上，气盘421容纳在第一环形体431的内腔中，排气环422容纳在第二环形体432的内腔中，在安装集气组件42时，将气盘421上的一气盘安装孔426对准第二气盘安装孔436，再利用螺钉或螺栓等连接件将集气组件42和套筒43连接在一起。其中，这里的“对准”指的是每个第一气盘安装孔426均与第二气盘安装孔436对准。

优选地，优选地，进气管安装孔435所在的周向面位于第二水盘安装孔434所在的周向面和第二气盘安装孔436所在的周向面之间。

本发明的水滴发生器，通过多个通道供水和供气，因此，供水和供气的稳定性较高，更利于控制单颗微水滴的形成。且其尺寸小、结构简单、安装拆卸方便且适用范围广。

同时，本发明的气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置能够生成不同粒径大小的单颗微水滴，水滴直径可变可控，因此，可用于水滴在气动力作用下的动力学现象(包括变形、破碎)、撞击特性(包括反弹、飞溅)、水滴相互作用(包括合并、分裂)和传热传质(包括过冷、冻结、蒸发)以及结冰风洞水滴过冷特性等研究，为建立水滴动力学行为准则、建设结冰风洞过冷大水滴试验能力以及揭示SLD结冰机理提供帮助。

本发明采用气流脉冲剪切的方式生成水滴，一是可以生成单颗微水滴，不同于压点式水滴发生器生成的水滴串，也不同于微型针头滴出的大直径水滴；二是生成的水滴直径可控可调；三是水滴生成的时间可控。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，其特征在于，包括供水系统(10)、供气系统(20)、同步器(30)、水滴发生器(40)；

所述供水系统(10)和所述供气系统(20)的一端均连接于所述水滴发生器(40)，所述供水系统(10)和所述供气系统(20)的另一端均连接于所述同步器(30)；

所述供水系统(10)向所述水滴发生器(40)提供水，且供水速度可调节；

所述供气系统(20)向所述水滴发生器(40)提供脉冲气流，且脉冲气流产生的频率可调节；

所述水滴发生器(40)包括集水组件(41)、集气组件(42)、套筒(43)，所述集水组件(41)、所述集气组件(42)均套接于所述套筒(43)中；

所述集气组件(42)包括气盘(421)和位于气盘(421)一侧的排气环(422)，所述气盘(421)的另一侧设有进气管安装件(423)，所述进气管安装件(423)面向集水组件(41)；

所述集水组件(41)包括水盘(411)、微型针头安装管(412)；所述微型针头安装管(412)安装于所述水盘(411)的一侧，所述微型针头安装管(412)用于安装微型针头；

所述水盘(411)上设置有进水孔(414)，所述进水孔(414)与所述微型针头安装管(412)连通。

2.如权利要求1所述的一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，其特征在于，所述供水系统(10)包括依次连接的位移控制器(11)、线性位移仪(12)、微量注射器(13)，其中，所述位移控制器(11)连接于所述同步器(30)，所述微量注射器(13)连接于所述水滴发生器(40)。

3.如权利要求1所述的一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，其特征在于，所述供气系统(20)包括储气罐(21)、脉冲发生器(22)、高频脉冲电磁阀(23)，所述脉冲发生器(22)连接于所述同步器(30)和所述高频脉冲电磁阀(23)之间，高频脉冲电磁阀(23)还与所述储气罐(21)和所述水滴发生器(40)连接。

4.如权利要求1所述的一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，其特征在于，所述气盘(421)和所述排气环(422)中设置有贯通的微型针头安装管孔(424)；

所述排气环(422)中具有排气环缝(427)，所述进气管安装件(423)中具有进气孔(425)，所述进气孔(425)与所述排气环缝(427)连通。

5.如权利要求4所述的一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，其特征在于，所述套筒(43)包括套筒本体(430)、位于套筒本体(430)内的第一环形体(431)和第二环形体(432)，所述第一环形体(431)用于承接所述集水组件(41)，所述第二环形体(432)用于承接所述集气组件(42)。

6.如权利要求5所述的一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，其特征在于，所述第一环形体(431)的内径大于所述第二环形体(432)的内径。

7.如权利要求5所述的一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，其特征在于，位于所述第一环形体(431)上方的套筒本体(430)上设置有进水管安装孔(433)；所述套筒本体(430)上还设置有第二水盘安装孔(434)，所述第二水盘安装孔(434)位于所述第一环形体(431)的台阶面的上侧，当将所述水盘(411)承载在所述第一环形体(431)的台阶面上，所述水盘(411)上的所述进水孔(414)可对准所述进水管安装孔(433)。

8.如权利要求5所述的一种气流脉冲剪切式单颗微水滴发生装置，其特征在于，所述套筒(43)上还具有进气管安装孔(435)，所述进气管安装孔(435)穿过所述套筒本体(430)和所述第一环形体(431)。

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