CN113588497A - 一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，涉及液滴演变研究技术领域，包括：液滴生成系统、箱体坠落系统和数据采集系统，箱体坠落系统包括环境液体箱，环境液体箱与液滴生成系统连接，环境液体箱内设置有加热板、热成像仪和温度传感器，加热板、热成像仪和温度传感器均与数据采集系统连接。本发明通过在环境液体箱的内部设有加热板、热成像仪和温度传感器，通过加热板改变环境液体箱内的温度，进而能够对环境液体箱内的温度进行控制，使得液滴能够在不同的环境液体中演变，得出液滴演变与热场的关系，通过第一气缸和第二气缸的设置，能够改变环境液体箱以不同高度开始自由落体运动，以判断速度与液滴演变的关系。

Description

一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置

技术领域

本发明涉及液滴演变研究技术领域，更具体的说是涉及一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置。

背景技术

液滴处于不相溶环境液体中并发生相对运动时，液滴会在环境液体动力学作用下发生变形甚至破碎，这种液滴演变现象普遍存在于石油工业中的开采运输过程、化工工业中的搅拌分散工艺、核安全工业中的高温熔融金属冲击冷却液等各类工程实践中。

冲击作用下环境液体中液滴演变的实验数据采集是研究这一现象的第一手资料，对液滴演变模式的甄别、液滴破碎后细小液滴粒径分布的预测、液滴演变数值研究的验证以及液滴演变机理分析等后续研究起着至关重要的作用。现有用于研究液滴演变的实验装置大多围绕高速气流冲击液滴变形破碎领域搭建，目前已有激波管、喷管等实验装置。但是现有的实验装置均不能对液滴在环境液体箱中在冲击作用下的演变与环境液体的温度及热场变化进行研究。

因此，如何提供一种能够研究热场对液滴演变过程影响的实验装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，目的在于解决上述背景技术中的问题，实现能够对在环境液体箱中，在冲击作用下的液滴演变与环境液体的温度及热场变化关系进行研究。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，包括：液滴生成系统、箱体坠落系统和数据采集系统，所述箱体坠落系统包括环境液体箱，所述环境液体箱与所述液滴生成系统连接，所述环境液体箱内设置有加热板、热成像仪和温度传感器，所述加热板、热成像仪和温度传感器均与所述数据采集系统连接。

进一步地，所述箱体坠落系统还包括底座、伸缩支架和电磁铁，所述伸缩支架垂直设于所述底座上，所述电磁铁与所述伸缩支架的顶端固定连接，所述环境液体箱的顶部为能够与所述电磁铁吸合的材质，所述环境液体箱的侧壁为透明材质，所述电磁铁能够控制所述环境液体箱做自由落体运动。

进一步地，所述伸缩支架包括第一气缸、第二气缸和顶板，所述第一气缸和第二气缸垂直设置于所述底座上，所述第一气缸和第二气缸远离所述底座的一端通过所述顶板连接，所述电磁铁与所述第一气缸和第二气缸之间的所述顶板固定连接。

进一步地，所述底座上设有两个导向杆，所述环境液体箱上设有两个与所述导向杆配合的通道。

进一步地，该用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置还包括缓冲装置，所述缓冲装置设于所述底座的上方，用于对所述环境液体箱起到缓冲作用。

进一步地，所述液滴生成系统包括底板、第三气缸和注射器，所述第三气缸和注射器均通过支撑座与所述底板固定连接，所述注射器的活塞与所述第三气缸的伸缩端连接，所述注射器的出液口与所述环境液体箱通过输液管连通。

进一步地，该用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置还包括加速度传感器，所述加速度传感器设于所述环境液体箱上。

进一步地，所述数据采集系统包括摄影机、光源板和服务器，所述摄影机和光源板分别设于所述伸缩支架的两侧，所述服务器分别与所述第三气缸、电磁铁、加热板、热成像仪、温度传感器和加速度传感器连接。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，通过在环境液体箱的内部设有加热板、热成像仪和温度传感器，通过加热板改变环境液体箱内的温度，进而能够对环境液体箱内的温度进行控制，使得液滴能够在冲击作用下在不同的环境液体中演变，得出液滴演变与热场的关系；通过第一气缸和第二气缸的设置，能够改变环境液体箱以不同高度开始自由落体运动，以判断速度与液滴演变的关系。

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附图为本发明提供的用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置的结构示意图；

图2附图为本发明提供的环境液体箱坠落后环境液体箱、摄影机和光源板之间的位置关系结构示意图。

其中：1为环境液体箱；2为底座；3为电磁铁；4为加热板；5为热成像仪；6为温度传感器；7为底板；8为第三气缸；9为注射器；10为输液管；11为第一气缸；12为第二气缸；13为顶板；14为滴液头；15为导向杆；16为通道；17为连杆；18为缓冲装置；19为加速度传感器；20为摄影机；21为光源板。

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。

参见图1和2，本发明实施例公开了一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，包括：液滴生成系统、箱体坠落系统和数据采集系统。

箱体坠落系统包括环境液体箱1、底座2、伸缩支架和电磁铁3，伸缩支架垂直设于底座2上，电磁铁3与伸缩支架的顶端固定连接，环境液体箱1的顶部为能够与电磁铁3吸合的材质，环境液体箱1的侧壁为透明材质，电磁铁3能够控制环境液体箱1做自由落体运动，环境液体箱1与液滴生成系统连接，环境液体箱1内设置有加热板4、热成像仪5和温度传感器6，加热板4、热成像仪5和温度传感器6均与数据采集系统连接，具体地，液滴生成系统包括底板7、第三气缸8和注射器9，第三气缸8和注射器9均通过支撑座与底板7固定连接，注射器9的活塞与第三气缸8的伸缩端连接，注射器9的出液口与环境液体箱1通过输液管10连通。

在上述实施例中，伸缩支架包括第一气缸11、第二气缸12和顶板13，第一气缸11和第二气缸12垂直设置于底座2上，且第一气缸11和第二气缸12相互间隔，第一气缸11和第二气缸12远离底座2的一端通过顶板13连接，电磁铁3与第一气缸11和第二气缸12之间的顶板13固定连接。

优选地，顶板13的上具有通孔，电磁铁3为环形结构，环形结构的电磁铁3具有的通孔与顶板13上的通孔相对应，且环境液体箱1上固定设置有与环境液体箱1内部连通的滴液头14，滴液头14的尾部与环形结构电磁铁3具有的通孔适配，使得滴液头14的尾部沉入环形电磁铁3的通孔内。

在上述实施例中，底座2上设有两个导向杆15，环境液体箱1上设有两个与导向杆15配合的通道16，导向杆15远离底座2的一端贯穿顶板13并延伸至顶板13外，两个导向杆15远离底座2的一端通过连杆17连接，导向杆15的长度大于第一气缸11和第二气缸12最大伸长状态下的长度，通过导向杆15的设置，能够保证环境液体箱1的垂直坠落。

根据本发明的一些实施例中，该用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置还包括缓冲装置18，缓冲装置18设于底座2的上方，用于对环境液体箱1起到缓冲作用，其中，缓冲装置18为橡胶或沙粒层，优选为沙粒层。

根据本发明的一些实施例中，该用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置还包括加速度传感器19，加速度传感器19设于环境液体箱1上，加速度传感器19的设置，能够监测环境液体箱1在下落过程以及与缓冲装置18碰撞后的加速度。

在上述实施例中，数据采集系统包括摄影机20、光源板21和服务器，摄影机20和光源板21分别设于伸缩支架的两侧，服务器分别与第三气缸8、电磁铁3、加热板4、热成像仪5、温度传感器6和加速度传感器19连接，具体地，服务器包括控制模块和采集模块，控制模块与摄像机20、第一气缸11、第二气缸12、第三气缸8和加热板4连接，用以控制摄像机20、第一气缸11、第二气缸12、第三气缸8和加热板4工作，采集模块与热成像仪5、温度传感器6和加速度传感器19连接，用于采集热成像仪5、温度传感器6和加速度传感器19所采集的数据。

实验原理：在环境液体箱1内充满的环境液体中缓慢生成液滴，然后让整个环境液体箱1做自由落体运动，自由落体的坠落过程中基本消除避免了因重力引起的液滴与环境液体体积力差所带来的沉浮运动，同时液滴会在界面张力的作用下恢复成近似圆球形，环境液体箱1冲击缓冲装置18的短时间过程中，环境液体箱1及其内部的环境液体的速度减速至零附近，由于液滴与环境液体的密度存在差异，密度较重的液滴具有继续向下运动的惯性，因而与环境液体之间发生相对运动并产生相对的运动速度，此时，环境液体对液滴产生动力学作用，致使液滴发生形变乃至破碎。

以下通过实验步骤对该用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置进行进一步地解释说明，具体包括以下步骤：

1.连接并组装该实验装置；

2.确定环境液体的下落高度，通过服务器控制第一气缸11和第二气缸12，将环境液体箱1调整到合适位置；

3.确认所需的环境液体温度，并通过服务器控制启动加热板4，将环境液体加热到指定温度，环境液体温度通过温度传感器6进行采集；

4.通过服务器控制第三气缸8，将注射器9的液体推动至输液管10，在液滴下落的瞬间，切断电磁铁3的控制阀释放环境液体箱1；

5.查看摄像机记录的液滴演变过程的序列图片结合热成像仪5所记录的数据，对液滴演变过程中在热场中的变化方式，以及查看加速度传感器19记录的曲线，完成一组实验；

6.通过按一定梯度改变环境液体的温度，重复上述步骤3-5，完成记录不同环境液体温度下的液滴演变图像以及加速度曲线。

除此之外，本发明还能够实现在同一环境温度下，实现不同坠落高度对液滴演变的影响，具体操作为，保证每次的环境液体温度相同，仅是通过驱动第一气缸11和第二气缸12来改变环境液体箱1的下落高度，进而记录液滴演变过程的图片和加速度曲线。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，其特征在于，包括：液滴生成系统、箱体坠落系统和数据采集系统，所述箱体坠落系统包括环境液体箱，所述环境液体箱与所述液滴生成系统连接，所述环境液体箱内设置有加热板、热成像仪和温度传感器，所述加热板、热成像仪和温度传感器均与所述数据采集系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，其特征在于，所述箱体坠落系统还包括底座、伸缩支架和电磁铁，所述伸缩支架垂直设于所述底座上，所述电磁铁与所述伸缩支架的顶端固定连接，所述环境液体箱的顶部为能够与所述电磁铁吸合的材质，所述环境液体箱的侧壁为透明材质，所述电磁铁能够控制所述环境液体箱做自由落体运动。

3.根据权利要求2所述的一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，其特征在于，所述伸缩支架包括第一气缸、第二气缸和顶板，所述第一气缸和第二气缸垂直设置于所述底座上，所述第一气缸和第二气缸远离所述底座的一端通过所述顶板连接，所述电磁铁与所述第一气缸和第二气缸之间的所述顶板固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，其特征在于，所述底座上设有两个导向杆，所述环境液体箱上设有两个与所述导向杆配合的通道。

5.根据权利要求2所述的一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，其特征在于，还包括缓冲装置，所述缓冲装置设于所述底座的上方，用于对所述环境液体箱起到缓冲作用。

6.根据权利要求2所述的一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，其特征在于，所述液滴生成系统包括底板、第三气缸和注射器，所述第三气缸和注射器均通过支撑座与所述底板固定连接，所述注射器的活塞与所述第三气缸的伸缩端连接，所述注射器的出液口与所述环境液体箱通过输液管连通。

7.根据权利要求6所述的一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，其特征在于，还包括加速度传感器，所述加速度传感器设于所述环境液体箱上。

8.根据权利要求7所述的一种用于研究在冲击作用下液滴演变过程的实验装置，其特征在于，所述数据采集系统包括摄影机、光源板和服务器，所述摄影机和光源板分别设于所述伸缩支架的两侧，所述服务器分别与所述第三气缸、电磁铁、加热板、热成像仪、温度传感器和加速度传感器连接。

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