CN204788891U - 一种研究液滴运动与碰撞过程变化规律的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种研究液滴运动与碰撞过程变化规律的实验装置，包括单个液滴发生系统、液滴辐射场中运动研究系统、液滴碰撞规律研究系统以及参数测量记录系统；其中，液滴碰撞规律研究系统包括材料壁面升温模块、碰撞速度调节模块、碰撞角度调节模块；本实用新型可测量液滴粒径变化及速度变化，研究液滴在模拟火场(辐射场)中的运动规律，可微观研究液滴以不同入射角度、入射速度碰撞材料的铺展、飞溅及回弹等规律，可微观研究液滴与不同表面温度材料碰撞的铺展、飞溅及回弹等规律。

Description

一种研究液滴运动与碰撞过程变化规律的实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种研究液滴运动以及与壁面碰撞过程变化规律的实验装置，主要涉及液滴在外界辐射、壁面温度、碰撞速度、碰撞角度等多种参数的运动与碰撞过程。

背景技术

水喷淋灭火技术因其无污染、灭火效率高已广泛用于消防安全系统。但对于一些特定场合如高层建筑外立面火灾、航天飞机火灾等，由于水流量、水泵压力所限，其灭火难度大，即如何实现最小的水量扑救火灾显得尤为重要。液滴在由火灾产生的辐射场中蒸发及在燃烧材料壁面碰撞均有质量损失，需对水喷淋系统进行优化，优化喷淋系统的基本出发点是掌握液滴喷出后运动变化及液滴与材料壁面碰撞规律。液滴与材料壁面碰撞规律与液滴碰撞速度、入射角度及材料壁面温度有关。目前许多国内外学者在研究不同粒径液滴碰撞水平放置固体表面后形态变化，其实验装置实现方式：将液滴置于一定高度，固体材料水平放置并正对液滴，用高速摄像机记录碰撞过程。因其液滴自由下落距离有限，导致液滴运动速度可变范围减少，该实验装置不能研究不同液滴速度、液滴与固体碰撞角度、固体材料壁面温度等参数下碰撞规律。此外，目前主要通过数值模拟方法研究液滴在空气中运动规律及形态变化，开展模拟火场辐射场强度对液滴运动规律的实验研究则较少涉及。

发明内容

为了研究液滴在模拟火场中运动规律及微观研究液滴与材料壁面碰撞规律，本实用新型提供了一种研究液滴运动与碰撞过程变化规律的实验装置，主要实现以下功能：研究液滴在热辐射场中的运动规律，微观研究液滴与材料壁面以不同速度碰撞规律，微观研究液滴与材料壁面以不同入射角度的碰撞规律以及微观研究液滴与不同温度的材料壁面碰撞规律。

本实用新型所采用的技术方案是：一种研究液滴运动与碰撞过程变化规律的实验装置，包括单个液滴发生系统、液滴辐射场中运动研究系统、液滴碰撞规律研究系统以及参数测量记录系统。其中，液滴碰撞规律研究系统包括材料壁面升温模块、碰撞速度调节模块、碰撞角度调节模块。

所述的单个液滴发生系统包括支架与液滴发生器，所述支架可通过上下调节实现改变液滴自由下落距离功能。所述液滴发生器可以产生均一的单个液滴。

所述的辐射系统包括计算机、上部弧形腔体、温度控制器、电热丝与辐射系统线路；所述电热丝均匀镶嵌在弧形腔体中间位置，通过辐射系统线路连至温度控制器，所述弧形腔体由钢板外加3mm厚耐火板焊接而成，弧形前端为开口，供测量系统采集数据；实验事先标定液滴不同位置的辐射强度与电流、电热丝温度关系并通过所述计算机软件实时监控电热丝温度变化。所述温度控制器可实现在达到预设温度后自动断电、低于预设温度自动通电加热的功能。

所述的材料壁面升温模块包括计算机、材料板、温度控制器、电热棒、热电偶与升温模块线路。所述材料板与飞轮相连，所述材料板为方体，其前表面钻有7个插孔，第3个插孔与第5个插孔是热电偶插孔，所述热电偶插孔从材料板前表面中间斜向上至材料碰撞壁面，所述热电偶可实时测量材料壁面温度；所述电热棒沿其余5个插孔水平插入材料板内部，实现对材料板加热功能；并通过所述材料壁面升温模块线路连至温度控制器，实验事先标定电流与电热棒温度、材料壁面温度间关系并通过所述计算机实时监控材料壁面温度，所述温度控制器可实现在达到预设温度值后自动断电、低于预设温度自动通电加热功能。

所述的碰撞速度调节模块包括电动机、飞轮、材料板。所述电动机与所述飞轮通过连动杆相连，所述连动杆末端焊接呈片状钢板，所述钢板各角落钻有小孔并通过螺栓连接；所述材料板安装在飞轮右侧面水平位置，即保持所述飞轮左侧0°刻度线水平，并通过螺栓将其与飞轮固定。

所述碰撞角度模块包括飞轮，材料板。所述飞轮表面左侧标有刻度，通过旋转所需刻度至水平位置即可实现改变碰撞角度，假设刻度显示α，则液滴碰撞入射角度为：θ＝90°-α。液滴与材料碰撞点上升了为保证液滴自由下落时间一致，以排除碰撞速度带来的干扰，可调节液滴发生系统支架高度，支架高度应调节所述飞轮表面刻度线下钻有供固定飞轮的小孔，通过螺栓连至石膏板墙体使飞轮固定。

所述的参数测量记录系统包括高速摄像机及高速显微摄像机。所述高速摄像机用于测量记录液滴在模拟火场中运动规律，所述高速显微摄像机微观记录液滴碰撞材料液滴铺展、飞溅及回弹等规律。

其中，所述的碰撞速度调节模块调整液滴与材料壁面碰撞速度方法：假设液滴与材料壁面间距为H，所述材料板长L，宽W，厚△，所述飞轮为圆盘，其半径R，厚δ；通过调节使所述飞轮0°保持水平，液滴与材料板撞击点正好位于材料壁面正中间，液滴自由落体到达材料壁面时间液滴速度g为重力加速度，根据t调整所述材料壁面速度，所述电动机t时间内转动圈数N，其转动周期T满足对应角速度为材料壁面中心处角速度也为ω，线速度为液滴撞击材料壁面相对速度 $v^{\′}=v+v_2=\sqrt{2\mathrm{gH}}+2\mathrm{\πN}\sqrt{\frac{g}{2H}}(R+\frac{L}{2}).$

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型可测量液滴粒径变化及速度变化，研究液滴在模拟火场(辐射场)中的运动规律；

(2)本实用新型可微观研究液滴以不同入射角度碰撞材料的铺展、飞溅及回弹等规律；

(3)本实用新型可微观研究液滴以不同入射速度碰撞材料的铺展、飞溅及回弹等规律；

(4)本实用新型可微观研究液滴与不同表面温度材料碰撞的铺展、飞溅及回弹等规律；

(5)本实用新型为深入了解喷淋抑制固体火蔓延及熄灭的规律提供有力基础，对高层建筑外立面火灾喷淋优化研究领域提供实验支撑，具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本实用新型的实验装置各系统组成示意图；

图2为本实用新型的研究液滴运动与碰撞过程变化规律的实验装置示意图；

图3为本实用新型的实验装置中飞轮系统结构示意图。

图中：1、上部弧形腔体，2、电热丝，3、液滴发生器支架，4、液滴发生器，5、下部实验台，6、材料板，7、电热棒，8、热电偶，9、按钮，10、飞轮，11、连线孔，12、销钉，13、石膏板墙体，14、连通管，15、温度控制器，16、温度控制器，17、电动机，18、升温模块线路，19、辐射系统线路，20、计算机，21、高速显微摄像机，22、高速摄像机，23、电动机连动杆，24、飞轮连接杆，25、螺栓。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及附图对本实用新型进一步说明。

如图1所示，一种研究液滴运动与碰撞过程变化规律的实验装置，包括液滴发生系统、液滴辐射场中运动研究系统、液滴碰撞规律研究系统以及参数测量记录系统。其中，液滴碰撞规律研究系统包括材料壁面升温模块、碰撞速度调节模块、碰撞角度调节模块。所述单个液滴发生系统产生单个液滴进入液滴辐射场运动研究系统，通过参数测量记录系统记录单个液滴的速度、粒径大小变化；所述液滴进入所述液滴碰撞研究系统三个模块中任意一个，所述三个模块包括材料壁面升温模块、碰撞速度调节模块、碰撞角度调节模块，并且所述三个模块是并列的，任意一个模块激活，其他两个模块便处于不激活状态，通过所述参数测量记录系统记录液滴在材料板上的铺展、飞溅及回弹等规律。

所述的单个液滴发生系统包括支架与液滴发生器，所述支架可通过上下调节实现改变液滴自由下落距离功能。所述液滴发生器可以产生均一的单个液滴。

所述的辐射系统包括计算机、上部弧形腔体、温度控制器、电热丝与辐射系统线路；所述电热丝均匀镶嵌在弧形腔体中间位置，通过辐射系统线路连至温度控制器，所述弧形腔体由钢板外加3mm厚耐火板焊接而成，弧形前端为开口，供测量系统采集数据；实验事先标定液滴不同位置的辐射强度与电流、电热丝温度关系并通过所述计算机软件实时监控电热丝温度变化。所述温度控制器可实现在达到预设温度后自动断电、低于预设温度自动通电加热的功能。

所述的材料壁面升温模块包括计算机、材料板、温度控制器、电热棒、热电偶与升温模块线路。所述材料板与飞轮相连，所述材料板为方体，其前表面钻有7个插孔，第3个插孔与第5个插孔是热电偶插孔，所述热电偶插孔从材料板前表面中间斜向上至材料碰撞壁面，所述热电偶可实时测量材料壁面温度；所述电热棒沿其余5个插孔水平插入材料板内部，实现对材料板加热功能；并通过所述材料壁面升温模块线路连至温度控制器，实验事先标定电流与电热棒温度、材料壁面温度间关系并通过所述计算机实时监控材料壁面温度，所述温度控制器可实现在达到预设温度值后自动断电、低于预设温度自动通电加热功能。

所述的碰撞速度调节模块包括电动机、飞轮、材料板。所述电动机与所述飞轮通过连动杆相连，所述连动杆末端焊接呈片状钢板，所述钢板各角落钻有小孔并通过螺栓连接；所述材料板安装在飞轮右侧面水平位置，即保持所述飞轮左侧0°刻度线水平，并通过螺栓将其与飞轮固定。

所述的碰撞速度调节模块调整液滴与材料壁面碰撞速度方法：假设液滴与材料壁面间距为H，所述材料板长L，宽W，厚△，所述飞轮为圆盘，其半径R，厚δ；通过调节使所述飞轮0°保持水平，液滴与材料板撞击点正好位于材料壁面正中间，液滴自由落体到达材料壁面时间液滴速度g为重力加速度，根据t调整所述材料壁面速度，所述电动机t时间内转动圈数N，其转动周期T满足对应角速度为材料壁面中心处角速度也为ω，线速度为液滴撞击材料壁面相对速度 $v^{\′}=v+v_2=\sqrt{2\mathrm{gH}}+2\mathrm{\πN}\sqrt{\frac{g}{2H}}(R+\frac{L}{2}).$

所述碰撞角度模块包括飞轮，材料板。所述飞轮表面左侧标有刻度，通过旋转所需刻度至水平位置即可实现改变碰撞角度，假设刻度显示α，则液滴碰撞入射角度为：θ＝90°-α。液滴与材料碰撞点上升了为保证液滴自由下落时间一致，以排除碰撞速度带来的干扰，可调节液滴发生系统支架高度，支架高度应调节所述飞轮表面刻度线下钻有供固定飞轮的小孔，通过螺栓连至石膏板墙体使飞轮固定。

所述的参数测量记录系统包括高速摄像机及高速显微摄像机。所述高速摄像机用于测量记录液滴在模拟火场中运动规律，所述高速显微摄像机微观记录液滴碰撞材料液滴铺展、飞溅及回弹等规律。

如图2所示，所述的辐射系统包括液滴发生器4、上部弧形腔体1、电热丝2、辐射系统线路19、温度控制器器16及计算机20。系统具体实施方式为：调节液滴发生器4高度，打开计算机20，开启温度控制器16，设置电热丝2温度，并对其加热，计算机20实时监控电热丝温度，达预设温度后温度控制器16自动断电，低于该温度自动升温，开启液滴发生器4，产生所需粒径的单个液滴，液滴在上部弧形腔体1内自由下落，高速摄像机22拍摄记录液滴在辐射场中的液滴粒径、速度变化规律。

如图2所示，所述的材料升温模块包括液滴发生器4、飞轮10、材料板6、电热棒7、热电偶8、升温模块线路18、连线孔11、温度控制器15、计算机20。所述材料板6连接在飞轮10上，电热丝、热电偶连至升温模块线路18，升温模块线路18通过连线孔11及连通管14连至温度控制器15。模块具体实施方式为：调节液滴发生器4高度，打开计算机20，开启温度控制器15，设置电热棒7温度，并对其加热，计算机20通过实时监控热电偶8的温度，达预设温度后温度控制器15自动断电，低于该温度自动升温，开启液滴发生器4，产生所需粒径的单个液滴，液滴自由下落，高速显微摄像机21拍摄记录液滴在材料板6表面碰撞后铺展、飞溅及回弹等参数，改变温度控制器15的预设温度，继续加热电热棒7，重复实验。

如图2所示，所述的碰撞速度模块包括液滴发生器4、飞轮10、材料板6、连动杆23及24、电动机17。所述飞轮连动杆24透过墙体13的连通管14与电动机17的连动杆23相连，所述飞轮10与电机17的连动杆23及24通过螺栓25相连，模块具体实施方式为：调节液滴发生器4高度，根据所需速度v计算所需圈数并设定电动机17转动周期T，记录计算得到碰撞速度v'。同时开启液滴发生器4及电动机17，高速显微摄像机21收集记录液滴在材料板6表面碰撞后铺展、飞溅及回弹等参数，改变所需速度重复实验操作。

如图2所示，所述的碰撞角度模块包括飞轮10、插销12、按钮9、材料板6。模块具体实施方式为：根据所需碰撞角度θ，则飞轮10逆时针旋转角度θ＝90°-α，插上插销12，调节液滴发生器4高度，开启液滴发生器4，高速显微摄像机21收集记录液滴在材料板6表面碰撞后铺展、飞溅及回弹等参数，改变所需角度重复实验操作。

如图3所示，本实用新型的实验装置中飞轮系统包括飞轮10、材料板6、电热棒7、热电偶8、按钮9、连线孔11、销钉12及升温模块线路18。具体实施方式：所述材料板6与所述飞轮10通过上下两块钢板焊接相连且与飞轮0°刻度线成180度，所述飞轮刻度线下均钻有插孔，通过销钉12可与石膏板墙体13相连，所述飞轮正中心装有按钮9，通过所述按钮9逆时针旋转飞轮，所述材料板6钻有7个插孔，所述热电偶8插在第3个插孔及第5个插孔，其余的为所述电热棒7插孔，所述飞轮右边钻有连线孔11，升温模块线路18通过连线孔11连至所述温度控制器15。

Claims (1)

1.一种研究液滴运动与碰撞过程变化规律的实验装置，其特征在于：包括单个液滴发生系统、液滴辐射场中运动研究系统、液滴碰撞规律研究系统以及参数测量记录系统；其中，液滴碰撞规律研究系统包括材料壁面升温模块、碰撞速度调节模块、碰撞角度调节模块；

所述的单个液滴发生系统包括支架与液滴发生器，所述支架可通过上下调节实现改变液滴自由下落距离功能，所述液滴发生器可以产生均一的单个液滴；

所述的辐射系统包括计算机、上部弧形腔体、温度控制器、电热丝与辐射系统线路；所述电热丝均匀镶嵌在弧形腔体中间位置，通过辐射系统线路连至温度控制器，所述弧形腔体由钢板外加3mm厚耐火板焊接而成，弧形前端为开口，供测量系统采集数据；实验事先标定液滴不同位置的辐射强度与电流、电热丝温度关系并通过所述计算机软件实时监控电热丝温度变化，所述温度控制器可实现在达到预设温度后自动断电、低于预设温度自动通电加热的功能；

所述的材料壁面升温模块包括计算机、材料板、温度控制器、电热棒、热电偶与升温模块线路；所述材料板与飞轮相连，所述材料板为方体，所述材料板其前表面钻有7个插孔，第3个插孔与第5个插孔是热电偶插孔，所述热电偶插孔从材料板前表面中间斜向上至材料碰撞壁面，所述热电偶可实时测量材料壁面温度；所述电热棒沿其余5个插孔水平插入材料板内部，实现对材料板加热功能；并通过所述材料壁面升温模块线路连至温度控制器，实验事先标定电流与电热棒温度、材料壁面温度间关系并通过所述计算机实时监控材料壁面温度，所述温度控制器可实现在达到预设温度值后自动断电、低于预设温度自动通电加热功能；

所述的碰撞速度调节模块包括电动机、飞轮、材料板；所述电动机与所述飞轮通过连动杆相连，所述连动杆末端焊接呈片状钢板，所述钢板各角落钻有小孔并通过螺栓连接；所述材料板安装在飞轮右侧面水平位置，即保持所述飞轮左侧0°刻度线水平，并通过螺栓将其与飞轮固定；

所述碰撞角度模块包括飞轮，材料板，所述飞轮表面左侧标有刻度，通过旋转所需刻度至水平位置即可实现改变碰撞角度，假设刻度显示α，则液滴碰撞入射角度为：θ＝90°-α；液滴与材料碰撞点上升了为保证液滴自由下落时间一致，以排除碰撞速度带来的干扰，可调节液滴发生系统支架高度，支架高度应调节所述飞轮表面刻度线下钻有供固定飞轮的小孔，通过螺栓连至石膏板墙体使飞轮固定；

所述的参数测量记录系统包括高速摄像机及高速显微摄像机，所述高速摄像机用于测量记录液滴在模拟火场中运动规律，所述高速显微摄像机微观记录液滴碰撞材料液滴铺展、飞溅及回弹规律。