CN113393741A - 一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，包括：蒸发液滴实验台，用于将实验液形成为大尺寸液滴并提供蒸发条件；液体存储注液单元，用于向所述蒸发液滴实验台提供实验液；光学观测单元，用于向所述蒸发液滴实验台提供光源，并对蒸发相变过程进行观测；环境监测单元，用于监测操作环境中的环境参数；控制单元。本发明通过多个单元之间的协同配合，有效实现对微重力环境下的大尺寸液滴蒸发状态下的相变过程的观测，为后续研究提供有力的技术支持。

Description

一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置

技术领域

本发明实施例涉及蒸发相变传热的空间科学实验设备技术领域，具体涉及一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置。

背景技术

蒸发与相变传热是一典型的质量交换流体界面现象，是载人航天环控生保系统、热管理系统和流体管理系统等空间工程技术的重要应用基础和关键内容之一，有诸多科学问题需要研究，已引起国际学术界的重视，西欧等国已经将其列为微重力流体物理的前沿课题之一。但由于空间实验机会的宝贵，目前蒸发相变的空间实验研究较少，缺乏对空间微重力或低重力特殊环境下蒸发相变规律的深入了解。随着国际空间探索的大发展，人们发现在地面重力效应掩盖下的界面张力效应(对流)等成为主导空间生保、热机械等发展的关键因素，迫切需要人们发展空间环境下的相应理论。

利用无浮力对流的微重力环境，可以剥离地面重力掩盖下的蒸发过程与表面张力驱动对流的耦合机理，并采用较大的蒸发液滴，以便于更精细和准确地实验观测蒸发界面热质输运与表面张力驱动流动的耦合现象，具有流体界面动力学现象和相变传热理论研究的重要科学价值。

但在微重力环境下，地面上比较容易实现的技术发生在空间会遇到一定困难。首先，空间无重力条件使得液体管理极为困难，液体会在表面张力牵引下到处铺展，不能像地面条件下保持在重力梯度方向，这为空间注液和液体保持带来挑战。其次，空间实验绝大部分为无人，对于实验装置控制的精度、在轨故障的识别和自动修正、空间实验参数的可修改性提出了更高的要求。再次，空间无浮力条件下的蒸汽只能靠扩撒，不利于建立均一稳定的蒸发初始环境。另外，空间无浮力对流，实验装置的散热只能通过导热或热辐射，这对于实验装置的热适应性和热设计提出更高的要求。还有，地面实验室常规装置不能承受火箭发射时的强振动。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，通过多个单元之间的协同配合，有效实现对微重力环境下的大尺寸液滴蒸发状态下的相变过程的观测，为后续研究提供有力的技术支持。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，包括：

蒸发液滴实验台，用于将实验液形成为大尺寸液滴并提供蒸发条件；

液体存储注液单元，用于向所述蒸发液滴实验台提供实验液；

光学观测单元，用于向所述蒸发液滴实验台提供光源，并对蒸发相变过程进行观测；

环境监测单元，用于监测操作环境中的环境参数；

控制单元。

作为本发明的一种优选方案，所述蒸发液滴实验台包括用于放置实验液的实验基底，与所述实验基底接触设置的加热组件，以及用于对所述实验基底上的热参数进行测量的热参数测量传感器。

作为本发明的一种优选方案，所述液体存储注液单元包括其中一个端面形成有出液口的储液腔，至少部分沿所述储液腔的轴线方向可移动地设置于所述储液腔中的活塞组件，以及连通所述出液口与所述蒸发液滴实验台的连接管。

作为本发明的一种优选方案，所述活塞组件包括设置于所述储液腔中的密封活塞体，一端连接所述密封活塞体，另一端贯穿位于所述储液腔外部的连杆，以及连接所述连杆并带动所述连杆沿所述储液腔的轴线方向移动的驱动部。

作为本发明的一种优选方案，所述加热组件包括导热基座，以及设置于所述导热基座上的加热片，所述实验基底设置于所述导热基座上；

所述导热基座与所述实验基底中贯穿形成有流体通道，所述流体通道的一端开口延伸至所述实验基底的上表面上，另一端开口延伸位于所述导热基座的侧壁上，且位于所述导热基座上的开口与所述液体存储注液单元相连通；

所述蒸发液滴实验台还包括出液口密封组件，所述出液口密封组件设置于位于所述实验基底上的开口的正上方，且所述出液口密封组件能够上下移动并用于闭合或开放位于所述实验基底上的开口。

作为本发明的一种优选方案，所述光学观测单元包括光源和图像采集设备；其中，

所述光源与所述图像采集设备各自位于所述蒸发液滴实验台的其中一侧，且所述光源与所述图像采集设备不位于所述蒸发液滴实验台的同侧。

作为本发明的一种优选方案，所述环境监测单元至少包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器和热流量传感器。

作为本发明的一种优选方案，所述实验装置还包括壳体，至少所述蒸发液滴实验台、所述液体存储注液单元、所述光学观测单元、所述环境监测单元位于所述壳体中；且，

所述壳体中配合设置有通风风扇。

作为本发明的一种优选方案，所述通风风扇至少包括设置于所述壳体内壁上的板面安装风扇，以及设置于所述壳体内部形成的放置腔中的箱内风扇，且所述板面安装风扇与所述箱内风扇配合在所述壳体内形成空气的对流。

作为本发明的一种优选方案，所述控制单元至少包括中心控制部，以及通过中心控制部控制的蒸发控制部、光学控制部和参数采集反馈部；其中，

所述蒸发控制部用于控制蒸发液滴实验台的蒸发条件；

所述注液控制部用于控制液体存储注液单元的注液速率和注液量；

所述光学控制部用于控制光源的开关并对观测结果进行采集；

所述参数采集反馈部用于将采集的环境参数进行反馈。

本发明的实施方式具有如下优点：

1)通过蒸发液滴实验台、液体存储注液单元、光学观测单元、环境监测单元和控制单元的协同配合，有效实现多个物理量和科学数据的综合观测，能够更好地适应在微重力环境下每次观测的有效性；

2)基于环境监测单元和控制单元的配合，能够有效适应空间实验过程中的参数的调控，对外部环境达到更好的适配度，能够针对不同的外部环境对应实现不同状态的针对性调整，不仅整个相变过程能够相对更为稳定，且能够得到更为有效的观测数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的实验装置的结构框图；

图2为本发明实施例提供的实验装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的蒸发液滴实验台的局部结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一方位下的实验装置的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的控制单元的工作原理图。

图中：

1-蒸发液滴实验台；2-液体存储注液单元；3-光学观测单元；4-环境监测单元；5-控制单元；6-壳体；

11-实验基底；12-热参数测量传感器；13-导热基座；14-加热片；15-流体通道；

21-储液腔；22-连杆；

51-通讯通路；52-供电通路；53-数据传输通路；

61-板面安装风扇。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。

如图1-图4所示，本发明提供了一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，具体地，包括蒸发液滴实验台1、液体存储注液单元2、光学观测单元3、环境监测单元4、控制单元5和壳体6。

所述蒸发液滴实验台1由实验基底11、热参数测量传感器12、导热基座13、加热片14组成。实验基底11作为液滴的形成和蒸发台面，其可以选用薄片材料，以更好地实现较大尺度(采用本发明的方式得到的液滴的直径一般在5-10mm)的液滴的蒸发，当然，这里的具体材料可以根据实验液体的浸润特性进行相应的选择。同时，这里对实验基底11采用底部加热的方式来实现蒸发环境，这里的热参数测量传感器12至少部分可以布置于实验基底11表面，以用于精确测量液滴表面不同位置的温度和液滴底部热流量变化，反映蒸发效应和热毛细对流对液滴内部传热特性的影响。

进一步地，根据实验要求可以选用多种材料作为导热基座13的材料，当然，这里的导热基座13优选为具有良好的导热性能，并且，加热片14选用电阻式，并安装于导热基座13上，进一步通过导热基座13的导热实现对实验基底11的加热。具体地，在导热基座13表层下部0.5mm处设计长孔，内部埋设热电偶，通过控制单元5对热电偶对导热基座13表层温度的测量，经过信号数据处理输出控制信号，对加热片14进行PID控制，以实现蒸发液滴实验台1的稳定温度保持。

当然，为了避免在不使用的情况下蒸发液滴实验台1表面的出液口会造成流体通路中的实验液的挥发等问题，这里还可以进一步设置出液口密封组件，具体地，出液口密封组件包括驱动电机、传动丝杠、橡皮塞、限位开关及机械结构件，其中驱动电机的电机轴与传动丝杠通过联轴器固定在一起，传动丝杠通过机械结构与橡皮塞固定在一起，当驱动电机旋转传动丝杠同步旋转驱使橡皮塞前/后(上/下)移动，推动橡皮塞实现对出液口的开启和封闭。为保证出液口密封组件的提拉/下落行程，出液密封单元增加限位开关，增加了驱动电机运行的安全性和稳定性。这里的驱动电机供电和运动由控制单元5控制。

蒸发液滴实验台1与液体存储注液单元2之间的连通是通过在蒸发液滴实验台1侧部设置进液口，并与液体存储注液单元2的出液口之间通过透明软管相连接来实现的。

注液成滴是由控制单元5控制液体存储注液单元2实现的，液体存储注液单元2由储液腔21、步进电机、丝杠、活塞、导轨和机械支撑及管路等组成的，注液量和注液速度依靠控制单元5控制步进电机转动，步进电机的输出轴与丝杠连接，通过丝杠将转动运动变化为平动，进而通过推动一端连接丝杠，另一端连接活塞的连杆22带动储液腔21内的活塞前进，将液体挤出储液腔21。储液腔21为圆柱形，活塞前进的距离与圆柱储液腔的截面积相乘即可获得注液体积量。为保证注液的精度，圆柱形储液腔21的截面积不易过大。此外，为了更为直观地实现对注液过程的检测，液体存储注液单元2还可以设置有编码器，用于监测控制单元5驱动模块发送的步进电机的脉冲数，进而得到步进电机的实际运行状态，更好地实现针对性调节。需要说明的是，这里优选为将液体存储注液单元2放置于蒸发液滴实验台1和光学观测单元3的上方，以便于对液体存储注液单元2中的实验液的更换、补充和消泡等操作。

液滴蒸发过程中的形貌变化由光学观测单元3实现，包括用于观测蒸发液滴实验台1的CCD相机以及用于为CCD相机提供背景光的背景光源，背景光源、CCD相机分别设置在蒸发液滴实验台1的两侧，优选地，三者的中心线在一条直线上。根据蒸发液滴实验台1的个数选择CCD相机和背景光源的个数，使得一一对应。CCD相机安装变焦镜头，地面调试图像清晰后将调节旋钮锁死。具体的，CCD相机分辨率为1024*768*8bit，采集速率1～25fps可调，数据接口为LVDS，由控制单元5控制CCD相机的开关，采集数据传输至控制单元5中的存储设备内。背景光源选用白色发光片，其尺寸要大于蒸发液滴实验台1的尺寸，使得蒸发液滴实验台1上液滴变化的投影可以完全投射在发光片上，以便完整清晰的获取液滴外形轮廓。

需要说明的是，这里每组蒸发液滴实验台1、液体存储注液单元和光学观测单元3配合对应形成为一套观测组件，这里可以根据实际情况在一个壳体6(即一个监控环境下)中设置多组观测组件。

外部的壳体6具体可以采用六块板阶梯搭接形式组装组成箱体，易于箱内部组件安装。箱体外壁通过加强筋板设计，支撑整体成型，减少螺钉安装，保证强度的同时减轻重量。各个单元集成安装在箱体底部，电连接器接口放置于壳体6的前壁。蒸发液滴实验台1、光学观测单元3安装在同一个支架上，防止相对晃动引起的跑焦。蒸发在整箱内进行，不再局限于以往液池的局限设计。由于壳体6相对较大的空间和实验液的安全性，壳体6内进行蒸发无疑创造了蒸发持续发生的条件。整个装置采用螺钉通过壳体6底部的凸耳将装置固定在卫星平台上，壳体6底部的底面即为装置相对于平台的安装面。这里在壳体6中进一步设置通风风扇，具体地，在壳体6内部的前后两侧各设置一个板面安装风扇61，用于实验后将蒸汽通过内部强迫通风散到壳体6外，风扇排气/进气口分别放置于壳体6前/后面板，有利于壳体6中气体的排出和压力的快速稳定。同时在壳体6内部设置箱内风扇，从而通过板面安装风扇61和箱内风扇的配合形成空气的对流。基于对流空气的形成，有利于蒸汽的扩散，将利于创造每次试验相对均一的初始试验条件，有利于后续剥离外部影响因素、简化理论模型。更为优选的，这里的壳体6中开设的用于通风风扇进行气流交换的通风口进一步覆盖有金属筛网，以实现电磁屏蔽效应，金属筛网的外侧可拆卸地设置有密封盖，有效防止运输过程中的杂物进入。同时，壳体6内部和/或外表面上还可以设置减震垫片。

环境监测单元4包括压力传感器、温度传感器和湿度传感器组成，其中，压力传感器、温度传感器和湿度传感器分别布置在蒸发液滴实验台1附近和远离蒸发液滴实验台1处，用于比较测量液滴蒸发对环境的影响。

上述各个结构分别与控制单元5通过电线和电连接器连接，由控制单元5负责部件供电分配，实现与卫星进行总线通信，按照工况图和数据注入的设置完成实验过程的控制，对数据注入进行接收、解析和执行，对工程参数和科学数据采集、打包及传输，运行状态自诊断、故障的判断与排除。

需要说明的是，这里的控制单元5至少具有通讯通路51、供电通路52和数据传输通路53，以保证其能有效实现整个运作。在本发明的一种优选的实施例中，控制单元5具体包括控制盒供电单元、FPGA控制单元、控制盒通信单元、开关量采集单元、模拟量采集单元、电机驱动单元、开关量控制单元、加热单元，其工作原理图如图5所示。

通过上述设置，本发明的实验装置具有以下优点：

一、功能齐备、集成度高：空间液滴蒸发相变传热的物理过程，是界面热质输运和内部流动的耦合作用的结果，涉及热力学和流体动力学等学科的交叉影响，其实验的在轨实施，涉及温控、注液、成滴、观测、测量等各个功能的组合需求，本发明中的实验装置将上述过程完全集成在一套实验装置内，将可以实现多个物理量和科学数据的综合观测。

二、针对性强：针对空间实验在地面过程中准备周期长、在轨无人协助、空间无重力等特点，本发明的技术方案满足地面长时间液体存储。开放式液滴蒸发便于蒸气的扩散，实验后风扇产生强迫对流，向卫星密封舱内通风，加速排出实验装置内的蒸气，用于创造初始条件均一、持续蒸发的实验箱内环境条件，有助于后续剥离外部影响因素、简化理论模型。精密在轨注液的方式用于克服微重力影响而形成空间大尺寸液滴并保持。CCD液滴形貌观测实现蒸发速率的定量化测量。模块化控制单元5实现空间实验流程的自动控制和参数上行修改。

三、可靠性高：本发明兼顾空间设备质量小、体积小、安全性高、可靠性高的要求，满足空间环境适应性要求，通过针对性力学设计支撑连接增加机械强度以适应发射振动环境，通过结构导热以适应空间无浮力条件下的散热，通过EMC设计以保证电磁兼容性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，其特征在于，包括：

蒸发液滴实验台(1)，用于将实验液形成为大尺寸液滴并提供蒸发条件；

液体存储注液单元(2)，用于向所述蒸发液滴实验台(1)提供实验液；

光学观测单元(3)，用于向所述蒸发液滴实验台(1)提供光源，并对蒸发相变过程进行观测；

环境监测单元(4)，用于监测操作环境中的环境参数；

控制单元(5)。

2.根据权利要求1所述的一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，其特征在于，所述蒸发液滴实验台(1)包括用于放置实验液的实验基底(11)，与所述实验基底(11)接触设置的加热组件，以及用于对所述实验基底(11)上的热参数进行测量的热参数测量传感器(12)。

3.根据权利要求2所述的一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，其特征在于，所述液体存储注液单元(2)包括其中一个端面形成有出液口的储液腔(21)，至少部分沿所述储液腔(21)的轴线方向可移动地设置于所述储液腔(21)中的活塞组件，以及连通所述出液口与所述蒸发液滴实验台(1)的连接管。

4.根据权利要求3所述的一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，其特征在于，所述活塞组件包括设置于所述储液腔(21)中的密封活塞体，一端连接所述密封活塞体，另一端贯穿位于所述储液腔(21)外部的连杆(22)，以及连接所述连杆(22)并带动所述连杆(22)沿所述储液腔(21)的轴线方向移动的驱动部。

5.根据权利要求3或4所述的一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，其特征在于，所述加热组件包括导热基座(13)，以及设置于所述导热基座(13)上的加热片(14)，所述实验基底(11)设置于所述导热基座(13)上；

所述导热基座(13)与所述实验基底(11)中贯穿形成有流体通道(15)，所述流体通道(15)的一端开口延伸至所述实验基底(11)的上表面上，另一端开口延伸位于所述导热基座(13)的侧壁上，且位于所述导热基座(13)上的开口与所述液体存储注液单元(2)相连通；

所述蒸发液滴实验台(1)还包括出液口密封组件，所述出液口密封组件设置于位于所述实验基底(11)上的开口的正上方，且所述出液口密封组件能够上下移动并用于闭合或开放位于所述实验基底(11)上的开口。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，其特征在于，所述光学观测单元(3)包括光源和图像采集设备；其中，

所述光源与所述图像采集设备各自位于所述蒸发液滴实验台(1)的其中一侧，且所述光源与所述图像采集设备不位于所述蒸发液滴实验台(1)的同侧。

7.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，其特征在于，所述环境监测单元(4)至少包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器和热流量传感器。

8.权利要求1-4中任意一项所述的一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括壳体(6)，至少所述蒸发液滴实验台(1)、所述液体存储注液单元(2)、所述光学观测单元(3)、所述环境监测单元(4)位于所述壳体(6)中；且，

所述壳体(6)中配合设置有通风风扇。

9.根据权利要求8所述的一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，其特征在于，所述通风风扇至少包括设置于所述壳体(6)内壁上的板面安装风扇(61)，以及设置于所述壳体(6)内部形成的放置腔中的箱内风扇，且所述板面安装风扇(61)与所述箱内风扇配合在所述壳体(6)内形成空气的对流。

10.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种微重力环境下的大尺寸液滴相变过程观测的实验装置，其特征在于，所述控制单元(5)至少包括中心控制部，以及通过中心控制部控制的蒸发控制部、光学控制部和参数采集反馈部；其中，

所述蒸发控制部用于控制蒸发液滴实验台(1)的蒸发条件；

所述注液控制部用于控制液体存储注液单元(2)的注液速率和注液量；

所述光学控制部用于控制光源的开关并对观测结果进行采集；

所述参数采集反馈部用于将采集的环境参数进行反馈。

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