CN114798203B - 一种扇形吸气喷头和用来观测气液混合流场的喷雾系统及测试方法 - Google Patents
一种扇形吸气喷头和用来观测气液混合流场的喷雾系统及测试方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种扇形吸气喷头和用来观测气液混合流场的喷雾系统及测试方法,包括上主体、进气套和下主体;所述上主体包括上壳体和主流道,所述上壳体内设有主流道,所述主流道根据流向依次包括进液孔、喉管和扩散段,所述进气套内设有旋转通孔,所述上壳体插入旋转通孔内,所述进气套的壳体上设有若干形式的第二进气孔,通过旋转进气套使任一所述第二进气孔与第一进气孔导通;所述下主体内部按流向依次设有气液混合段、喷孔、喷孔终端和“V”形槽;所述“V”形槽通过喷孔终端形成喷头的出口。本发明观测不同进气结构扇形吸气喷头内部流场的气液混合过程、外部流场的特征结构变化过程,气泡在液膜的中的发展演变过程。
Description
技术领域
本发明涉及吸气喷头领域或者喷头测试领域或者多相流运动特性测试技术领域,特别涉及一种扇形吸气喷头和用来观测气液混合流场的喷雾系统及测试方法。
背景技术
气液混合流场的扇形吸气喷头基于文丘里效应在工作时自动吸入空气与药液混合,能够产生带有气泡的雾滴,且雾滴有较大的粒径,可减少喷雾飘移,降低对环境的污染。进气结构影响进气效果,当结构复杂时,气体流动时能量损耗增大,进而影响扇形吸气喷头的吸气量和吸气速度,从而影响喷头内部气液混合过程和喷头外部雾化过程。喷头内部气液混合过程和喷头外部雾化过程直接影响喷雾质量,气液混合流场流速较高、流动状况复杂,采用可视化的研究方法对物理模型进行实验测量能够直观的研究喷头内部气液混合过程和喷头外部雾化过程,对其特征结构发展演变过程进行充分了解,从而揭示气液混合雾化机制、改进喷雾施药技术。
商用扇形吸气喷头内部结构单一,其进气结构仅有一种状态,且尺寸较小,对其内部流场观察较为困难,目前尚未出现用来针对内流场观测的扇形吸气喷头和方法。气液混合流体离开喷头后,在距离喷头较近的区域形成带有气泡的扇形液膜外流场,随着距离的增加液膜破碎成液滴形成喷雾,对于这一部分流场的观测,一般使用粒子图像测速技术(PIV)测量,但PIV测量需要在流场中添加示踪粒子,示踪粒子的尺度、浓度以及跟随性会影响测量结果;其次,扇形液膜外流场包含气泡,而PIV测量不能反映气泡的发展演变过程。
现有技术公开了一种针对高速液体射流表面速度的测量装置和方法,但该方法仅仅针对能够产生高速水射流的喷嘴进行速度测量,无法对扇形吸气喷头所产生的“气泡”喷雾特征结构的发展演变过程进行描述。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明提供了一种扇形吸气喷头和用来观测气液混合流场的喷雾系统及测试方法,观测不同进气结构扇形吸气喷头内部流场的气液混合过程、外部流场的特征结构变化过程,气泡在液膜的中的发展演变过程,包括气泡体积大小的变化、位置的移动趋势、速度的变化,从而揭示扇形吸气喷头的雾化机制,改进喷雾施药技术。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种扇形吸气喷头,包括上主体、进气套和下主体;
所述上主体包括上壳体和主流道,所述上壳体内设有主流道,所述主流道根据流向依次包括进液孔、喉管和扩散段,所述喉管一侧设有第一进气孔,用于进气;
所述进气套内设有旋转通孔,所述上壳体插入旋转通孔内,所述进气套的壳体上设有若干形式的第二进气孔,通过旋转进气套使任一所述第二进气孔与第一进气孔导通;
所述下主体内部按流向依次设有气液混合段、喷孔、喷孔终端和“V”形槽;所述喷孔终端为半球形,所述“V”形槽通过喷孔终端形成喷头的出口。
进一步,所述上壳体上设有顶针孔,所述顶针孔内设有顶针;所述进气套内壁均布定位槽,且所述定位槽的相位角与第二进气孔的相位角一一对应;通过旋转进气套使顶针位于不同定位槽内,用于使对应的所述第二进气孔与第一进气孔导通。
进一步,所述第一进气孔与顶针孔相隔180°;所述进气套的壳体上间隔90°分布弯角进气孔、直柱进气孔和直角进气孔,且所述弯角进气孔、直柱进气孔和直角进气孔分别与旋转通孔相交的高度相同。
进一步,所述进液孔直径与喉管直径的比值范围为0.5~0.8;“V”形槽角度范围为15°~40°。
进一步,所述扩散段为圆锥台形,所述进液孔、喉管、扩散段、气液混合段、喷孔的中心轴线在同一条直线上。
进一步,所述第一进气孔与弯角进气孔、直柱进气孔、直角进气孔在旋转通孔轴向的同一高度,且其截面直径相同;通过旋转进气套使第一进气孔与弯角进气孔或直柱进气孔或直角进气孔相连通,用于实现多状态进气。
一种用来观测气液混合流场的喷雾系统,包括所述的扇形吸气喷头、空气压缩机、压力储液罐、调压阀、图像采集设备和处理系统,所述空气压缩机与压力储液罐连接,通过气压输送压力储液罐内液体进入扇形吸气喷头,所述扇形吸气喷头出口处设有图像采集设备,用于采集多状态进气情况下的扇形吸气喷头喷射速度。
一种用来观测气液混合流场的喷雾系统的测量方法,包括如下步骤:
通过空气压缩机提供工作气压使压力储液罐内液体进入扇形吸气喷头,并通过扇形吸气喷头喷射出扇形喷雾;
设定图像采集设备的曝光时间和帧频x帧/s,利用图像采集设备采集不同时刻的扇形喷雾的图像;确定待测目标特征;
在所选取的图片中以扇形吸气喷头下边缘的中点处为原点建立直角坐标系,x轴沿扇形吸气喷头下边缘向右,y轴沿竖直方向向下;测量扇形吸气喷头的下边缘的像素长度值h pixels,根据下边缘实际长度值H mm,可得到像素长度与实际长度的比例系数k,k代表了图像上单位像素长度所代表的实际长度,计算公式如下:
测量目标特征的位置坐标点,得到目标特征的像素直径长度D,根据像素长度与实际长度的比例系数k得到目标特征的实际直径长度d,计算公式如下:d=kD mm;
计算目标特征的体积V和观测面上的表面积S,计算公式分别如下:
测量记录目标特征在所选的两张图片上的坐标,计算其位移l和平均速度v,若所测目标特征在第一张图片的坐标位置为(a,b),在第二张图片的坐标位置为(c,d),则所测目标特征的像素位移长度L计算公式如下:
所测目标特征的实际位移长度l为:l=kL mm;
再根据所选取的两张图片的时间间隔t,得到所测目标特征在这一时间段内的平均速度v。
进一步,所述目标特征为气泡或液滴或与液膜边缘相连的液带。
本发明的有益效果在于:
1.本发明所述的扇形吸气喷头,包括多种不同进气方式,方便加工,安装方便,有利于实验设备使用。
2.本发明所述的用来观测气液混合流场的喷雾系统及测试方法,通过获得了扇形吸气喷头在不同进气状态下的内、外流场的表面积、体积、以及速度的定量信息,这种测量方法可以获得更加接近真实的流场速度,可以为扇形吸气喷头的雾化机制研究提供更加可靠的定量数据。
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,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,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,显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的用来观测气液混合流场的喷雾系统示意图。
图2为本发明所述的扇形吸气喷头示意图。
图3为本发明所述的上主体示意图。
图4为本发明所述的进气套示意图。
图5为本发明所述的下主体示意图。
图6为本发明第一张图片的照片图。
图7为本发明第二张图片的照片图。
图中:
1-空气压缩机;2-压力储液罐;3-调压阀;4-扇形吸气喷头;41-上主体;411-管螺纹;412-进液孔;413-第一进气孔;414-喉管;415-扩散段;416-第一连接通孔;417-顶针孔;42-进气套;421-旋转通孔;422-弯角进气孔;423-直柱进气孔;424-定位槽;425-直角进气孔;43-下主体;431-气液混合段;432-喷孔;433-喷孔终端;434-“V”形槽;435-第二连接通孔;5-高速相机;6-手持电脑显示仪;7-扇形喷雾;8-集液槽;9-散光板;10-光源;11-管道。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图2所示,本发明所述的扇形吸气喷头,包括上主体41、进气套42和下主体43;上主体41的第一连接通孔416与下主体43的第二连接通孔435通过螺栓固定,用于对接上主体41与下主体43,对接处设置密封垫。所述扇形吸气喷头为透明材料。
如图3所示,所述上主体41包括上壳体和主流道,所述上壳体内设有主流道,所述主流道根据流向依次包括进液孔412、喉管414和扩散段415,所述喉管414一侧设有第一进气孔413,用于进气;所述上壳体上设有顶针孔417,所述顶针孔417内设有顶针;所述进气套42内壁均布定位槽424,且所述定位槽424的相位角与第二进气孔的相位角一一对应;通过旋转进气套42使顶针位于不同定位槽424内,用于使对应的所述第二进气孔与第一进气孔413导通。所述第一进气孔413与顶针孔417相隔180°;所述进液孔412直径与喉管414直径的比值范围为0.5~0.8;
如图4所示,所述进气套42内设有旋转通孔421,所述上壳体插入旋转通孔421内,所述进气套42的壳体上设有若干形式的第二进气孔,通过旋转进气套42使任一所述第二进气孔与第一进气孔413导通;所述进气套42的壳体上间隔90°分布弯角进气孔422、直柱进气孔423和直角进气孔425,且所述弯角进气孔422、直柱进气孔423和直角进气孔425分别与旋转通孔421相交的高度相同。
如图5所示,所述下主体43内部按流向依次设有气液混合段431、喷孔432、喷孔终端433和“V”形槽434;所述喷孔终端433为半球形,所述“V”形槽435通过喷孔终端433形成喷头的出口。“V”形槽(434)角度范围为15°~40°。所述第一进气孔413与弯角进气孔422、直柱进气孔423、直角进气孔425在旋转通孔421轴向的同一高度,且其截面直径相同;通过旋转进气套42使第一进气孔413与弯角进气孔422或直柱进气孔423或直角进气孔425相连通,用于实现多状态进气。
所述扩散段415为圆锥台形,所述喉管414、进液孔412、扩散段415、气液混合段431、喷孔432的中心轴线在同一条直线上。
其中喉管414、第一进气孔413、进液孔412、旋转通孔421、弯角进气孔422、直柱进气孔423、直角进气孔425、气液混合段431、喷孔432的截面均为圆形,所述扩散段415为圆锥台形,所述喷孔终端433为半球形,所述“V”形槽435通过喷孔终端433形成喷头的出流口。
其中进气套42通过旋转通孔421与所述喷头上部分主体41相配合,喷头上部分主体41中的顶针孔417中装有阻尼顶针元件,与进气套42中定位槽424相配合使其位置固定。
其中进气孔413与弯角进气孔422、直柱进气孔423、直角进气孔425在旋转通孔421轴向的同一高度,且其截面直径相同,通过转动进气套42,当进气孔413与弯角进气孔422、直柱进气孔423、直角进气孔425相匹配时,其孔口重合,可实现四种进气状态:弯角进气、直柱进气、直角进气、阻止进气。
如图1所示,所述的用来观测气液混合流场的喷雾系统,包括所述扇形吸气喷头4、空气压缩机1、压力储液罐2、调压阀3、图像采集设备和处理系统,所述空气压缩机1与压力储液罐2连接,通过气压输送压力储液罐2内液体进入扇形吸气喷头4,所述扇形吸气喷头4出口处设有图像采集设备,用于采集多状态进气情况下的扇形吸气喷头4喷射速度。图像采集设备包括高速相机5、手持电脑显示仪6、散光板9和光源10;
本发明所述的用来观测气液混合流场的喷雾系统的测量方法,包括如下步骤:
准备工作:
将液体注入压力储液罐2内,之后将空气压缩机1、压力储液罐2、调压阀3、扇形吸气喷头4依次用管道11相连接;将扇形吸气喷头4固定在支架上,保证进液孔412、喉管414、扩散段415、气液混合段431、喷孔432的中心轴线为竖直方向;将集液槽8放置在扇形吸气喷头4竖直方向的正下方,且长度最长的边与“V”形槽434的切槽方向平行,保证收集尽可能多的喷雾7以测量扇形吸气喷头4流量;空气压缩机1接通电源以储蓄高压空气,压力达到0.6Mpa后打开阀门,高压空气进入压力储液罐2内,压力储液罐2内的液体得到几乎与高压空气相同的压力成为高压液体,高压液体流至调压阀3处,调节调压阀3显示数值为0.4Mpa,即工作压力为0.4Mpa,压力液体流至扇形吸气喷头4处;压力液体在吸气喷头4处依次通过喷头上部分主体41的进液孔412、喉管414,由于文丘里效应,喉管414处产生的负压将外界空气通过进气孔413吸入扇形吸气喷头4,被吸入的空气在喉管414处与液体一同流入扩散段415,在扩散段415气泡开始形成,之后流入气液混合段422气体和液体充分混合,最终气液混合流体通过喷孔432由喷孔终端433排出,在“V”形槽434的挤压下喷出的气液混合流形成扇形的喷雾7外流场;
将装有微距镜头的高速相机5放置在扇形吸气喷头4产生扇形面喷雾7的一侧,保证喷雾7的扇形液膜正对镜头取景区域,高速相机5微距镜头靠近扇形吸气喷头4,调整水平距离和镜头焦距,调整高速相机5的放置高度,使扇形吸气喷头4的下边缘始终出现在手持电脑显示仪6的屏幕上;进一步,散光板9与光源10放置在扇形吸气喷头4产生扇形面喷雾7的另一侧,光源9与高速相机5的微距镜头在同一水平面上,散光板9与扇形面喷雾7平行并靠近扇形面喷雾7,光源10发出的光被散光板9散射,获得均匀的面光源,进而照射到扇形吸气喷头4和扇形面喷雾7上,最终在手持电脑显示仪6上获得所需要的图像,设定高速相机5的曝光时间为2.2μs,帧频为2000帧/s,开始进行图像拍摄;
将拍摄的图像进行处理,当帧数设置较大时,会得到流场特征结构比较详细的运动信息,连续的两张图片之间时间间隔较小,为方便计算,选取能够清晰表达包含目标特征变化过程且间隔i为5的两张图片,因为所设置的帧频x为2000帧/s,则相邻两张图片的时间间隔为得到所选取的两张图片的时间间隔t由如下计算公式得出:s即所选两张图片的时间间隔t为0.0025s;目标特征包括气泡或液滴或与液膜边缘相连的液带。
在所选取的图片中以扇形吸气喷头下边缘的中点处为原点建立直角坐标系,x轴沿扇形吸气喷头下边缘向右,y轴沿竖直方向向下。测量扇形吸气喷头的下边缘的像素长度值h为231pixels,再根据下边缘实际长度值H为24mm,可得到像素长度与实际长度的比例系数k,k代表了图像上单位像素长度所代表的实际长度,计算公式如下:即得到实际长度与像素长度的比例系数k为0.104,也为图像上单位像素长度所代表的实际长度0.104mm;
目标特征为气泡时,第一张图片如图6所示,测量气泡位置1处的像素直径长度D1为13.78pixel,再根据像素长度与实际长度的比例系数k,得到扇形吸气喷头内流场中气泡位置1处的的实际直径长度d1为1.4331mm。第二张图片如图7所示,此时位置1的气泡位于位置2处,气泡在位置2的像素直径长度D2为15.52pixel,得到扇形吸气喷头内流场中气泡位置2处的的实际直径长度d2为1.5725mm。
计算气泡的体积V和观测面上的表面积S,计算公式分别如下:
得到扇形吸气喷头内流场中气泡位置1的体积为1.54(mm)3,观测面上的表面积为1.612(mm)2;得到扇形吸气喷头内流场中气泡位置2的体积为2.03(mm)3,观测面上的表面积为1.941(mm)2;
测量记录扇形吸气喷头外流场中气泡特征结构的“位置1”、“位置2”在所选的两张图片上的坐标,所测特征结构在第一张图片的坐标位置(a,b)为(-13,-148),在第二张图片的坐标位置(c,d)为(-16,-230),计算其位移l和平均速度v,
则所测气泡的像素位移长度L计算公式如下:
得到所测气泡的像素位移长度L为82.05pixel,
所测气泡的实际位移长度l为:l=kL mm,即所测气泡的实际位移长度l为8.53mm;
再根据所选取的两张图片的时间间隔t,得到所测目标特征在这一时间段内的平均速度v
计算得出所测气泡在这一时间段内的平均速度v为3.412m/s。
应当理解,虽然本说明书是按照各个实施例描述的,但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种扇形吸气喷头,其特征在于,包括上主体(41)、进气套(42)和下主体(43);
所述上主体(41)包括上壳体和主流道,所述上壳体内设有主流道,所述主流道根据流向依次包括进液孔(412)、喉管(414)和扩散段(415),所述喉管(414)一侧设有第一进气孔(413),用于进气;
所述进气套(42)内设有旋转通孔(421),所述上壳体插入旋转通孔(421)内,所述进气套(42)的壳体上设有若干形式的第二进气孔,通过旋转进气套(42)使任一所述第二进气孔与第一进气孔(413)导通;
所述下主体(43)内部按流向依次设有气液混合段(431)、喷孔(432)、喷孔终端(433)和“V”形槽(434);所述喷孔终端(433)为半球形,所述“V”形槽(434)通过喷孔终端(433)形成喷头的出口;
所述上壳体上设有顶针孔(417),所述顶针孔(417)内设有顶针;所述进气套(42)内壁均布定位槽(424),且所述定位槽(424)的相位角与第二进气孔的相位角一一对应;通过旋转进气套(42)使顶针位于不同定位槽(424)内,用于使对应的所述第二进气孔与第一进气孔(413)导通;
所述第一进气孔(413)与顶针孔(417)相隔180°;所述进气套(42)的壳体上间隔90°分布弯角进气孔(422)、直柱进气孔(423)和直角进气孔(425),且所述弯角进气孔(422)、直柱进气孔(423)和直角进气孔(425)分别与旋转通孔(421)相交的高度相同。
2.根据权利要求1所述的扇形吸气喷头,其特征在于,所述进液孔(412)直径与喉管(414)直径的比值范围为0.5~0.8;“V”形槽(434)角度范围为15°~40°。
3.根据权利要求1所述的扇形吸气喷头,其特征在于,所述扩散段(415)为圆锥台形,所述喉管(414)、进液孔(412)、扩散段(415)、气液混合段(431)、喷孔(432)的中心轴线在同一条直线上。
4.根据权利要求1所述的扇形吸气喷头,其特征在于,所述第一进气孔(413)与弯角进气孔(422)、直柱进气孔(423)、直角进气孔(425)在旋转通孔(421)轴向的同一高度,且其截面直径相同;通过旋转进气套(42)使第一进气孔(413)与弯角进气孔(422)或直柱进气孔(423)或直角进气孔(425)相连通,用于实现多状态进气。
5.一种用来观测气液混合流场的喷雾系统,其特征在于,包括权利要求1-4任一项所述的扇形吸气喷头(4)、空气压缩机(1)、压力储液罐(2)、调压阀(3)、图像采集设备和处理系统,所述空气压缩机(1)与压力储液罐(2)连接,通过气压输送压力储液罐(2)内液体进入扇形吸气喷头(4),所述扇形吸气喷头(4)出口处设有图像采集设备,用于采集多状态进气情况下的扇形吸气喷头(4)喷射速度。
6.一种根据权利要求5所述的用来观测气液混合流场的喷雾系统的测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
通过空气压缩机(1)提供工作气压使压力储液罐(2)内液体进入扇形吸气喷头(4),并通过扇形吸气喷头(4)喷射出扇形喷雾(7);
设定图像采集设备的曝光时间和帧频x帧/s,利用图像采集设备采集不同时刻的扇形喷雾(7)的图像;确定待测目标特征;
在所选取的图片中以扇形吸气喷头下边缘的中点处为原点建立直角坐标系,x轴沿扇形吸气喷头下边缘向右,y轴沿竖直方向向下;测量扇形吸气喷头的下边缘的像素长度值hpixels,根据下边缘实际长度值H mm,可得到像素长度与实际长度的比例系数k,k代表了图像上单位像素长度所代表的实际长度,计算公式如下:
测量目标特征的位置坐标点,得到目标特征的像素直径长度D,根据像素长度与实际长度的比例系数k得到目标特征的实际直径长度d,计算公式如下:d=kD mm;
计算目标特征的体积V和观测面上的表面积S,计算公式分别如下:
测量记录目标特征在所选的两张图片上的坐标,计算其位移l和平均速度v,若所测目标特征在第一张图片的坐标位置为(a,b),在第二张图片的坐标位置为(c,d),则所测目标特征的像素位移长度L计算公式如下:
所测目标特征的实际位移长度l为:l=kL mm;
再根据所选取的两张图片的时间间隔t,得到所测目标特征在这一时间段内的平均速度v。
7.根据权利要求6所述的用来观测气液混合流场的喷雾系统的测量方法,其特征在于,所述目标特征为气泡或液滴或与液膜边缘相连的液带。
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