CN111707586A - 一种用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，包括旋转平台、朝向所述旋转平台的旋转台面滴落液滴的液滴注入系统、用以观测所述液滴注入系统注入的液滴撞击所述旋转台面的观测系统；其中，所述旋转台面用以在高速电机带动下旋转。本发明所提供的液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统巧妙地解决了实验室加速液滴至高速或超音速不便的难题，能够模拟天然气超音速分离装置内液滴以切向高速撞击壁面的情况，实现对碰撞后液滴的动力学行为和形态的动态捕捉。
Description
技术领域
本发明涉及两相流动实验测试领域，特别涉及一种用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统。
背景技术
在天然气超音速旋风分离器中，通过拉阀尔喷管使得天然气中水蒸气及重烃组分凝结，经由特殊装置诱导后，凝结的液滴在强离心力作用下高速撞击壁面，液滴撞击壁面后可能在管道内壁汇聚形成液膜，也有可能撞击后飞溅出更小的液滴重新进入天然气中，因此探究高速液滴撞击壁面后的形态变化对于提高天然气除湿分离效率具有重大意义。
目前对于液滴碰撞壁面的研究大多集中在低速液滴碰撞静止或较低运动速度的壁面后的液滴动力学行为和变化形态。通常为液滴在自身重力作用下撞击固体壁面，通过高速摄像机动态捕捉液滴的动力学行为及其铺展特性。在天然气超音速分离装置中，由于凝析液滴伴随超音速气流运动，液滴速度通常大于200m/s甚至达到超音速状态。由于现有条件很难将单个液滴加速至如此高的速度，因此国内外均缺乏相关的研究成果，很难实现分离效率的精细控制，为天然气超音速分离装置的精确设计带来困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，该系统巧妙地解决了实验室加速液滴至高速或超音速不便的难题，能够模拟天然气超音速分离装置内液滴以切向高速撞击壁面的情况，实现对碰撞后液滴的动力学行为和形态的动态捕捉。
为实现上述目的，本发明提供一种用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，包括旋转平台、朝向所述旋转平台的旋转台面滴落液滴的液滴注入系统、用以观测所述液滴注入系统注射的液滴撞击所述旋转台面的观测系统；其中，所述旋转台面用以在高速电机带动下旋转。
可选地，所述旋转平台包括底板、与所述底板平行相对且设于所述底板上方的限位座、连接支撑所述底板和所述限位座的支撑柱；
所述高速电机穿设固定于所述底板和所述限位座的中央，所述限位座的中央还设有轴承和旋转轴，所述旋转台面设于所述限位座的上方，所述旋转轴连接所述高速电机与所述旋转台面。
可选地，所述底板和所述限位座均为圆环状铸件，所述支撑柱沿所述底板和所述限位座的周向均匀设置。
可选地，所述旋转台面为金属圆盘，所述金属圆盘与所述旋转轴可拆卸连接。
可选地，所述高速电机的转速≥10000转/分。
可选地，所述观测系统包括高速摄像机和连接所述高速摄像机的计算机。
可选地，还包括朝向所述旋转台面设置的LED光源。
可选地，所述旋转平台的外周部罩设有透明真空箱，所述透明真空箱连接抽真空装置。
可选地，所述液滴注入系统为注射器，所述注射器竖直贯穿所述透明真空箱的顶壁，所述注射器贯穿所述透明真空箱处密封设置。
可选地，所述注射器设有用以限制其推柄进给量的推柄限位部。
相对于上述背景技术，本发明所提供用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统包括旋转平台、液滴注入系统和观测系统，本实验系统巧妙地借助旋转台面作为被撞击的壁面，将旋风分离器高速离心液滴以切向撞击静止的壁面转化为低速液滴撞击高速旋转的壁面，通过高速电机带动旋转台面的高速旋转，增大液滴与被撞击壁面的相对速度，克服了实验室条件下加速液滴不便的困难。
且液滴竖直下落向台面时，旋转台面高速旋转，相当于旋转台面静止，液滴以高速沿切向撞击旋转台面，能够有效模拟旋风分离器中液滴以高速沿切向撞击壁面的状况，通过观测系统进行观测液滴的破碎形态，有利于研究液滴在旋风分离器的分离状况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统的系统图；
图2为图1中旋转平台的结构图；
图3为图2中旋转平台的纵剖视图。
其中：
1-旋转平台、10-高速电机、11-底板、12-支撑柱、13-限位座、14-轴承、15-旋转轴、16-旋转台面、2-透明真空箱、3-注射器、4-LED光源、5-高速摄像机、6-计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1至图3，图1为本发明实施例所提供的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统的系统图，图2为图1中旋转平台的结构图，图3为图2中旋转平台的纵剖视图。
本发明所提供的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统包括旋转平台1、液滴注入系统和观测系统。其中，液滴注入系统用来生成液滴并向旋转平台1的台面滴落液滴，模拟液滴撞击壁面，旋转平台1则包括在高速电机10带动下高速旋转的旋转台面16，将高速液滴沿切向撞击静止的壁面转化为液滴撞击高速旋转的壁面，通过旋转台面16的高速旋转确保液滴与旋转台面16的以较高的相对速度发生撞击，借助观测系统观测液滴撞击旋转台面16的破碎形态的变化。由于旋转台面16是高速旋转的，液滴滴落于旋转台面16时二者存在高速的切向相对速度，能够有效模拟旋风分离器的液滴沿切向高速撞击壁面的情形，有助于借助液滴的破碎形态的变化研究，提高旋风分离器的分离效率。
下面结合附图和具体实施例对本发明所提供的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统进行更加详细的介绍。
请参考图1，在本发明所提供的一种可选实施例中，用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统包括旋转平台1、液滴注入系统和观测系统，液滴注入系统产生向旋转平台1滴落的液滴与旋转平台1的旋转台面16发生碰撞，借助观测系统观测并记录液滴的破碎形态。
其中，旋转平台1包括高速电机10和连接高速电机10的旋转台面16，一般而言，高速电机10的输出轴竖直设置，旋转台面16水平固接在高速电机10的输出轴上，液滴注入系统产生竖直向下滴落的液滴，液滴在重力的作用下加速撞击旋转台面16，无需为液滴进行加速，旋转台面16的高速旋转为旋转台面16和液滴提供足够大的相对速度，有效模拟高速液滴沿切向撞击壁面的情形。高速电机10通常指转速在10000转/分以上的电机，本申请在模拟液滴撞击壁面时可调节高速电机10的转速自7000转/分逐步加速，通过改变旋转台面16转速改变液滴撞击旋转台面16的相对速度。
在本发明所提供的可选实施例中，旋转平台1的设置及固定参考图2和图3，旋转平台1包括底板11和限位座13，底板11和限位座13的中央均设有环形孔，限位座13通过支撑柱12连接固定在底板11的上方，二者的限位孔重合。高速电机10则竖直固定在底板11和限位座13内，高速电机10的输出轴竖直向上设置，限位座13的环形孔嵌装有高精度轴承14，旋转台面16通过旋转轴15与高速电机10的输出轴连接，旋转轴15自下至上从限位座13的环形孔穿出，使得旋转台面16布置在限位座13的上方；旋转轴15则和高精度轴承14配合，提高旋转台面16高速旋转的稳定性。
在上述实施例中，底板11和限位座13可采用圆环状的金属铸件，也可根据需要灵活设置为不同的形状，只要能够对高速电机10进行支撑限位即可。当底板11和限位座13采用圆环状的金属铸件时，二者平行相对设置。支撑柱12设置为多组，沿底板11和限位座13的圆周方向对限位座13进行支撑。
在具体连接时，可在底板11和限位座13相对的端面开设相互配合的多组螺孔，支撑柱12采用双头螺杆，通过双头螺杆将底板11和限位座13连接固定。此外，还可将限位座13与支撑柱12一体加工成型，在底板11的对应位置设置多个供支撑柱12插接的插接孔，支撑柱12通过其底端插接固定在底板11上。
上述高精度轴承14嵌装在限位座13的环形孔内，旋转轴15穿过高精度轴承14的内圈，旋转轴15的底部与高度电机的输出轴采用螺纹配合的方式旋接，旋转台面16采用金属盘，旋转轴15的顶部同样可采用螺纹配合的形式与旋转台面16也即金属盘旋接，从而方便对金属盘进行更换，改变液滴撞击的壁面的粗糙性。
需要说明的是，当旋转轴15的两端通过螺纹分别与高速电机10的输出轴以及旋转台面16连接时，旋转轴15底部开设的螺纹孔与高速电机10输出轴开设的外螺纹沿高速电机10旋转的方向旋紧，旋转轴15顶部开设的外螺纹与旋转台面16开设的螺纹盲孔或螺纹通孔同样沿高速电机10旋转的方向旋紧，从而避免高速电机10通过旋转轴15和轴承14带动旋转台面16旋转时，旋转轴15与高速电机10的输出轴、旋转轴15与旋转台面16发生松动甚至发生飞车。
进一步地，旋转台面16还可开设贯穿的螺纹孔，输出轴的上端开设凸肩，凸肩开设外螺纹，凸肩穿过旋转台面16的螺纹孔后通过双层螺母进行紧固，双层螺母、螺纹孔和凸肩的外螺纹均沿着高速电机10旋转的方向旋紧。
高速电机10的上部通过输出轴与旋转轴15以及轴承14的配合实现限位，高速电机10的底部置于底板11的环形孔、可通过支架或者连接板与底板11固定，从而对高速电机10进行稳定的限位。需要强调的是，旋转平台1的设置不限于上述实施方式，只要能够对高速电机10进行固定并保证高速电机10和旋转台面16的稳定旋转的旋转平台1皆落入本申请的保护范围内。
观测系统主要采用高速摄像机5，高速摄像机5一般选择拍摄帧数不小于2000fps的摄像机，为改善拍摄效果，还特别增设LED光源4，LED光源4和高速摄像机5分设在旋转平台1的两侧。为方便观测拍摄画面，观测系统进一步包括连接高速摄像机5的计算机6，在进行液滴撞击检测时可将高速电机10的转速调节为10000转/分以上。
在本发明所提供的一种优选实施例中，用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统还包括透明真空箱2和连接透明真空箱2的抽真空装置。高速电机10及旋转台面16在高速旋转过程中势必会扰动周围气流，进而干扰液滴的自由下落和撞击避免过程，不利于模拟旋风分离器中液滴沿切向撞击壁面的状况。本申请通过在旋转平台1的外周部罩设透明真空箱2，借助抽真空装置对透明真空箱2进行抽真空，降低乃至壁面气流扰动对液滴撞击壁面(旋转台面16)的影响。
透明真空箱2和抽真空装置具体可采用全透明亚克力有机玻璃真空箱和配套使用的抽气真空泵，抽气真空泵通过软管与透明真空箱2连接，并使用喉箍确保密封问题，保证系统的真空度。
液滴注入系统可采用注射器3，通过注射器3竖直向下设置向旋转台面16注射液滴。液滴注入系统还可采用液压泵和连接液压泵的液滴发生器。无论是采用注射器3还是液滴发生器，透明真空箱2的顶部均需开设贯穿孔，注射器3竖直插接在贯穿孔内，并在和贯穿孔的连接处通过密封垫等进行密封。
在进行试验操作时，首先将透明真空箱2罩设在旋转平台1外周，然后借助真空泵对透明真空罩抽真空，将高速摄像机5设置在真空箱的正面，LED光源4设置在真空箱的背面，打开电源驱动高速电机10旋转，调节注射器3的推柄进给量控制液滴下落，旋转台面16距旋转轴15的轴心距离不同的点转动线速度不同，通过调整高速电机10的转动位置以及液滴的滴落在旋转台面16不同半径处均能实现对液滴相对旋转台面16的速度的调节。借助背光法拍摄，在计算机6显示屏上能够观测到高速液滴撞击壁面破碎形态的变化。
为优化上述实施例，上述注射器3还包括调节推柄进给量的限位部，在透明真空罩内部近似真空的条件下，如果不对注射器3的推柄进行限位调控，注射器3会在负压作用下持续向旋转台面16注射液滴，不利于观测。在本实施例中，限位部可以设置为套设在推柄周部且抵触注射筒壁的多个层叠的半圆环状卡环，通过减少卡环数量控制推柄进给，当无需注射液滴时，通过卡环抵触在推柄的末端与注射筒壁之间，避免推柄继续进给。具备推柄限位部的注射器3为现有技术中的常规设置，本申请不再对此进行一一展开说明。
本发明从相对速度这一特征参数出发，认为高速液滴撞击静止壁面时的相对速度与自由下落液滴撞击高速旋转壁面时的相对速度一致时，液滴的动力学行为和变化形态相似；同时，为了避免当旋转台面16由于高速旋转产生空气强对流对液滴造成影响，将实验装置安置于透明真空箱2中。因此，上述两点巧妙地解决了现有的难点技术问题，为研究天然气超音速分离装置内液滴与壁面相互作用规律提供的技术支持。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明所提供的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，其特征在于，包括旋转平台(1)、朝向所述旋转平台(1)的旋转台面(16)滴落液滴的液滴注入系统、用以观测所述液滴注入系统注入的液滴撞击所述旋转台面(16)的观测系统；其中，所述旋转台面(16)用以在高速电机(10)带动下旋转。
2.根据权利要求1所述的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，其特征在于，所述旋转平台(1)包括底板(11)、与所述底板(11)平行相对且设于所述底板(11)上方的限位座(13)、连接支撑所述底板(11)和所述限位座(13)的支撑柱(12)；
所述高速电机(10)穿设固定于所述底板(11)和所述限位座(13)的中央，所述限位座(13)的中央还设有轴承(14)和旋转轴(15)，所述旋转台面(16)设于所述限位座(13)的上方，所述旋转轴(15)连接所述高速电机(10)与所述旋转台面(16)。
3.根据权利要求2所述的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，其特征在于，所述底板(11)和所述限位座(13)均为圆环状铸件，所述支撑柱(12)沿所述底板(11)和所述限位座(13)的周向均匀设置。
4.根据权利要求2所述的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，其特征在于，所述旋转台面(16)为金属圆盘，所述金属圆盘与所述旋转轴(15)可拆卸连接。
5.根据权利要求1所述的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，其特征在于，所述高速电机(10)的转速≥10000转/分。
6.根据权利要求1所述的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，其特征在于，所述观测系统包括高速摄像机(5)和连接所述高速摄像机(5)的计算机(6)。
7.根据权利要求1所述的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，其特征在于，还包括朝向所述旋转台面(16)设置的LED光源(4)。
8.根据权利要求1至7任一项所述的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，其特征在于，所述旋转平台(1)的外周部罩设有透明真空箱(2)，所述透明真空箱(2)连接抽真空装置。
9.根据权利要求8所述的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，其特征在于，所述液滴注入系统为注射器(3)，所述注射器(3)竖直贯穿所述透明真空箱(2)的顶壁，所述注射器(3)贯穿所述透明真空箱(2)处密封设置。
10.根据权利要求9所述的用于液滴撞击高速旋转壁面的真空实验系统，其特征在于，所述注射器(3)设有用以限制其推柄进给量的推柄限位部。
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