CN111504598A - 一种促进液滴冲击飞溅实验装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种促进液滴冲击飞溅实验装置及其应用，实验装置包括液滴形成部、撞击部和记录部；液滴形成部包括低粘液体注射泵和高粘液体注射泵，分别通过注射管连接有低粘液体注射针头和高粘液体注射针头，低粘液体注射针头和高粘液体注射针头错位设置；撞击部包括升降台，升降台位于注射针头下方，其表面上方放置撞击板，撞击板的上板面上涂覆有撞击层；记录部包括光源、高速相机和反光板，光源用于照亮撞击板和反光板，高速相机用于记录液滴冲击撞击板后的动态过程和飞溅形态。本发明旨在通过构建一种特殊的实验装置，并基于该装置设计双组分液滴实验来研究液滴的冲击飞溅促进现象，以对如何提高内燃机燃烧和喷雾冷却效率等提供理论支持。

Description

一种促进液滴冲击飞溅实验装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种实验装置，具体涉及一种促进液滴冲击飞溅实验装置及其应用。

背景技术

液滴冲击固体表面作为自然界中非常普遍的一种毛细现象，基于其在农业如灌溉，药物喷洒，以及工业如热喷涂，喷雾冷却等方面的应用而受到广泛关注。近些年，由于高速成像技术的快速发展，这种瞬态的液滴冲击行为才得到清晰的表征。通过改变不同的冲击参数，如冲击速度，液滴性质及固体表面的浸润性，液滴冲击呈现出不同的冲击现象如在表面沉积或铺展，在表面铺展后弹离，或者在表面铺展和收缩过程中产生破碎小液滴。其中，液滴冲击过程中小液滴的溅射现象即液滴飞溅，涉及到许多工农业过程中关键技术问题。因此，如何控制液滴飞溅现象的发生具有重要的研究意义。

尽管液滴飞溅是一种非常复杂的界面流体行为，目前对于调节液滴在固体表面的飞溅现象已经有了一些报道，比如采用减少空气压力或利用软表面等。但这些方法存在两方面的不足：一是当前的方法仅仅适用于液滴飞溅现象的抑制，然而，在一些技术领域如喷雾冷却和内燃机燃烧，液滴飞溅是非常有利的、需要被促进的一种现象。二是基于方法本身的缺陷如需要低压环境或对基底软硬有较高要求，会大大限制液滴撞击在各个领域的潜在应用。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种促进液滴冲击飞溅实验装置及其应用。本发明旨在通过构建一种特殊的实验装置，并基于该装置设计双组分液滴实验来研究液滴的冲击飞溅促进现象，以对如何提高内燃机燃烧和喷雾冷却效率等提供理论支持。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种促进液滴冲击飞溅实验装置，包括液滴形成部、撞击部和记录部；液滴形成部包括低粘液体注射泵和高粘液体注射泵，分别通过注射管连接有低粘液体注射针头和高粘液体注射针头，低粘液体注射针头和高粘液体注射针头的头部错位设置；撞击部包括升降台，升降台位于注射针头下方，其顶部放置有撞击板，撞击板的上表面涂覆有撞击层；记录部包括光源、高速相机和反光板，光源用于照亮撞击板和反光板，高速相机用于记录双组分液滴撞击撞击板后的动态过程和飞溅形态。

本发明中的实验装置包括功能各不相同但又相互协同作用的三个功能模块。其中，液滴形成部包括两台注射泵，这两台注射泵可以将不同粘度的液体组合成一个双组分液滴，双组分液滴中包括在几十甚至几百毫秒内不互相扩散或混合的低粘组分和高粘组分，可以更加容易的观察到液滴冲击飞溅现象。撞击部包括升降台和设置于升降台上的撞击板，升降台可以调节撞击板的高度，以实现调节撞击板与注射针头之间间距的目的，便于观察不同冲击力下液体的飞溅情况。撞击板的上板面上涂覆有超双疏层，可以保证撞击板对两种组分液体具有一致的浸润性，飞溅效果更佳；撞击板一侧设置有反光板，反光板可以对光源发出的光进行反射，记录的图像信息更加清晰。记录部包括光源和高速相机，光源照射撞击板，提升液滴溅射过程中的曝光程度，高速相机捕捉到的细节画面更加清晰；高速相机具有高图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等优点，可以在很短的时间内拍摄多张稳定图片，能够对液滴的整个飞溅过程进行详细且清楚的记录，后续分析更加直观方便。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，低粘液体注射针头和高粘液体注射针头中的一根垂直设置，另一根倾斜设置，且两者之间的夹角为5～60°。

进一步，低粘液体注射针头垂直设置，高粘液体注射针头倾斜设置，并且高粘液体注射针头高于低粘液体注射针头。

进一步，低粘液体注射针头和高粘液体注射针头的头部之间的水平距离为1～8mm，垂直距离为1～8mm。

本发明中将两根注射针头以一定的倾斜角度进行布置，相互之间具有夹角，有利于不同粘度的液体在表面张力作用下结合到一起，形成半边为低粘液体半边为高粘液体的双组分液滴，飞溅实验现象更显著。更好的是将低粘液体注射针头垂直设置，高粘液体注射针头倾斜设置，并且两根注射针头的头部之间具有一定的间距；注射针头错位设置是得到双组分液滴的关键因素，这是因为不同粘度的液体单纯的混合肯定得不到双组分液滴，就拿水和甘油来说，由于两者是互溶的，而且两者表面张力相似，它们并非不能发生混合，只是时间长短的问题。液滴冲击的时间尺度在几十毫秒内，而当两者粘度相差很大时，扩散系数是非常小的，因此在液滴冲击时间尺度内才忽略扩散层。

进一步，光源倾斜设置于反光板的对侧，其与撞击板之间的夹角为30～60°。

进一步，高速相机设置有两台，分别位于撞击板上方和侧方，且两台高速相机的位置可调；位于撞击板侧方的高速相机始终与撞击板位于同一水平面上。

进一步，撞击层为亲水、疏水、超疏水或超双疏层，撞击板的界面浸润性可调。

本发明中的实验装置可以用于液滴的飞溅实验，特别是用于研究液滴冲击飞溅促进现象。利用本发明中的装置进行液滴冲击飞溅促进现象时，包括以下步骤：

S1：在低粘液体注射泵和高粘液体注射泵中分别加装粘度为0.8～1.5mPa·s的低粘度液体和粘度为100～1491mPa·s的高粘度液体；

S2：调整光源、反光板和高速相机的位置，以高速相机能够接收到最大光强为准；

S3：通过低粘液体注射泵挤出一滴低粘液体并使其悬挂于低粘液体注射针头的头部，再通高粘液体注射泵挤出一滴高粘液体，其从高粘液体注射针头脱落后，在下落过程中与低粘液体合并成双组分液滴，然后向下冲击；双组分液滴下落冲击过程中由于巨大的粘度差异，始终保持清晰的低粘-高粘两相界面；

S4：控制升降台工作，使撞击板与注射针头之间的距离在1～50cm的范围内变化；高速相机分别从正面和侧面拍摄双组分液滴冲击到撞击板上的瞬时动态过程，记录双组分液滴飞溅情况图像；然后对图像进行分析，得到实验结果。

本发明的实验通过向低粘度液滴中添加高粘度组分构建双组分液滴来实现对液滴冲击溅射现象的促进。在双组分液滴冲击撞击板的前期，由于粘性耗散的存在，高粘组分的速度急剧减少甚至减少为零，而低粘部分则继续保持较高的运动速度。此时，液-液界面剪切力发挥作用，使得高粘-低粘液相界面发生变形，从而高粘度组分占据低粘部分在固液界面的铺展空间，使得较上层低粘流体以更快的速度向高粘组分的反向铺展。随后，由于泰勒-瑞利不稳定性的存在，当冲击能量足够时，低粘流体部分铺展边缘喷射出小液滴即发生溅射现象。

本发明实验过程中所用低粘度液体与高粘度液体的表面张力接近，低粘度液体可以为水，高粘度液体可以为甘油。

本发明在进行实验时，并不是所有的低粘液体和高粘液体都能形成半边为低粘液体半边为高粘液体的双组分液滴，构建这种液滴的关键是所加入的高粘部分与低粘组分的表面张力参数要接近。如果低粘液体为水，而高粘液体为表面张力要远低于水的乙二醇，那么表面张力低的乙二醇部分将包裹表面张力高的水部分，形成类核壳状液滴，双组分液滴冲击撞击板后不会发生飞溅，不能观察到溅射现象。

本发明的有益效果是：本发明中的实验装置为液滴冲击飞溅促进现象提供实验平台，利用本发明中的实验装置可以将两种表面张力相近但粘度差别较大的液体结合到一个双组分液滴中，双组分液滴中的两种组分存在清晰的界面，其冲击撞击板后，在超双疏层的作用下低粘流体部分铺展边缘喷射出小液滴即发生溅射现象，冲击过程可以被高速相机记录下来，可以进行直观的观察和分析，为对如何提高内燃机燃烧和喷雾冷却效率等提供理论支持。

附图说明

图1为本发明各部件的位置关系图；

图2为双组分液滴的立体视图；

其中，1、液滴形成部；11、高粘液体注射泵；12、低粘液体注射；13、高粘液体注射针头；14、低粘液体注射针头；2、撞击部；21、升降台；22、撞击板；23、反光板；3、记录部；31、光源；32、高速相机；4、双组分液滴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的实施例中，如图1所示，提供一种液滴冲击飞溅实验装置，本发明中的实验装置包括液滴形成部1、撞击部2和记录部3。其中，液滴形成部1用于形成飞溅所需的双组分液滴，为了更加清楚的观察到液滴飞溅促进现象，本发明中在进行实验时所用双组分液滴包括低粘和高粘两部分。液滴形成部1包括低粘液体注射泵12和高粘液体注射泵11，低粘液体注射泵12和高粘液体注射泵11分别通过注射管连接有低粘液体注射针头14和高粘液体注射针头13。低粘液体注射泵12中加注有低粘度液体，低粘液体注射泵12可以根据需要将合适量的低粘度液体推送到低粘液体注射针头14的头部形成低粘度液滴；高粘液体注射泵11中加注有高粘度液体，高粘液体注射泵11可以根据需要将合适量的高粘度液体推送到高粘液体注射针头13的头部形成高粘度液滴。低粘液体注射针头14和高粘液体注射针头13的头部错位设置，以便于低粘度液滴和高粘度液滴结合形成双组分液滴14；交错设置方式可以为将低粘液体注射针头14和高粘液体注射针头13中的一根垂直设置，另一根倾斜设置，且两者之间的夹角为5～60°，具体方式参考图1。

在本发明的一种优选实施例中，低粘液体注射针头14垂直设置，高粘液体注射针头13倾斜设置，低粘液体注射针头14的头部位于高粘液体注射针头13的头部下方，并且两注射针头头部之间的水平距离为1～8mm，垂直距离为1～8mm。

撞击部2包括升降台21，升降台21可以为现有技术中具有升降功能的器件。升降台21位于注射针头下方，其顶部上表面放置有撞击板22；撞击板22成规则的几何形状，如圆形或方形等，其上板面上涂覆有超双疏层。撞击板22一侧设置有反光板23，反光板23垂直布置，其可以随撞击板23的运动而运动。

记录部3包括光源31和高速相机32。光源31用于照亮撞击部2，其可以为LED灯、白炽灯等；光源31倾斜设置于反光板23的对侧，其与撞击板22之间的夹角为30～60°；光源31发出的光照一部分直射撞击板22，另一部分经反光板23反射到撞击板22上，使滴落到撞击板22上的双组分液滴4的飞溅过程能够被清楚的记录。高速相机32用于记录双组分液滴4冲击撞击板22后的动态过程和飞溅形态；为了能够实现双组分液滴4飞溅过程的全方位记录，高速相机32布置有两台，这两台高速相机32分别通过支架设置在撞击板22的上方和侧方，且两台高速相机32的位置可调，其中位于撞击板22侧方的高速相机始终与撞击板22位于同一水平面上。

下面结合实施例对液滴冲击飞溅促进现象进行详细说明。

实施例一

利用液滴冲击飞溅实验装置研究液滴冲击飞溅促进现象，包括以下步骤：

S1：将纯甘油(粘度1490mPa·s左右)和水(粘度1mPa·s左右)分别加装到高粘液体注射泵11和低粘液体注射泵12中；

S2：调整光源31、反光板23和高速相机32的位置，以高速相机32能够接收到最大光强为准；

S3：通过低粘液体注射泵12挤出一滴10μL大小的水滴并使其悬挂于低粘液体注射针头14的头部，该水滴距离超双疏表面的竖直距离为22cm；在该水滴即将从低粘液体注射针头14脱离时，从上方竖直距离为0.5mm、水平距离为0.5mm的高粘液体注射针头13挤出相同大小的纯甘油液滴，使得甘油液滴在下落过程中通过轻微的触碰即将脱离的水滴边缘而与水滴结合为一个直径约为3.1mm双组分液滴4(如图2)，由于水和甘油较大的粘度差异，该双组分液滴保持清晰的甘油-水界面。

S4：该双组分液滴以约为2.0m/s的速度冲击正下方的超双疏表面；该冲击正面及侧面动态过程分别通过两台高速相机录制。在该速度下，通过上述相同的方式得到相同体积的纯水液滴，并记录纯水液滴的冲击动态现象。结果表明，纯水液滴并未溅射出小液滴，而双组分液滴中水组分在铺展过程中发生了液滴溅射现象。

实施例二

本实施例中，将实施例一中水滴与超双疏表面之间的竖直距离，即双组分液滴4的冲击高度分别改变成24cm，28cm和32cm，其他步骤与实施例一相同。最终所得结果与实施例一的实验结果相同。

实施例三

本实施例中，将实施例一中的水滴大小分别改变成7μL，12μL，15μL，其他步骤与实施例一相同。最终所得结果与实施例一的实验结果相同。

实施例四

本实施例中，将实施例一中的纯甘油液滴改变成85wt％，95wt％的甘油液滴(粘度在100～1400mPa·s的范围内)，其他步骤与实施例一相同。结果表明，双组分液滴仍具有促进液滴溅射的作用，但随着甘油质量分数即粘度的减小，促进作用也随之减弱。

虽然结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种促进液滴冲击飞溅实验装置，其特征在于：包括液滴形成部(1)、撞击部(2)和记录部(3)；所述液滴形成部(1)包括低粘液体注射泵(12)和高粘液体注射泵(11)，分别通过注射管连接有低粘液体注射针头(14)和高粘液体注射针头(13)，所述低粘液体注射针头(14)和高粘液体注射针头(13)的头部错位设置；所述撞击部(2)包括升降台(21)，所述升降台(21)位于所述注射针头下方，其顶部放置有撞击板(22)，所述撞击板(22)的上表面涂覆有撞击层；所述记录部(3)包括光源(31)、高速相机(32)和反光板(23)，所述光源(31)用于照亮撞击板(22)和反光板(23)，所述高速相机(32)用于记录双组分液滴(4)撞击所述撞击板(22)后的动态过程和飞溅形态。

2.根据权利要求1所述的促进液滴冲击飞溅实验装置，其特征在于：所述低粘液体注射针头(14)和高粘液体注射针头(13)中的一根垂直设置，另一根倾斜设置，且两者之间的夹角为5～60°。

3.根据权利要求2所述的促进液滴冲击飞溅实验装置，其特征在于：所述低粘液体注射针头(14)垂直设置，所述高粘液体注射针头(13)倾斜设置，并且所述高粘液体注射针头(13)高于低粘液体注射针头(14)。

4.根据权利要求2所述的促进液滴冲击飞溅实验装置，其特征在于：所述低粘液体注射针头(14)和高粘液体注射针头(13)的头部之间的水平距离为1～8mm，垂直距离为1～8mm。

5.根据权利要求1所述的促进液滴冲击飞溅实验装置，其特征在于：所述光源(31)倾斜设置于所述反光板(23)的对侧，其与所述撞击板(22)之间的夹角为30～60°。

6.根据权利要求1所述的促进液滴冲击飞溅实验装置，其特征在于：所述高速相机(32)设置有两台，分别位于所述撞击板(22)上方和侧方，且所述两台高速相机(32)的位置可调；位于所述撞击板(22)侧方的高速相机始终与所述撞击板(22)位于同一水平面上。

7.根据权利要求1所述的促进液滴冲击飞溅实验装置，其特征在于：所述撞击层为亲水、疏水、超疏水或超双疏层，所述撞击板(22)的界面浸润性可调。

8.如权利要求1～7任一项所述的促进液滴冲击飞溅实验装置在研究液滴冲击飞溅促进现象中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在低粘液体注射泵(12)和高粘液体注射泵(11)中分别加装粘度为0.8～1.5mPa·s的低粘度液体和粘度为100～1491mPa·s的高粘度液体；

S2：调整光源(31)、反光板(23)和高速相机(32)的位置，以高速相机(32)能够接收到最大光强为准；

S3：通过低粘液体注射泵(12)挤出一滴低粘液体并使其悬挂于所述低粘液体注射针头(14)的头部，再通高粘液体注射泵(11)挤出一滴高粘液体，其从所述高粘液体注射针头(13)脱落后，在下落过程中与所述低粘液体合并成双组分液滴(4)，然后向下冲击；所述双组分液滴(4)下落冲击过程中由于巨大的粘度差异，始终保持清晰的低粘-高粘两相界面；

S4：控制升降台(21)工作，使撞击板(22)与所述注射针头之间的距离在1～50cm的范围内变化；高速相机(32)分别从正面和侧面拍摄双组分液滴(4)冲击到撞击板(22)上的瞬时动态过程，记录双组分液滴(4)飞溅情况图像；然后对图像进行分析，得到实验结果。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述低粘度液体为水，所述高粘度液体为甘油。

权利要求书条数超过10条后，每超一条加收150元，所以除非确有必要，一般将权利要求控制在10条以内。

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