CN114323659A - 一种壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，包括撞壁板、撞壁基板、撞壁测试系统平台以及温度控制模块，撞壁基板设置于撞壁测试系统平台上，撞壁基板设置有凹槽，凹槽的形状尺寸与撞壁板匹配，用于容纳撞壁板，温度控制模块包括薄膜热电偶、采集卡以及水浴槽，薄膜热电偶设置于撞壁基板上，采集卡与薄膜热电偶连接，用于测量撞壁板的温度，水浴槽与撞壁测试系统平台连接，通过传热介质控制撞壁基板的温度。本申请可以在不影响激光和相机的情况下，高效替换测试壁面。本申请采用圆周布置的热电偶，配合高精度高频采集卡，实时监测和控制壁面温度，并可以分析湿润壁面撞壁现象。

Description

一种壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置

技术领域

本申请涉及一种撞壁液膜测量装置的配置，尤其涉及一种壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置。

背景技术

在碳中和碳达峰的背景下，发动机的高效清洁燃烧越来越受到人们的关注。在缸内燃烧过程中，喷雾湿壁一直是发动机运行中的主要问题之一，在喷雾的实际运动过程中，它容易与活塞顶及气缸壁接触，形成难以挥发的液膜，液膜不能充分燃烧，恶化了发动机的排放性能，影响了汽车的动力输出。撞壁过程中，壁面液膜的定量测量对于撞壁过程的系统分析尤为重要，液膜的厚度是评估撞壁程度的重要指标，液膜的温度对解明液膜的传热传质机理十分重要。双相激光诱导荧光技术是一种利用两个波段的荧光实现液膜厚度和温度定量测量的先进光学诊断技术。

现有技术的问题是设备搭建复杂，测试平台一经搭建，仅可测量单种壁面材质，若想替换壁面材质，需要重新搭建设备并重新进行标定实验，效率低且成本高。实际发动机缸内活塞顶和缸套材质和形状复杂，现有的单一的壁面材质布置难以满足实际研究需求。现有技术中虽然有采用替换壁面的形式对不同粗糙度的壁面进行研究，然而在实际光学测试实验中，替换壁面不仅需要重新标定影响效率，更会造成观测区域的变化，需要对测试激光和相机进行二次调节，进一步降低实验效率，各实验间的可比性也会大幅下降。

此外，目前的测试平台难以精确控制壁面温度，目前的壁面温度是通过标定实验获得的，通过测量流经撞壁平台的冷却液温度和壁面温度，绘制标定曲线，实验过程中认为壁面温度和标定液温度一一对应且保持不变。多个接近的现有技术均采用了该方法进行标定，但实际实验过程中，喷雾造成的流场改变，液膜在壁面的流动均会对壁面温度造成影响，而壁面温度对撞壁这一物理过程尤为重要，不精确的壁面温度，会对后续的分析造成较大的影响。如果还涉及到替换壁面操作，则进一步增加标定工作的复杂程度，进一步增加实验耗时。

发明内容

为实现上述目的，本申请提供了一种壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，包括撞壁板、撞壁基板、撞壁测试系统平台以及温度控制模块，其特征在于，所述撞壁基板设置于所述撞壁测试系统平台上，所述撞壁基板设置有凹槽，所述凹槽的形状尺寸与所述撞壁板匹配，用于容纳所述撞壁板，所述温度控制模块与所述撞壁测试系统平台连接，用于控制所述撞壁板的温度。

进一步地，所述温度控制模块包括薄膜热电偶、采集卡以及水浴槽，所述薄膜热电偶设置于所述撞壁基板上，所述采集卡与所述薄膜热电偶连接，用于测量所述撞壁板的温度，所述水浴槽与所述撞壁测试系统平台连接，通过传热介质控制所述撞壁基板的温度。

进一步地，所述撞壁测试系统平台呈圆环状，并设置为中空结构，所述撞壁测试系统平台的两侧设置有进口和出口，并通过管道与所述水浴槽连接。

进一步地，所述水浴槽设置有PID控制器，用于控制所述水浴槽中的传热介质的温度。

进一步地，所述凹槽呈圆形，直径为60毫米，深度为1毫米。

进一步地，所述撞壁板呈圆形，直径为59毫米，厚度为1毫米。

进一步地，所述薄膜热电偶环绕地设置于所述凹槽周围。

进一步地，所述薄膜热电偶的数量为8个，均匀地周向分布于所述凹槽周围。

进一步地，所述撞壁测试系统平台与所述撞壁基板之间涂有导热硅脂。

进一步地，所述水浴槽的工作温度范围为-50到200℃。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案具有以下优点：

1、本申请采用模块化试验台，可以在不影响激光和相机的情况下，高效替换测试壁面。

2、本申请设置有包括薄膜热电偶、采集卡的温度控制模块，一方面能够实时监控壁面的温度而无需通过标定获得。

3、本申请设置有带有PID控制器的水浴槽，可以根据需要动态地控制壁面温度，以满足不同的实验条件需要。

4、本申请选用的模块化撞壁板，尺寸小且薄，可节约材料，降低实验成本。

5、本申请可以分析湿润壁面撞壁现象。

以下将结合附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本申请的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本申请的一个实施例的结构示意图；

图2为采用本申请的一个实施例测得的液膜厚度数据图像。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本申请的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本申请可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本申请的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本申请并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所示，本实施例包括撞壁板1、撞壁基板3、撞壁测试系统平台4以及温度控制模块，具体地，温度控制模块由薄膜热电偶2、采集卡5以及水浴槽6组成。撞壁基板3设置于撞壁测试系统平台4上，撞壁基板3设置有凹槽，凹槽的形状尺寸与撞壁板1匹配，用于容纳撞壁板1，温度控制模块与撞壁测试系统平台4连接，用于控制撞壁板1的温度。薄膜热电偶2设置于撞壁基板3上，采集卡5与薄膜热电偶2连接，用于测量撞壁板1的温度，水浴槽6与撞壁测试系统平台4连接，加热或冷却撞壁基板3。

本实施例中优选地，选用铝制环形板作为撞壁测试系统平台4，该环形板内径为60mm，外径为110mm，厚度为10mm。铝制环形板内部挖空并设置进出口，进出口连接带有PID控制器的水浴槽6，撞壁测试系统平台4内部设置有循环液流道，循环液用于加热或冷却撞壁测试系统平台4，实现对撞壁测试系统平台4以及撞壁基板3的实时温度控制。

本实施例中优选地，选用蓝宝石玻璃为撞壁基板3，蓝宝石玻璃主要成分为氧化铝(Al₂O₃)，阿贝数为72.2，折射率n_ω＝1.768–1.772(垂直C轴的面)，n_ε＝1.760–1.763(平行C轴的面),具有良好的光学透过性、热传导性。蓝宝石玻璃的厚度为2mm，直径100mm。在蓝宝石玻璃中心挖有圆形凹槽，凹槽直径为60mm，深度为1mm。将该撞壁基板3放置在撞壁测试系统平台4上，撞壁基板3与撞壁测试系统平台4之间涂抹强化传热的含银导热硅脂，硅脂导热系数可以达到14W/m·K，硅脂工作温度为-50℃到300℃。

本实施例中优选地，可选用不同形状和表面性质的透明材料作为撞壁板1，一般情况表面材质可以为蓝宝石玻璃。优选地，撞壁板1为直径为59mm，厚度为1mm的圆形，撞壁板1的表面材质的粗糙度可以改变，也可以采用不同纹路的纹理壁面，或在表面设置凸起或下凹结构，以模拟实际缸内活塞的上行或下行。撞壁板1的厚度与撞壁基板3的凹槽深度匹配，撞壁板1放置在凹槽内即完成装配，需要替换撞壁板1时，无需改变撞壁基板3位置，仅替换撞壁板1即可。

本实施例中优选地，选用5um厚度的快速响应铂电阻贴片式薄膜热电偶2，在撞壁基板3周围70mm直径处周向均匀布置八个热电偶，薄膜热电偶2均连接到带有PID控制器的水浴槽6，水浴槽6的工作范围为-50到200℃，水浴槽6根据设定温度和薄膜热电偶2采集到的温度，对循环水温度进行控制，最终实现撞壁板1的壁面设定温度与实际温度一致。同时，薄膜热电偶2连接到采集卡5中，采集卡5的采样频率为50khz，采样精度为±0.5％，实现对撞壁板1的壁面瞬态温度数据的高频实时采集，温度数据有助于分析不同实验条件下壁面传热传质情况。

本实施例能够快速高效的替换壁面材质。现有相关技术壁面不可替换，或替换效率低下，一经替换，需要对激光、相机进行二次调节，且需要重新进行温度标定，各个实验之间的重复性和可比性差。而本实施例可以在不影响激光和相机的情况下，高效替换撞壁板1，借助模块化设计，可以规范化实验步骤，在良好的可比性条件下，分析解明壁面材质和形状对喷雾撞壁的影响。

本实施例选用模块化的撞壁板1。现有技术如需替换壁面，则撞壁板与撞壁基板需要整体替换，撞壁基板尺寸大且厚，耗费材料，撞壁板作为光学平面，往往价格高，这会提高实验成本。本发明陈述的模块化撞壁板1，尺寸小且薄，可节约材料，降低实验成本。

本实施例能够对撞壁板1的壁面温度进行实时调节。现有相关技术的壁面温度控制多借助标定实验，事先测量流经撞壁平台的冷却液温度和壁面温度，绘制标定曲线，实验过程中认为壁面温度和标定液温度一一对应且保持不变，但这样做的问题是忽略了边界条件，喷雾气流，液膜运动对壁面温度的影响。而实际实验中，这些影响往往会对壁面温度造成较大影响。本实施例采用了多个薄膜热电偶2配合带有PID控制器的水浴槽6，实现对撞壁板1的壁面温度的实时调节，且无需标定，保证在不同边界条件下，壁面温度均控制在理想的范围内。

本实施例能够对撞壁板1的壁面温度进行高频实时检测。现有相关技术无法得到壁面温度的实时数据，从而无法知道喷雾撞壁、液膜流动等对壁面温度的影响。本发明采用多个薄膜热电偶2连接高采样率温度采集卡5的方式，对壁面温度进行实时测量，实现对壁面瞬态温度数据的实时采集，有助于分析流场运动对壁面传热传质的影响。

本实施例能够开展湿壁面喷雾撞壁的研究。本实施例选用的撞壁基板3具有凹槽，当凹槽内不放置撞壁板时，在凹槽内盛装液体，即可开展湿壁面喷雾撞壁的研究。

图2所示为采用本实施例的测量装置测得的撞壁液膜的厚度信息。实验使用双相激光诱导荧光技术，利用带有圆形凹槽的蓝宝石玻璃作为撞壁基板3，采用粗糙度R_a＝0.5nm的蓝宝石玻璃作为撞壁板1，撞壁板1的厚度为1mm，直径为59mm。通过温度控制模块控制壁面温度为-25℃，利用matlab等软件进行处理后，得到-25℃、R_a＝0.5nm壁面条件下的液膜厚度信息。

在其他类似的实施例中，撞壁测试系统平台4的材质和换热介质可以替换，如撞壁测试系统平台4的材质可以换成铜，撞壁基板3与撞壁测试系统平台4间的换热介质可以选择不同温度范围的导热硅脂。其目的是使得撞壁测试系统平台4与撞壁基板3的换热加强，拓宽本测量装置的工作温度范围。

在其他类似的实施例中，撞壁基板3的材料可以替换，如石英玻璃，其目的是满足不同实验对基板光学透过率的要求，使得撞壁基板3在实验波段具有更高的透光性。

在其他类似的实施例中，撞壁基板3的凹槽和撞壁板1形状可以为其他互相匹配的形状，如方形，长方形，其目的是便于加工，满足不同实验的要求。

在其他类似的实施例中，撞壁板1在实际实验时可以不添加，转而在凹槽内盛装液体，其目的是开展湿壁面喷雾撞壁的研究。

在其他类似的实施例中，薄膜热电偶2的型号、布置位置和数量可以根据需要而调整，如热电偶型号可以换为K型或T型热电偶，布置数量可以增加或减少，其目的是满足不同实验的要求。

在其他类似的实施例中，采集卡5可以为更高精度或更高频率的型号，如采样频率可以为100kHz，其目的是满足更高精度实验的要求。

在其他类似的实施例中，带有PID控制器的水浴槽6可以选用其他型号，其目的是改变水浴槽的工作温度范围，如温度范围可以拓展到-65-300℃，满足不同实验的要求。

以上详细描述了本申请的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本申请的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本申请的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，包括撞壁板、撞壁基板、撞壁测试系统平台以及温度控制模块，其特征在于，所述撞壁基板设置于所述撞壁测试系统平台上，所述撞壁基板设置有凹槽，所述凹槽的形状尺寸与所述撞壁板匹配，用于容纳所述撞壁板，所述温度控制模块与所述撞壁测试系统平台连接，用于控制所述撞壁板的温度。

2.如权利要求1所述的壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，其特征在于，所述温度控制模块包括薄膜热电偶、采集卡以及水浴槽，所述薄膜热电偶设置于所述撞壁基板上，所述采集卡与所述薄膜热电偶连接，用于测量所述撞壁板的温度，所述水浴槽与所述撞壁测试系统平台连接，通过传热介质控制所述撞壁基板的温度。

3.如权利要求2所述的壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，其特征在于，所述撞壁测试系统平台呈圆环状，并设置为中空结构，所述撞壁测试系统平台的两侧设置有进口和出口，并通过管道与所述水浴槽连接。

4.如权利要求3所述的壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，其特征在于，所述水浴槽设置有PID控制器，用于控制所述水浴槽中的传热介质的温度。

5.如权利要求4所述的壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，其特征在于，所述凹槽呈圆形，直径为60毫米，深度为1毫米。

6.如权利要求5所述的壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，其特征在于，所述撞壁板呈圆形，直径为59毫米，厚度为1毫米。

7.如权利要求6所述的壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，其特征在于，所述薄膜热电偶环绕地设置于所述凹槽周围。

8.如权利要求7所述的壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，其特征在于，所述薄膜热电偶的数量为8个，均匀地周向分布于所述凹槽周围。

9.如权利要求8所述的壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，其特征在于，所述撞壁测试系统平台与所述撞壁基板之间涂有导热硅脂。

10.如权利要求9所述的壁面可替换的温度可控的撞壁液膜测量装置，其特征在于，所述水浴槽的工作温度范围为-50到200℃。

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