CN116203019A - 一种液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统及方法，涉及低温液滴撞击实验的技术领域，包用于供水的水箱、用于提供密闭空间的实验箱、用于拍摄的拍摄机构、用于调控实验温度的控温机构、用于调控实验湿度的控湿机构、用于调控样品温度的制冷机构、用于生成低温液滴的低温液滴生成机构、以及调控样品摆放状态的夹持机构，且该夹持机构用于控制样品升降、以竖向为转动中心进行转动、以及以横向为转动中心进行转动；即此方案实现了实验温度调控、实验湿度调控、以及液滴碰撞角度调控，模拟场景丰富多样，从而切实解决了现有技术模拟实验场景类型过少的问题。

Description

一种液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统及方法

技术领域

本发明涉及低温液滴撞击实验的技术领域，特别涉及一种液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统及方法。

背景技术

冻雨是初冬或冬末春初时节常见的一种灾害性天气，过冷状态的雨滴落在温度低于0℃的地面，立刻冻结成光滑透明的冰层。严重的冻雨灾害会使得输电线路大面积覆冰，面临倒塌、断电的威胁，或者动车组受电弓取流不畅，被迫降速，又或者气象监测设备失灵，甚至威胁飞机航行安全等。

冻雨环境下表面的结覆冰雪为我国的电力输运、铁路运输、气象监测、航空航天等领域提出了严峻的挑战，超疏水自清洁涂层表面由于可以排斥撞击表面的低温液滴而在防结冰领域展现良好的应用前景。然而现有的液滴撞击低温表面的测试装置存在诸多不足，例如液滴依靠下落过程与周围空气的换热无法控制液滴温度(CN105891206A、CN105865100A)；无法模拟实际低温冻雨工程应用过程中不同的温湿度环境(CN113489122A、CN114460125A)和液滴与表面的夹角(CN114354674A)，难以满足防结冰涂层的测试需求。

因此，现有技术并不能全面模拟各种实际环境，为此急需一种能够解决此问题的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统及方法，以解决现有技术模拟实验场景类型过少的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统，包括水箱、实验箱、拍摄机构、控温机构、控湿机构、夹持机构、制冷机构和低温液滴生成机构；所述水箱用于为液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统供水；所述实验箱内部设有实验腔，所述实验箱的侧壁设有用于观察所述实验腔的观察窗；所述拍摄机构设于所述实验箱外，所述拍摄机构的拍摄区域对准所述观察窗；所述控温机构用于调控所述实验腔的内部温度；所述控湿机构用于调控所述实验腔的内部湿度；所述夹持机构设于所述实验腔内，所述夹持机构设有用于夹持样品的试片夹，所述夹持机构用于控制所述样品升降、以竖向为转动中心进行转动、以及以横向为转动中心进行转动；所述制冷机构用于控制所述样品的温度；所述低温液滴生成机构设于所述实验箱的上部，所述低温液滴生成机构的出液口用于对准所述样品。

在其中一个实施例中，所述夹持机构还包括底座、竖向导向杆、支座和转动杆；所述底座上竖向设有所述竖向导向杆；所述竖向导向杆上安装有可沿其轴向升降的所述支座；所述支座上安装有可自转的所述转动杆；所述转动杆与所述竖向导向杆相互垂直，所述转动杆的端部设有所述试片夹。

在其中一个实施例中，所述底座为磁性表座，所述底座与所述实验腔内部磁性吸附。

在其中一个实施例中，所述拍摄机构包括相机光源、高速相机和计算机；所述相机光源的照射区域对准所述观察窗；所述高速相机的拍摄区域对准所述观察窗；所述计算机用于接收分析所述高速相机的拍摄内容。

在其中一个实施例中，所述控温机构包括温度传感器和制冷机组；所述温度传感器用于监测所述实验腔内的温度；所述制冷机组用于制冷调控所述实验腔内的温度。

在其中一个实施例中，所述控湿机构包括湿度传感器、蠕动泵和喷雾头；所述湿度传感器用于监测所述实验腔内的湿度；所述蠕动泵的进水端与所述水箱接通，所述蠕动泵的出水端与所述喷雾头接通；所述喷雾头设于所述实验腔内。

在其中一个实施例中，所述制冷机构包括贴片式温度传感器、半导体制冷片和散热风扇；所述贴片式温度传感器用于贴附于所述样品上；所述半导体制冷片的上方用于放置所述样品；所述散热风扇对准所述半导体制冷片的发热处。

在其中一个实施例中，所述低温液滴生成机构包括蠕动泵、探针式温度传感器和注射针头；所述蠕动泵的进水端与所述水箱接通，所述蠕动泵的出水端与所述注射针头接通；所述探针式温度传感器设于所述注射针头处，所述探针式温度传感器用于测量液滴的温度；所述注射针头设于所述实验腔内，所述注射针头的出液口用于对准所述样品。

在其中一个实施例中，所述观察窗的内部设有抽真空层，所述抽真空层用于进行抽真空加热处理。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统的应用方法，利用所述液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统改变实验温度、实验湿度和所述样品摆放角度进行实验。

本发明的有益效果如下：

由于所述控温机构用于调控所述实验腔的内部温度，所以实验温度的调控则得以实现，而所述控湿机构用于调控所述实验腔的内部湿度，则实现了实验湿度的调控，而所述夹持机构用于控制所述样品升降、以竖向为转动中心进行转动、以及以横向为转动中心进行转动，则实现了各种碰撞角度的调控模拟，从而切实解决了现有技术模拟实验场景类型过少的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的结构示意图；

图2是本发明实验场景一的拍摄图；

图3是本发明实验场景二的拍摄图；

图4是本发明实验场景三的拍摄图。

附图标记如下：

10、水箱；

20、实验箱；21、实验腔；22、观察窗；23、进气口；24、样品表面温度控制面板；25、箱体温湿度控制面板；

30、拍摄机构；31、相机光源；32、高速相机；33、计算机；

40、夹持机构；41、试片夹；42、底座；43、竖向导向杆；44、支座；45、转动杆；

50、制冷机构；51、半导体制冷片；52、散热风扇；

60、低温液滴生成机构；61、注射针头；62、硅胶软管；63、循环水路；

70、样品；

80、制冷机组；

91、蠕动泵；92、喷雾头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统，其实施例如图1所示，包括水箱10、实验箱20、拍摄机构30、控温机构、控湿机构、夹持机构40、制冷机构50和低温液滴生成机构60。

有关所述水箱10，其作用是将自身作用液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统的水源，譬如控湿机构可以从水箱10获取水源，以进行实验箱20内部的湿度调控，而低温液滴生成机构60则可从水箱10获取水源，以进行低温液滴的生成；因此对于水箱10的设置并无特殊要求，只需确保水箱10用于为液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统供水即可。

有关所述实验箱20，其主要为实验提供一个相对密闭的环境，并且要便于收集相关实验数据，所以此实施例的实验箱20内部设有实验腔21，实验箱20的侧壁设有用于观察实验腔21的观察窗22。

其中，由于实验腔21内的温度较低，所以为避免起雾而影响观察，此实施例在观察窗22的内部设有抽真空层，抽真空层用于进行抽真空加热处理，以防止雾气的形成。

譬如可设置观察窗22由内外两块透明玻璃组成，两块透明玻璃之间留有空间以形成抽真空层，此时利用抽真空装置对抽真空层进行抽真空处理，以及应用相关设备将热量输送至抽真空层内，则可抑制观察窗22起雾结霜。

而且为了进一步抑制雾气的形成，此实施例还在实验箱20底部设置有进气口23，在实验箱20顶部设置有散热口，确保了实验箱20内部的空气流通，从而减少了雾气的形成。

另外，实验箱20上还设有样品表面温度控制面板24和箱体温湿度控制面板25，即样品表面温度控制面板24用于对制冷机构50进行调控，以实现对样品70的温度控制，而箱体温湿度控制面板25则用于对控温机构和控湿机构进行调控，以实现实验腔21内的温度调控和湿度调控。

有关所述拍摄机构30，其主要作用是拍摄低温液滴与样品70的撞击过程，所以为确保拍摄效果的良好，此实施例将拍摄机构30设于实验箱20外，并利用拍摄机构30的拍摄区域对准观察窗22。

具体的，此实施例的拍摄机构30包括相机光源31、高速相机32和计算机33；相机光源31的照射区域对准观察窗22；高速相机32的拍摄区域对准观察窗22；计算机33用于接收分析高速相机32的拍摄内容。

譬如可以利用补光灯作为相机光源31，补光灯射出的光线穿过观察窗22照射至样品70所在处，则可使得样品70所在环境光线充足，保证了低温液滴与样品70碰撞时的拍摄质量。

而高速相机32主要需要进行连续高速的拍摄，所以利用相机支架将高速相机32固定后，则能够利用高速相机32对低温液滴与样品70的碰撞过程进行完整的拍摄。

而计算机33在接收高速相机32的拍摄内容后，不但可以对拍摄内容进行存储，而且还可以实时观测、记录实验低温表面液滴的撞击行为，以便于进行相关的实验分析处理。

有关所述控温机构，其用于调控实验腔21的内部温度，所以为实现此目的，此实施例设置控温机构包括温度传感器和制冷机组80，温度传感器用于监测实验腔21内的温度，制冷机组80用于制冷调控实验腔21内的温度。

譬如温度传感器可以设于实验腔21内，以便直观监测实验腔21内的环境温度，为实验腔21内的温度调控提供准确的参考基准。

而制冷机组80可以利用空气循环管路与实验箱20连通，以便产生的冷气直接输送实验腔21内，通过调控不同的制冷量，则可实现实验腔21内的温度调控。

有关所述控湿机构，其用于调控实验腔21的内部湿度，所以为实现此目的，此实施例设置控湿机构包括湿度传感器、蠕动泵91和喷雾头92，湿度传感器用于监测实验腔21内的湿度，蠕动泵91的进水端与水箱10接通，蠕动泵91的出水端与喷雾头92接通，喷雾头92设于实验腔21内。

譬如湿度传感器可以设于实验腔21内，以便直观监测实验腔21内的环境湿度，为实验腔21内的湿度调控提供准确的参考基准。

而此时的蠕动泵91和喷雾头92均设于实验箱20的顶部，且蠕动泵91设于实验箱20的外部，喷雾头92设于实验箱20的内部；其中，可设置喷雾头92的输入端连接有喷雾水量控制器和喷雾压力控制器，喷雾水量控制器接通于蠕动泵91与喷雾头92连接的通路上，喷雾压力控制器则经由气管依次连接空气处理器和空气压缩器，以此实现喷雾量的大小调控；譬如水量越大、压力越大，则喷雾量越大、且湿度越高，反之则喷雾量越小、且湿度越低。

有关所述夹持机构40，其设于实验腔21内，夹持机构40设有用于夹持样品70的试片夹41，夹持机构40用于控制样品70升降、以竖向为转动中心进行转动、以及以横向为转动中心进行转动。

为实现上述效果，此实施例设置夹持机构40还包括底座42、竖向导向杆43、支座44和转动杆45，底座42上竖向设有竖向导向杆43，竖向导向杆43上安装有可沿其轴向升降的支座44，支座44上安装有可自转的转动杆45，转动杆45与竖向导向杆43相互垂直，转动杆45的端部设有试片夹41。

其中，支座44为近似抱箍的结构，其通过对竖向导向杆43夹持实现固定；譬如当需要调节样品70高度时，可以对支座44进行拧松操作，从而使得支座44能够带动样品70进行上下移动，待移动至所需位置后，只要对支座44进行拧紧操作，则可实现样品70调节高度的固定；而且在对支座44进行拧松操作后，支座44实质还可以竖向导向杆43为转动中心进行转动，此转动即实现了样品70以竖向为转动中心进行转动，同样在转动调节完毕后进行相应拧紧固定即可。

而转动杆45与支座44间可采用类似套管的结构实现转动；譬如可在支座44上引出一横向布置的杆体，然后利用转动杆45一端挖空套于该杆体外，两者之间利用螺钉转动实现固定，即螺钉穿过转动杆45的周壁与杆体的周壁抵接，当螺钉拧松后，转动杆45则可以杆体为转动中心进行自转，当螺钉拧紧后，转动杆45则无法实现转动，从而实现了样品70以横向为转动中心进行转动的目的。

同理，试片夹41可设置为由两相对布置的夹板组成，两夹板利用螺杆穿接为一体，通过拧动螺杆实现两夹板的间距调节，以此满足了对样品70的夹持需求。

还需指出，此实施例还设置底座42为磁性表座，底座42与实验腔21内部磁性吸附；由于磁性表座具备带磁和无磁两种状态切换的功能，所以需要固定磁性表座时，只需将其切换至带磁状态，而需要调整安装位置时，只需将其切换为无磁状态，从而为实验过程带来了极大的便利。

有关所述制冷机构50，其用于控制样品的温度，所以为实现此目的，此实施例设置制冷机构50包括贴片式温度传感器、半导体制冷片51和散热风扇52，贴片式温度传感器用于贴附于样品70上，半导体制冷片51的上方用于放置样品70，散热风扇52对准半导体制冷片51的发热处。

譬如可以将半导体制冷片51与散热风扇52设置于样品下方，通过导线依次连接实验箱20外的直流电源、固态继电器、温度控制器等，以用于实现样品70表面的温度控制；其中，还可在固态继电器下方涂有散热硅脂并加装散热器。

有关所述低温液滴生成机构60，其设于实验箱20的上部，低温液滴生成机构60的出液口用于对准样品70，以用于实现低温液滴的生成，所以为实现此目的，此实施例设置低温液滴生成机构60包括蠕动泵91、探针式温度传感器和注射针头61，蠕动泵91的进水端与水箱10接通，蠕动泵91的出水端与注射针头61接通，探针式温度传感器设于注射针头61处，探针式温度传感器用于测量液滴的温度，注射针头61设于实验腔21内，注射针头61的出液口用于对准样品70。

譬如此时低温液滴生成机构60可以与控湿机构共用相同的蠕动泵91，只要确保蠕动泵91的出水端与注射针头61接通即可，譬如两者间利用硅胶软管62连接便是一种可行的实施方式。

另外，还可利用蠕动泵91与循环水路63接通，以控制循环水路63内部进行水流的循环流动，此时由于循环水路63缠绕于硅胶软管62后，所以则可保证低温实验介质不结冰，确保了低温液滴的形成。

具体的，此实施例的操作过程大致如下：

步骤一、采用试片夹41固定试验样品，调整实验角度，随后打开高速相机32和相机光源31，聚焦样品，并利用塑料保护壳完全覆盖样品，选用液滴直径为2.5mm所对应的注射针头61，固定调节支座44使得注射针头61位移样品上方2cm，对应的韦伯数We＝ρv²D/γ＝21.26，打开磁性表座固定夹持机构40的安装位置，旋转试片夹41使得表面倾斜45°，随后关闭实验箱20的箱门；

步骤二、设定实验腔21内的环境温度为-10℃，待到环境温度稳定后，打开控湿机构，将环境湿度维持在50-60RH％，并打开制冷机构50，将样品表面温度设置为-15℃，等待环境温湿度和样品表面温度趋于稳定；

步骤三、打开高速相机32图像采集计算机33存储功能，设定存储帧率为2000帧/秒，随后移开试验样品表面的塑料保护壳，打开低温液滴生成机构60，根据不同环境温度调节循环水流量保证液滴温度维持在0-1℃，随后液滴在重力的作用下脱离注射针头61，待到液滴完成撞击表面后，关闭计算机33存储功能，关闭蠕动泵91，完成对低温液滴撞击倾斜试验样品过程的观测与记录；

步骤四、试验结束后擦干试验样品及试验平台，打开箱门保持实验箱20干燥待下次使用，采用imageJ对高速相机32采集的图像数据进行定性定量分析。

更具体，下文还提供了三种实验场景的模拟，具体如下：

场景一

图2是测试室温下水滴以We＝42.1撞击倾斜45°超疏水自清洁涂层表面后的过程。固定调节支座44使得液滴We＝42.1，旋转试片夹41使得样品表面倾斜45°，打开高速相机32图像采集计算机33存储功能，设定存储帧率为2000帧/秒，打开蠕动泵91生成液滴并实时记录液滴撞击表面的过程，随后关闭蠕动泵91及计算机33，打开箱门保持干燥。液滴在0ms撞击表面进入铺展过程，在惯性力的压力下不断形成椭圆状液膜润湿表面并沿斜面向下滑移，至6ms时刻达到最大铺展面积，随后液膜沿横向迅速收缩，收缩前沿不断回收中心液膜增厚，并在15ms时刻接触面积减少至0，弹跳脱离表面。

场景二

图3是测试低温环境下水滴撞击超疏水自清洁涂层表面的过程，固定调节支座44使得液滴We＝52.5，调整试片夹41使得样品保持水平，实验箱20设置环境为-5℃，<20RH％，制冷机构50设置表面温度分别为-19℃和-30℃，打开高速相机32图像采集计算机33存储功能，设定存储帧率为2000帧/秒，低温液滴生成机构60设置循环水流量为3L/h，使得撞击液滴温度保持在0℃且不结冰，打开蠕动泵91生成液滴并实时记录液滴撞击表面的过程，随后关闭蠕动泵91及计算机33，打开箱门保持干燥。液滴撞击低温表面后于-19℃表面顺利铺展、收缩、弹跳；而在-30℃表面收缩过程在-26ms停止，最终沉积在表面。采用imageJ对撞击过程定量分析，结果表明液滴撞击-19℃及-30℃超疏水自清洁涂层表面的最大铺展直径分别为液滴初始直径的2.21和2.07倍，撞击-19℃表面液滴的弹跳时间为30ms，最大弹跳恢复高度为初始高度的0.45。

场景三

图4是测试低温环境下水滴撞击亲水裸铝基材表面的过程，固定调节支座44使得液滴We＝75.5，调整试片夹41使得样品保持水平，实验箱20设置环境为-5℃，待到环境温度稳定后于试片表面覆盖塑料保护壳，打开控湿机构，维持环境湿度为50RH％，制冷机构50设置表面温度为-10℃，打开高速相机32图像采集计算机33存储功能，设定存储帧率为2000帧/秒，移出塑料保护壳，低温液滴生成机构60设置循环水流量为3L/h，使得撞击液滴温度保持在0℃且不结冰，打开蠕动泵91生成液滴并实时记录液滴撞击表面的过程，随后关闭蠕动泵91及计算机33，打开箱门保持干燥。液滴以We＝75.5撞击裸铝基材表面后在8ms达到最大铺展面积，在随后的收缩过程中接触线几乎不移动，最终保持较大的铺展面积沉积在表面。

即本发明还提供了一种液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统的应用方法，利用所述液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统改变实验温度、实验湿度和所述样品摆放角度进行实验。

譬如再此实施例中，能够通过模拟不同温度、湿度的低温冻雨环境，测试不同温度、基材、润湿性、表面粗糙度及表面特性的样品表面的低温液滴撞击结冰行为，使得多种多样的场景模拟得以实现，从而切实解决了现有技术模拟实验场景类型过少的问题。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统，其特征在于，

包括水箱、实验箱、拍摄机构、控温机构、控湿机构、夹持机构、制冷机构和低温液滴生成机构；

所述水箱用于为液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统供水；

所述实验箱内部设有实验腔，所述实验箱的侧壁设有用于观察所述实验腔的观察窗；

所述拍摄机构设于所述实验箱外，所述拍摄机构的拍摄区域对准所述观察窗；

所述控温机构用于调控所述实验腔的内部温度；

所述控湿机构用于调控所述实验腔的内部湿度；

所述夹持机构设于所述实验腔内，所述夹持机构设有用于夹持样品的试片夹，所述夹持机构用于控制所述样品升降、以竖向为转动中心进行转动、以及以横向为转动中心进行转动；

所述制冷机构用于控制所述样品的温度；

所述低温液滴生成机构设于所述实验箱的上部，所述低温液滴生成机构的出液口用于对准所述样品。

2.根据权利要求1所述的液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统，其特征在于，

所述夹持机构还包括底座、竖向导向杆、支座和转动杆；

所述底座上竖向设有所述竖向导向杆；

所述竖向导向杆上安装有可沿其轴向升降的所述支座；

所述支座上安装有可自转的所述转动杆；

所述转动杆与所述竖向导向杆相互垂直，所述转动杆的端部设有所述试片夹。

3.根据权利要求2所述的液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统，其特征在于，所述底座为磁性表座，所述底座与所述实验腔内部磁性吸附。

4.根据权利要求1所述的液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统，其特征在于，

所述拍摄机构包括相机光源、高速相机和计算机；

所述相机光源的照射区域对准所述观察窗；

所述高速相机的拍摄区域对准所述观察窗；

所述计算机用于接收分析所述高速相机的拍摄内容。

5.根据权利要求1所述的液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统，其特征在于，

所述控温机构包括温度传感器和制冷机组；

所述温度传感器用于监测所述实验腔内的温度；

所述制冷机组用于制冷调控所述实验腔内的温度。

6.根据权利要求1所述的液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统，其特征在于，

所述控湿机构包括湿度传感器、蠕动泵和喷雾头；

所述湿度传感器用于监测所述实验腔内的湿度；

所述蠕动泵的进水端与所述水箱接通，所述蠕动泵的出水端与所述喷雾头接通；

所述喷雾头设于所述实验腔内。

7.根据权利要求1所述的液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统，其特征在于，

所述制冷机构包括贴片式温度传感器、半导体制冷片和散热风扇；

所述贴片式温度传感器用于贴附于所述样品上；

所述半导体制冷片的上方用于放置所述样品；

所述散热风扇对准所述半导体制冷片的发热处。

8.根据权利要求1所述的液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统，其特征在于，

所述低温液滴生成机构包括蠕动泵、探针式温度传感器和注射针头；

所述蠕动泵的进水端与所述水箱接通，所述蠕动泵的出水端与所述注射针头接通；

所述探针式温度传感器设于所述注射针头处，所述探针式温度传感器用于测量液滴的温度；

所述注射针头设于所述实验腔内，所述注射针头的出液口用于对准所述样品。

9.根据权利要求1所述的液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统，其特征在于，所述观察窗的内部设有抽真空层，所述抽真空层用于进行抽真空加热处理。

10.一种液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统的应用方法，其特征在于，利用所述液滴撞击过冷表面结冰测试装置系统改变实验温度、实验湿度和所述样品摆放角度进行实验。

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