CN112763380B - 一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置及方法，包括气源装置、电磁阀、流量计、过滤器、气管、气道、纤维、支撑片、应变片、砝码、拍摄系统、通讯线、信号放大器、数据采集卡和PC机，所述气源装置与电磁阀相连接，所述电磁阀与流量计相连接，所述流量计通过气管与气道相连接，所述气道的出气端的一侧设有纤维，所述纤维的上端连接在支撑片上，纤维的下端挂有砝码，所述支撑片上贴有应变片，所述应变片通过通讯线与信号放大器相连接，所述信号放大器通过通讯线与数据采集卡相连接，所述数据采集卡通过通讯线与PC机相连接，所述PC机通过通讯线与拍摄系统相连接，本发明能精确的得到液滴沿纤维径向的气流拖拽力。
Description
技术领域
本发明涉及气流对液滴动态拖拽力测量领域，具体涉及一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置及方法。
背景技术
液滴在气流作用下的变形和运动等行为广泛存在现实生活中，如工业中的喷涂，农业中的喷洒过程。液滴在纤维径向气流作用下的受力情况是多力耦合，利用受力平衡的理论可以逐步计算出各个力的大小。在现有的生产中无法方便地对液滴沿纤维径向气流拖拽力进行测量。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置及方法。
本发明的技术方案如下：一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置，包括气源装置、电磁阀、流量计、过滤器、气管、气道、纤维、支撑片、应变片、砝码、拍摄系统、通讯线、信号放大器、数据采集卡和PC机，所述气源装置与电磁阀相连接，所述电磁阀与流量计相连接，所述流量计通过气管与气道相连接，所述气道的出气端的一侧设有纤维，所述纤维的上端连接在支撑片上，纤维的下端挂有砝码，所述支撑片上贴有应变片，所述应变片通过通讯线与信号放大器相连接，所述信号放大器通过通讯线与数据采集卡相连接，所述数据采集卡通过通讯线与PC机相连接，所述PC机通过通讯线与拍摄系统相连接。
优选的，所述气源装置包括空压机，波纹管和储气罐，所述空压机通过波纹管与储气罐相连接，所述储气罐的出气口与电磁阀的进气口相连接。
优选的，所述储气罐的出气口与电磁阀的进气口之间设有第一调压阀和第二调压阀。
优选的，所述气道为内径为100mm的亚克力管。
优选的，所述波纹管的长度小于1.2米。
优选的，所述拍摄系统包括相机，镜头和光源，所述相机的前端设有镜头，所述光源设置在相机上，所述相机与PC机相连接。
优选的，所述相机为高速摄像机，所述镜头为微距镜头。
优选的，所述流量计为气体流量计。
优选的，所述信号放大器为微弱信号放大器。
一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验方法，先使用砝码对应变片进行标定，将对应变片产生的信号进行量化，将电信号与力之间的关系建立起来；然后将液滴滴放在纤维上，打开空压机进行制造气源，当气压达到设定值时关闭空压机；然后通过PC机和数据采集卡控制电磁阀的开关进行放气，同时气流会在第一调压阀和第二调压阀的作用下稳定输出，液滴在气流作用下的受力情况会通过应变片产生信号，该信号会通过信号放大器的进行放大，然后将信号输入数据采集卡，最终将数据会输入到PC机中并完整保留用于后续分析数据结果，同时相机也会拍下液滴从始到终的形态变化并将图片保存于PC机中，然后在通过一套系统数据分析计算方法，从而准确测量出拖拽力；
具体计算方法如下：
首先对液滴静置于纤维上时进行受力分析；
F1sinα1＝G1 (公式1)；
G1＝ρVg (公式2)；
F1：表示液滴静置纤维上时纤维拉力；
α1：表示液滴静置纤维上时纤维变化角度；
G1：表示液滴重力；
g：表示重力加速度；
ρ：表示液滴的密度；
V：表示液滴的体积；
r：表示液滴半径；
在公式1中F1由应变片测得，公式2中密度ρ是已知的，公式3中r可由相机拍摄测得；
在气流作用下液滴会受到气流的拖拽力，此时纤维变化角度相比于液滴静置在纤维上时有所变化，此变化角度是多力耦合后的结果，对液滴进行受力分析；
可得：
G2：表示气流作用下多力耦合的合力；
G1：表示液滴重力；
F1：表示液滴静置时的纤维拉力；
F2：表示气流作用下的纤维拉力；
α1：表示液滴静置纤维上时纤维变化角度；
α2：表示气流作用下的纤维变化角度；
FA：表示气流拖拽力
Δα：表示液滴静置和气流作用下的纤维变化角度差；
ΔF：表示纤维的拉力差；
在公式4中F2由应变片测得，对于公式5中的Δα在弹性纤维中有以下关系式：
Δα＝k|F2-F1| (公式6)；
k为弹性系数；
气流带来纤维的摆动角趋近于无穷小量，有：
综合以上可得：
最后将数据代入即可求得气流拖拽力FA的大小。
本发明能精确的得到液滴沿纤维径向的气流拖拽力，且结构简单，环保节能，造价低廉。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为液滴静放在纤维上的受力示意图；
图3为液滴在气流作用下在纤维上的受力示意图；
图中：1-空压机、2-波纹管、3-储气罐、4-第一调压阀、5-第二调压阀、6-电磁阀、7-流量计、8-过滤器、9-气管、10-气道、11-纤维、12-支撑片、13-应变片、14-砝码、15-光源、16-镜头、17-相机，18-通讯线、19-信号放大器、20-数据采集卡、21-PC机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置，包括气源装置、第一调压阀4、第二调压阀5、电磁阀6、流量计7、过滤器8、气管9、气道10、纤维11、支撑片12、应变片13、砝码14、拍摄系统、通讯线18、信号放大器19、数据采集卡20和PC机21，所述气源装置与电磁阀6相连接，所述电磁阀6与流量计7相连接，所述流量计7为气体流量计。所述流量计7通过气管9与气道10相连接，所述气道10的出气端的一侧设有纤维11，所述纤维11的上端连接在支撑片12上，纤维11的下端挂有砝码14，所述支撑片12上贴有应变片13，所述应变片13通过通讯线18与信号放大器19相连接，所述信号放大器19为微弱信号放大器，所述信号放大器19通过通讯线18与数据采集卡20相连接，所述数据采集卡20通过通讯线18与PC机21相连接，所述PC机21通过通讯线18与拍摄系统相连接。
所述气源装置包括空压机1，波纹管2和储气罐3，所述空压机1通过波纹管2与储气罐3相连接，所述储气罐3的出气口与电磁阀6的进气口相连接，所述储气罐3的出气口与电磁阀6的进气口之间设有第一调压阀4和第二调压阀5，所述气道10为内径为100mm的亚克力管，所述波纹管2的长度小于1.2米。
所述拍摄系统包括相机17，镜头16和光源15，所述相机17的前端设有镜头16，所述光源15设置在相机17上，所述相机17与PC机21相连接，所述相机17为高速摄像机，所述镜头16为微距镜头。
当需要测得对液滴在某种风速下的受力情况时，测试人员需先使用砝码14对应变片13进行标定，对应变片13产生的信号进行量化，将电信号与力之间的关系建立起来。然后将液滴滴放在纤维11上，打开空压机1进行制造气源，当气压达到设定值时关闭空压机1，然后通过PC机21的软件程序和数据采集卡20控制电磁阀6的开关进行放气，同时气流会在第一调压阀4和第二调压阀5的作用下稳定输出，液滴在气流作用下的受力情况会通过应变片产生信号，该信号会通过信号放大器19的进行放大，然后将信号输入数据采集卡20，最终将数据会输入到PC机21中并完整保留以便后续分析数据结果，同时相机17也会拍下液滴从始到终的形态变化并将图片保存于PC机21中，然后在通过一套系统数据分计算方法，从而准确测量出拖拽力。
具体计算过程如下：
首先对液滴静置于纤维上时进行受力分析，如图2所示。
F1sinα1＝G1 (公式1)；
G1＝ρVg (公式2)；
F1：表示液滴静置纤维上时纤维拉力；
α1：表示液滴静置纤维上时纤维变化角度；
G1：表示液滴重力；
g：表示重力加速度；
ρ：表示液滴的密度；
V：表示液滴的体积；
r：表示液滴半径；
在公式1中F1是应变片13测得，公式2中密度ρ是已知的，公式3中r可由相机17拍摄测得。
在气流作用下液滴会受到气流的拖拽力，此时纤维11变化角度相比于液滴静置在纤维11上时有所变化，此变化角度是多力耦合后的结果，对液滴进行受力分析，如图3所示。
可得：
G2：表示气流作用下多力耦合的合力；
G1：表示液滴重力；
F1：表示液滴静置时的纤维拉力；
F2：表示气流作用下的纤维拉力；
α1：表示液滴静置纤维上时纤维变化角度；
α2：表示气流作用下的纤维变化角度；
FA：表示气流拖拽力
Δα：表示液滴静置和气流作用下的纤维变化角度差；
ΔF：表示纤维的拉力差；
在公式4中F2由应变片13测得，对于公式5中的Δa在弹性纤维11中有以下关系式：
Δa＝k|F2-F1| (公式6)；
k为弹性系数。
气流带来纤维11的摆动角趋近于无穷小量，有
综合以上可得：
最终将数据代入即可求得气流拖拽力FA的大小。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置，包括气源装置、电磁阀(6)、流量计(7)、过滤器(8)、气管(9)、气道(10)、纤维(11)、支撑片(12)、应变片(13)、砝码(14)、拍摄系统、通讯线(18)、信号放大器(19)、数据采集卡(20)和PC机(21)，其特征在于：所述气源装置与电磁阀(6)相连接，所述电磁阀(6)与流量计(7)相连接，所述流量计(7)通过气管(9)与气道(10)相连接，所述气道(10)的出气端的一侧设有纤维(11)，所述纤维(11)的上端连接在支撑片(12)上，纤维(11)的下端挂有砝码(14)，所述支撑片(12)上贴有应变片(13)，所述应变片(13)通过通讯线(18)与信号放大器(19)相连接，所述信号放大器(19)通过通讯线(18)与数据采集卡(20)相连接，所述数据采集卡(20)通过通讯线(18)与PC机(21)相连接，所述PC机(21)通过通讯线(18)与拍摄系统相连接。
2.如权利要求1所述的一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置，其特征在于：所述气源装置包括空压机(1)，波纹管(2)和储气罐(3)，所述空压机(1)通过波纹管(2)与储气罐(3)相连接，所述储气罐(3)的出气口与电磁阀(6)的进气口相连接。
3.如权利要求2所述的一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置，其特征在于：所述储气罐(3)的出气口与电磁阀(6)的进气口之间设有第一调压阀(4)和第二调压阀(5)。
4.如权利要求2所述的一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置，其特征在于：所述气道(10)为内径为100mm的亚克力管。
5.如权利要求2所述的一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置，其特征在于：所述波纹管(2)的长度小于1.2米。
6.如权利要求1所述的一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置，其特征在于：所述拍摄系统包括相机(17)，镜头(16)和光源(15)，所述相机(17)的前端设有镜头(16)，所述光源(15)设置在相机(17)上，所述相机(17)与PC机(21)相连接。
7.如权利要求6所述的一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置，其特征在于：所述相机(17)为高速摄像机，所述镜头(16)为微距镜头。
8.如权利要求1所述的一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置，其特征在于：所述流量计(7)为气体流量计。
9.如权利要求1所述的一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验装置，其特征在于：所述信号放大器(19)为微弱信号放大器。
10.一种液滴沿纤维径向气流拖拽力实验方法，其特征在于：先使用砝码(14)对应变片(13)进行标定，将对应变片(13)产生的信号进行量化，将电信号与力之间的关系建立起来；然后将液滴滴放在纤维(11)上，打开空压机(1)进行制造气源，当气压达到设定值时关闭空压机(1)；然后通过PC机(21)和数据采集卡(20)控制电磁阀(6)的开关进行放气，同时气流会在第一调压阀(4)和第二调压阀(5)的作用下稳定输出，液滴在气流作用下的受力情况会通过应变片(13)产生信号，该信号会通过信号放大器(19)的进行放大，然后将信号输入数据采集卡(20)，最终将数据会输入到PC机(21)中并完整保留用于后续分析数据结果，同时相机(17)也会拍下液滴从始到终的形态变化并将图片保存于PC机(21)中，然后在通过一套系统数据分析计算方法，从而准确测量出拖拽力；
具体计算方法如下：
首先对液滴静置于纤维上时进行受力分析；
F1sinα1＝G1 (公式1)；
G1＝ρVg (公式2)；
F1：表示液滴静置纤维上时纤维拉力；
α1：表示液滴静置纤维上时纤维变化角度；
G1：表示液滴重力；
g：表示重力加速度；
ρ：表示液滴的密度；
V：表示液滴的体积；
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在公式1中F1由应变片(13)测得，公式2中密度ρ是已知的，公式3中r可由相机(17)拍摄测得；
在气流作用下液滴会受到气流的拖拽力，此时纤维(11)变化角度相比于液滴静置在纤维(11)上时有所变化，此变化角度是多力耦合后的结果，对液滴进行受力分析；
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| CN112763380A (zh) | 2021-05-07 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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