CN112191348B - 一种无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置,包括透明耐压密封罩、信号控制单元、声悬浮单元、环境可控单元及光学观测单元;信号控制单元设置在透明耐压密封罩外,用于提供产生球形液滴的驻波信号以及令球形液滴瞬时破碎信号,传输给声悬浮单元;声悬浮单元设置在透明耐压密封罩内,接收驻波信号产生呈空间三维正交的驻波声场生成球形液滴,然后接收瞬时破碎信号诱导球形液滴破碎;环境可控单元用于控制透明耐压密封罩内的压力和温度;光学观测单元设置在透明耐压密封罩外,用于观测球形液滴破碎过程并记录。本发明解决了液滴呈扁平状的问题且能够观测声悬浮下球形液滴的破碎过程。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机液体燃料破碎技术领域,具体涉及一种无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置。
背景技术
影响内燃机中液体燃料燃烧的因素主要有液体燃料的破碎、蒸发以及与空气的混合等。其中,液滴破碎是非常关键的一环。当燃料液滴经喷油嘴喷出后,在气液两相作用力下,发生破碎及雾化,燃料与空气充分混合后进而燃烧,而有少部分燃油喷射到活塞顶部或气缸壁面,导致液滴撞击振动壁面,进而发生沉积,扩展,反弹等现象,反弹后的液滴继续破碎、雾化、混合和燃烧。内燃机燃烧常常是扩散燃烧,燃料破碎的程度影响混合气的质量,从而影响内燃机的性能。因此,准确把握液滴破碎的过程,对于加快液体燃料的燃烧、改善燃烧环境、提高燃烧效率,从而节约能源,减少环境污染,都具有十分重要的意义。
声悬浮是在重力或微重力空间利用强驻波声场中产生的声辐射力与悬浮样品重力相平衡,而使悬浮样品稳定悬浮在声场中的一门新兴技术。它是高声强条件下的一种非线性现象,理论上可以悬浮各种性质的材料,而且不附加热效应,所以受到人们的青睐。声悬浮可以模拟空间环境中的无容器状态,避免了容器和介质对材料表面的接触与污染,在无容器处理、非接触高精度加工、研究新型材料等方面都有广泛的应用。
目前,针对声悬浮液滴的实验装置基本都存在明显不足:首先,单轴式声悬浮装置产生的的驻波作用在沿超声发生器轴线方向为挤压力,而沿垂直方向为扩张力,导致单个液滴呈扁平形状;其次,大多数声悬浮液滴装置单纯使液滴整体运动或蒸发等,极少用于观测诱导液滴破碎的现象。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置,解决了液滴呈扁平状的问题且能够观测声悬浮下球形液滴的破碎过程。
本发明采取的技术方案如下:
一种无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置,包括透明耐压密封罩、信号控制单元、声悬浮单元、环境可控单元及光学观测单元;
所述信号控制单元设置在透明耐压密封罩外,用于提供产生球形液滴的驻波信号以及令球形液滴瞬时破碎信号,传输给声悬浮单元;所述声悬浮单元设置在透明耐压密封罩内,接收驻波信号产生呈空间三维正交的驻波声场生成球形液滴,然后接收瞬时破碎信号诱导球形液滴破碎;所述环境可控单元用于控制透明耐压密封罩内的压力和温度;所述光学观测单元设置在透明耐压密封罩外,用于观测球形液滴破碎过程并记录。
进一步地,所述信号控制单元包括信号发生器、功率放大器、示波器及瞬时脉冲单元;信号发生器用于产生正弦超声信号;功率放大器用于将所述正弦超声信号功率放大一定倍数;示波器用于观测驻波的形成;瞬时脉冲单元用于控制输入一瞬时强信号,使球形液滴破碎;信号发生器、功率放大器、示波器以及瞬时脉冲单元顺次连接。
进一步地,所述声悬浮单元包括换能器、分线器、半球形支架、超声发射端及超声反射端;
换能器设置在透明耐压密封罩内顶部,换能器下端通过分线器与半球形支架相连,半球形支架内安装有三个呈空间三维正交的超声发射端;三个超声反射端固连在透明耐压密封罩底部,且三个超声反射端分别与三个超声发射端相对;三个超声发射端通过分线器同步连接换能器,输入同频同功率且同相位的驻波信号。
进一步地,每个超声发射端和超声反射端均固定连接变幅杆,利用变幅杆调节超声发射端和超声反射端距三维轴线交汇点距离。
进一步地,所述声悬浮单元还包括支架,用于固定支撑换能器,支架上设有液滴注入位置的参考标识,所述参考标识与三维正交点位于同一水平高度。
进一步地,所述环境可控单元包括铜加热丝、气压表及温度计;
所述透明耐压密封罩上设有通气孔,用于调节透明耐压密封罩内的压力;所述铜加热丝设置在透明耐压密封罩底部;由气压表和温度计监测透明耐压密封罩内的压力和温度。
进一步地,所述光学观测单元包括电脑、高速摄像机、透明平面视窗、毛玻璃片以及光源;
透明平面视窗安装在透明耐压密封罩两侧面,所述光源、高速摄像机分别设置在透明耐压密封罩两侧,所述毛玻璃片设置在透明平面视窗与光源之间,且光源、高速摄像机、毛玻璃片、透明平面视窗与三维正交点位于同一水平高度;所述电脑与高速摄像机电连,记录球形液滴破碎过程。
进一步地,所述透明耐压密封罩和透明平面视窗采用石英玻璃,且外部喷涂保温材料。
进一步地,所述透明耐压密封罩和透明平面视窗之间设有柔性密封圈。
进一步地,所述透明耐压密封罩包括一端开放的圆筒壳体和下端盖,工作时下端盖将圆筒壳体封闭,圆筒壳体和下端盖之间设有密封圈。
有益效果:
1、本发明采用透明耐压密封、环境可控单元及光学观测单元,实现了实验中对罩内环境温度和压力的控制,一定情况下模拟了内燃机工作时工况;空间三维正交的驻波声场实现了近似球形状态液滴的生成;利用信号控制单元发出的球形液滴瞬时破碎信号,诱导液滴破碎,弥补了以往诱导无容器液滴破碎方法的空白。
2、本发明通过瞬时脉冲单元输入功率控制,诱导液滴破碎,加快了促使液滴破碎的速度。
附图说明
图1是本发明整体装置示意图;
其中,1-电脑,2-透明耐压密封罩,3-高速摄像机,4-平面视窗,5-气压表,6-温度计,7-通气孔,8-瞬时脉冲单元,9-数据线,10-毛玻璃片,11-光源,12-示波器,13-功率放大器,14-支架,15-信号发生器,16-换能器,17-分线器,18-半球形支架,19-变幅杆,20-超声发射端,21-连接线,22-球形液滴,23-超声反射端,25-铜加热丝,26-液滴注入口。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种无接触振动诱导球形液滴22破碎可视化装置,如图1所示,包括透明耐压密封罩2、信号控制单元、声悬浮单元、环境可控单元及光学观测单元。
信号控制单元设置在透明耐压密封罩2外,用于提供产生球形液滴22的驻波信号以及令球形液滴22瞬时破碎信号,传输给声悬浮单元;声悬浮单元设置在透明耐压密封罩2内,接收驻波信号产生呈空间三维正交的驻波声场生成球形液滴22,然后接收瞬时破碎信号诱导球形液滴22破碎;环境可控单元用于控制透明耐压密封罩2内的压力和温度;光学观测单元设置在透明耐压密封罩2外,用于观测球形液滴22破碎过程并记录。
透明耐压密封罩2包括一端开放的圆筒壳体和下端盖,下端盖可拆卸并附有密封圈,工作时为密闭容器,采用石英玻璃,且外部喷涂保温材料。圆筒壳体侧壁上设有液滴注入口26,用于实验前液滴的添加,试验时处于封闭状态。
信号控制单元包括信号发生器15、功率放大器13、示波器12及瞬时脉冲单元8;信号发生器15用于产生正弦超声信号;功率放大器13用于将正弦超声信号功率放大一定倍数;示波器12用于观测驻波的形成;瞬时脉冲单元8用于控制输入一瞬时强信号,使球形液滴22破碎;信号发生器15、功率放大器13、示波器12以及瞬时脉冲单元8通过数据线9顺次连接,并接通电源。
声悬浮单元包括换能器16、分线器17、半球形支架18、变幅杆19、超声发射端20及超声反射端23;换能器16设置在透明耐压密封罩2内顶部,换能器16下端通过分线器17与半球形支架18相连,半球形支架18内安装有三个呈空间三维正交的超声发射端20,每个超声发射端20固定连接变幅杆19,可控制其在一个方向移动,调节超声发射端20距三维轴线交汇点距离;三个超声反射端23固连在透明耐压密封罩2下端盖底部,且三个超声反射端23分别与三个超声发射端20相对,每个超声反射端23固定连接变幅杆19,控制其在一个方向移动,调节超声反射端23距三维轴线交汇点距离,组成三组在空间正交的声悬浮装置。三个超声发射端20通过分线器17同步连接换能器16,输入同频同功率且同相位的驻波信号,从而满足悬浮液滴处于球形状态。超声发射端20与分线器17通过连接线21连接。
在一优选实施例中,声悬浮单元还包括支架14,与透明耐压密封罩2下端盖螺栓连接,用于固定支撑换能器16,支架14上设有液滴注入位置的参考标识,该参考标识与三维正交点位于同一水平高度。
环境可控单元包括铜加热丝、气压表5及温度计6;透明耐压密封罩2顶部设有通气孔7,通过人为控制进排气来调节透明耐压密封罩2内的压力;铜加热丝设置在透明耐压密封罩2下端盖上,沿底部环形布置,用于控制环境温度;由气压表5和温度计6监测透明耐压密封罩2内的压力和温度。
光学观测单元包括电脑1、高速摄像机3、透明平面视窗4、毛玻璃片10以及光源11;透明平面视窗4安装在透明耐压密封罩2两侧面,透明耐压密封罩2和透明平面视窗4之间设有柔性密封圈,光源11、高速摄像机3分别设置在透明耐压密封罩2两侧,毛玻璃片10设置在透明平面视窗4与光源11之间,且光源11、高速摄像机3、毛玻璃片10、透明平面视窗4与三维正交点位于同一水平高度;光源11透过毛玻璃片10散射以满足拍摄背景亮度。透明平面视窗4采用石英玻璃,且外部喷涂保温材料。电脑1与高速摄像机3电连,记录球形液滴22破碎过程。
进行试验时,调整超声发射端20和超声反射端23的变幅杆19,使二者完全正对,打开信号发生器15、功率放大器13和示波器12,产生适宜强度的声驻波;然后,将液滴透过液滴注入口26悬挂于三组超声发射端20和超声反射端23之间的轴线交汇处;接着,加热铜加热丝25设定目标温度,通过通气孔7设定目标压力;之后,调整高速摄像机3的工作位置和光源11的位置,令光源11、高速摄像机3与轴线交汇点位于同一水平高度,然后开始进行拍摄,记录整个过程中的数据。生成球形液滴22后,启动瞬时脉冲单元8,诱导球形液滴22破碎,通过对图像和数据进行处理,得到液滴整个破碎过程。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。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)
1.一种无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置,其特征在于,包括透明耐压密封罩、信号控制单元、声悬浮单元、环境可控单元及光学观测单元;
所述信号控制单元设置在透明耐压密封罩外,用于提供产生球形液滴的驻波信号以及令球形液滴瞬时破碎信号,传输给声悬浮单元;所述声悬浮单元设置在透明耐压密封罩内,接收驻波信号产生呈空间三维正交的驻波声场生成球形液滴,然后接收瞬时破碎信号诱导球形液滴破碎;所述环境可控单元用于控制透明耐压密封罩内的压力和温度;所述光学观测单元设置在透明耐压密封罩外,用于观测球形液滴破碎过程并记录;
所述信号控制单元包括信号发生器、功率放大器、示波器及瞬时脉冲单元;信号发生器用于产生正弦超声信号;功率放大器用于将所述正弦超声信号功率放大一定倍数;示波器用于观测驻波的形成;瞬时脉冲单元用于控制输入一瞬时强信号,使球形液滴破碎;信号发生器、功率放大器、示波器以及瞬时脉冲单元顺次连接;
所述声悬浮单元包括换能器、分线器、半球形支架、超声发射端及超声反射端;换能器设置在透明耐压密封罩内顶部,换能器下端通过分线器与半球形支架相连,半球形支架内安装有三个呈空间三维正交的超声发射端;三个超声反射端固连在透明耐压密封罩底部,且三个超声反射端分别与三个超声发射端相对;三个超声发射端通过分线器同步连接换能器,输入同频同功率且同相位的驻波信号。
2.如权利要求1所述的无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置,其特征在于,每个超声发射端和超声反射端均固定连接变幅杆,利用变幅杆调节超声发射端和超声反射端距三维轴线交汇点距离。
3.如权利要求1所述的无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置,其特征在于,所述声悬浮单元还包括支架,用于固定支撑换能器,支架上设有液滴注入位置的参考标识,所述参考标识与三维正交点位于同一水平高度。
4.如权利要求1所述的无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置,其特征在于,所述环境可控单元包括铜加热丝、气压表及温度计;
所述透明耐压密封罩上设有通气孔,用于调节透明耐压密封罩内的压力;所述铜加热丝设置在透明耐压密封罩底部;由气压表和温度计监测透明耐压密封罩内的压力和温度。
5.如权利要求1所述的无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置,其特征在于,所述光学观测单元包括电脑、高速摄像机、透明平面视窗、毛玻璃片以及光源;
透明平面视窗安装在透明耐压密封罩两侧面,所述光源、高速摄像机分别设置在透明耐压密封罩两侧,所述毛玻璃片设置在透明平面视窗与光源之间,且光源、高速摄像机、毛玻璃片、透明平面视窗与三维正交点位于同一水平高度;所述电脑与高速摄像机电连,记录球形液滴破碎过程。
6.如权利要求5所述的无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置,其特征在于,所述透明耐压密封罩和透明平面视窗采用石英玻璃,且外部喷涂保温材料。
7.如权利要求5所述的无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置,其特征在于,所述透明耐压密封罩和透明平面视窗之间设有柔性密封圈。
8.如权利要求1所述的无接触振动诱导球形液滴破碎可视化装置,其特征在于,所述透明耐压密封罩包括一端开放的圆筒壳体和下端盖,工作时下端盖将圆筒壳体封闭,圆筒壳体和下端盖之间设有密封圈。
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球形微细金属粉末超声雾化技术的最新研究进展;杨福宝等;《稀有金属》;20051031;第29卷(第05期);第785-790页 * |
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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