CN115078186A - 一种研究多液滴干涉撞壁的连续多液滴发生自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
提供一种能产生瞬态连续多液滴的自动控制系统，用于研究相互干涉多液滴的撞壁动态演变机制，本系统的核心是液滴发生装置和脉冲控制系统。液滴发生装置接收脉冲控制系统输出的多脉冲驱动电压，压电陶瓷片是液滴发生装置和脉冲控制系统的纽带，作为动作元件将快速连续的多次机械振动传递给与之粘结的弹性硅胶垫片进而按压液体形成连续多液滴滴落，通过对多脉冲触发信号的脉宽、间隔及次数的调控，可获得不同直径大小和不同下落间隔的瞬态连续多液滴滴落。本系统作为相互干涉多液滴撞壁研究的技术支撑，采用高速光学测试手段可探究连续多液滴干涉撞壁动态演变过程中的温度效应、速度效应和尺度效应。
Description
技术领域
本发明专利属于多液滴干涉撞壁基础研究领域，具体涉及一种能够瞬态产生连续多液滴的自动控制系统。
背景技术
液滴撞击现象广泛存在于自然、工业和农业等领域，如在内燃机燃油液滴颗粒撞击气缸壁、喷墨打印、农药飞溅、雨滴腐蚀及炒菜做饭等动态过程中，是典型多相流的连续动态变化过程；由于液滴撞击过程中存在传热、相变和撞击动力学等交错复杂的动力学过程，迄今为止并没有完全探明液滴撞击过程的动态机理。同时，基于不同的撞击目标，如固体壁面、液体膜、液池，其撞击作用机理也不同。
现有对液滴撞击的研究，受液滴发生系统的限制，着眼于单液滴的撞击过程，并没有对多液滴撞击过程进行研究。而在实际的液滴撞击过程中，存在多液滴的碰撞干涉。在多个连续液滴的撞击过程中，前次撞击附着在壁面而未蒸发的液滴会影响后次撞击过程，前次撞击飞溅的液滴颗粒也会干涉后次撞击，多个液滴发生干涉时的撞击过程是比单液滴撞击过程更为复杂的动力学过程。
发明内容
本发明专利解决的技术问题：提供一种可瞬态产生连续多液滴的自动控制系统，用于多液滴干涉撞壁动态演化机制的研究，采用高速光学测试手段，通过观察在不同韦伯数、壁面温度及液滴直径下相互干涉的连续多液滴撞击壁面后出现的黏附、回弹、破碎及飞溅等现象，研究多液滴干涉状况下撞壁动态过程的动力学机制和非线性变化规律，探索多液滴干涉撞击壁面动态发展过程中的温度效应、速度效应和尺度效应。
本发明专利采用的技术方案：瞬态连续多液滴发生自动控制系统，包括液滴发生装置和脉冲控制系统两大部分，所述液滴发生装置是液体供应和连续多液滴滴落的载体，所述脉冲控制系统通过对多脉冲触发信号和多脉冲驱动电压的调控，最终输出多脉冲驱动电压至液滴发生器的动作元件。
对上述技术方案的进一步限定，所述液滴发生装置包括供液腔和液滴发生器；供液腔为液滴发生器提供液体，供液腔内液面位置要高于储液腔内充满液体时的液面位置，以保证储液腔内充满液体；压电陶瓷片与硅胶垫片粘结并固定密封于液滴发生器上；压电陶瓷片接收到多脉冲驱动电压后发生快速连续多次微小机械振动，带动与之粘结的硅胶垫片按压储液腔内的液体，使连续多液滴从液滴发生器的喷嘴滴落。
对上述技术方案的进一步限定，所述脉冲控制系统包括驱动器、控制器和控制软件；驱动器为压电陶瓷片提供多脉冲驱动电压；控制器为驱动器提供同步多脉冲触发信号；控制软件用来设定控制器输出的多脉冲触发信号的脉宽、间隔和次数；驱动器收到控制器输出的多脉冲触发信号后，输出相同脉宽、相同间隔和相同次数的多脉冲驱动电压给压电陶瓷片，驱动压电陶瓷片发生快速连续多次微小机械振动。
本发明专利与现有技术相比的优点：
1.本方案能够实现瞬态连续多液滴的滴落，并且通过硬件和软件的相互配合实现自动控制操作，该系统用于相互干涉的多液滴撞壁动态演化的研究，为多液滴干涉撞壁研究提供技术支撑；
2.本方案通将压电陶瓷片与硅胶垫片粘结，压电陶瓷片接收到多脉冲驱动电压后带动弹性硅胶垫片发生快速连续多次微小弯曲，挤压液滴发生器储液腔内充满的液体从而使液滴从喷嘴孔口滴落；
3.本方案可实现连续多液滴中单液滴直径、相邻液滴下落间隔和液滴个数的调控，通过变换喷嘴喷孔直径和设置驱动器输出电压大小均可实现液滴直径的调控；通过设置数据采集卡输出的多脉冲触发信号的间隔可实现相邻液滴下落间隔的调控；通过脉冲触发信号次数的设置可实现相应个数液滴的滴落。
附图说明
图1为本发明专利的整体系统原理图。
图2为本发明专利液滴发生器生成瞬态连续多液滴时的工作示意图。
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。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
请参阅图1-2，详述本发明的实施例。
瞬态连续多液滴发生自动控制系统，包括液滴发生装置和脉冲控制系统两部分；液滴发生装置完成液体供应和连续多液滴发生工作，脉冲控制系统完成多脉冲触发信号和多脉冲驱动电压的设置和输出工作。
所述液滴发生装置中，供液腔1通过供液管10和供液接头9与液滴发生器的储液腔7连通。液滴发生器由压紧螺栓2、压盖3、压电陶瓷片4、硅胶垫片5、腔体6、储液腔7、喷嘴8、供液接头9组成；压电陶瓷片4与硅胶垫片5粘结，用压紧螺栓2和压盖3固定于腔体6，形成密封的储液腔7。
所述脉冲控制系统中，压电陶瓷专用驱动器12通过电缆11与压电陶瓷片4连接，数据采集卡控制器14通过电缆13与驱动器12连接，LabVIEW可视化图形编程控制软件16安装于电脑并通过数据采集卡专用电缆15与控制器14连接。
工作原理：供液腔1内液面位置高于储液腔7充满液体时的液面位置，以保证液体能充满储液腔7；供液腔1内液面位置不宜过高，避免液滴发生器内液体在压力的作用下自发从喷嘴8滴落而失去自动控制功能；喷嘴8孔径在0.1mm到0.5mm范围内可变；根据不同喷嘴8孔径可调试得到不使液滴自动滴落的最高液面位置。
控制软件16设置单脉冲触发信号的脉宽，并将驱动器12的脉冲驱动电压设置到一定值，控制器14接收到控制软件16发出的命令后，将单脉冲触发信号传输给驱动器12，驱动器12接收到单脉冲触发信号后，根据单脉冲触发信号脉宽输出相同脉宽的单脉冲驱动电压给压电陶瓷片4，随后压电陶瓷片4带动粘结在其上的弹性硅胶垫片5按压储液腔7内充满的液体，完成单液滴滴落试验。对单液滴滴落进行反复调试试验，最终得到稳定的单液滴滴落；驱动器12输出的驱动电压可在25V到100V范围内调节；根据驱动器12的参数设定要求，控制器14输出的TTL脉冲触发信号的脉宽在1ms到100ms内可调。
采用单液滴发生试验最终得到的最佳触发信号脉宽和驱动电压大小，利用控制软件16设置多脉冲触发信号的脉冲次数和脉冲间隔，通过控制器14将多脉冲触发信号同步输出给驱动器12，驱动器12输出多脉冲驱动电压给压电陶瓷片4，压电陶瓷片4带动与之粘结的弹性硅胶垫片5快速多次弯曲并挤压储液腔7内充满的液体，进行瞬态连续多液滴发生试验，最终获得稳定的连续多液滴17滴落。
本系统的可变可控参量为供液腔1内的液面位置，喷嘴8的孔径，驱动器12输出驱动电压的大小，控制器14输出TTL脉冲触发信号的脉宽、次数和间隔。这些机械和电气参量都可在一定范围内进行调节和设定，通过这些参量的调控以及软硬件的相互配合，利用控制软件16的自动化控制操作，最终获得不同直径大小和不同下落间隔的瞬态连续多液滴17稳定滴落。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式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。
Claims (4)
1.一种研究多液滴干涉撞壁的连续多液滴发生自动控制系统，其特征在于：能产生瞬态连续多液滴的滴落，核心是液滴发生装置和脉冲控制系统；采用压电陶瓷片(4)将连续多次机械振动传递给弹性硅胶垫片(5)进而按压储液腔(7)内充满的液体形成连续多液滴滴落；采用驱动器(12)给压电陶瓷片(4)提供连续快速的多次脉冲驱动电压，通过调节驱动器(12)的电压来调控驱动强度，驱动器(12)的工作由控制器(14)输出的多脉冲触发信号进行同步触发控制；控制软件(16)完成多脉冲触发信号的输出设定，可设置多脉冲触发信号的脉宽、次数及间隔。
2.根据权利要求1所述的一种研究多液滴干涉撞壁的连续多液滴发生自动控制系统，其特征在于：所述液滴发生装置由供液装置和液滴发生器构成；供液腔(1)给液滴发生器的储液腔(7)提供液体，保证储液腔(7)内充满液体；安装于液滴发生器的压电陶瓷片(4)接收到驱动器(12)的多脉冲驱动电压后，带动与之粘结的硅胶垫片(5)一起发生连续多次微小机械振动，储液腔(7)内液体受到连续多次按压后，连续的多液滴(17)从喷嘴(8)滴落。
3.根据权利要求1所述的一种研究多液滴干涉撞壁的连续多液滴发生自动控制系统，其特征在于：所述脉冲控制系统由驱动装置、控制装置和操作装置构成；驱动器(12)给压电陶瓷片(4)提供多脉冲驱动电压，通过调节驱动器(12)输出电压的大小来调控压电陶瓷片(4)的振动强度；控制器(14)采用数据采集卡，给驱动器(12)提供同步的多脉冲触发信号；控制软件(16)采用可视化图形编程软件LabVIEW，用于对控制器(14)输出的TTL多脉冲触发信号进行脉宽、间隔及次数的设定。
4.根据权利要求1所述的一种研究多液滴干涉撞壁的连续多液滴发生自动控制系统，其特征在于：所述液滴发生装置和脉冲控制系统的纽带是压电陶瓷片(4)；脉冲控制系统中软件和硬件相互配合，由电信号驱动转化成机械振动信号来完成瞬态连续多液滴的滴落；通过调控控制器(14)输出的多脉冲触发信号、驱动器(12)输出的多脉冲驱动电压和更换不同孔径的喷嘴(8)，可获得不同直径和不同相邻间隔的多液滴(17)连续滴落。
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