低温液滴撞击刚性壁面实验装置论文和设计-赵可

全文摘要

本实用新型提供低温液滴撞击刚性壁面实验装置，所述实验装置包括液氮供液系统、撞击腔系统、低温液滴发生器、可视化和数据采集系统；所述液氮供液系统包括液氮管路和排空旁路，所述撞击腔系统外壳由绝热层和预冷通道构成，并与真空泵、压力传感器、温度传感器连接，内部包含高度可调的刚性被撞击壁面、标尺、低温液滴发生器，所述可视化和数据采集系统包含数据采集器、光源和高速摄像机。本实用新型利用液氮迅速蒸发的低温蒸气经过预冷通道对撞击腔内部预冷，实现液氮的多级利用；通过调整液氮供液压力、90°弯管管径大小以及刚性被撞击壁面高度改变液滴直径和撞击速度的大小，利用高速摄像机捕捉液滴撞击过程。

主设计要求

1.一种低温液滴撞击刚性壁面实验装置，其特征在于，该实验装置包括撞击腔（23）；撞击腔（23）外层由内向外依次设置预冷通道（14）、真空层（13）、保温层（12）；所述预冷通道（14）内壁设置有使撞击腔（23）和预冷通道（14）相通的入口，预冷通道（14）外壁设置有出口，出口通过管道依次穿过真空层（13）、保温层（12）与外部真空泵（19）连接；上述撞击腔（23）内安装有柱形液氮容器（20）、90°弯管（15）和刚性被撞击面（18）；所述柱形液氮容器（20）和90°弯管（15）构成低温液滴发生器；90°弯管（15）的水平管部分嵌入柱形液氮容器（20）的侧壁；90°弯管（15）的竖直管部分位于撞击腔（23）水平方向中心，刚性被撞击面（18）位于其正下方；撞击腔（23）内部还安装有温度传感器（21）、压力传感器（3）、标尺（17）、光源（22）、高速摄像机（16）和数据采集器（24）；数据采集器（24）与温度传感器（21）和压力传感器（3）以及高速摄像机（16）连接；该实验装置还包括高压氮气瓶（1）；高压氮气瓶（1）出口通过减压阀（2）、压力传感器（3）后分别连接排空旁路（7）和液氮管路（8）两个支路；两个支路合并后与液氮池（10）入口连接；所述排空旁路（7）上设置截止阀（4），所述液氮管路（8）上依次设置截止阀（4）、液氮杜瓦罐（5）、低温电磁阀（9）；所述液氮池（10）出口经过流量计（11）后连接上述撞击腔（23）内部的柱形液氮容器（20）；所述流量计（11）与柱形液氮容器（20）之间的管道依次穿过保温层（12）、真空层（13）、预冷通道（14）；上述液氮杜瓦罐（5）顶部接有泄压阀（6）和压力传感器（3）。

设计方案

1.一种低温液滴撞击刚性壁面实验装置，其特征在于，

该实验装置包括撞击腔（23）；撞击腔（23）外层由内向外依次设置预冷通道（14）、真空层（13）、保温层（12）；所述预冷通道（14）内壁设置有使撞击腔（23）和预冷通道（14）相通的入口，预冷通道（14）外壁设置有出口，出口通过管道依次穿过真空层（13）、保温层（12）与外部真空泵（19）连接；

上述撞击腔（23）内安装有柱形液氮容器（20）、90°弯管（15）和刚性被撞击面（18）；所述柱形液氮容器（20）和90°弯管（15）构成低温液滴发生器；90°弯管（15）的水平管部分嵌入柱形液氮容器（20）的侧壁；90°弯管（15）的竖直管部分位于撞击腔（23）水平方向中心，刚性被撞击面（18）位于其正下方；撞击腔（23）内部还安装有温度传感器（21）、压力传感器（3）、标尺（17）、光源（22）、高速摄像机（16）和数据采集器（24）；数据采集器（24）与温度传感器（21）和压力传感器（3）以及高速摄像机（16）连接；

该实验装置还包括高压氮气瓶（1）；高压氮气瓶（1）出口通过减压阀（2）、压力传感器（3）后分别连接排空旁路（7）和液氮管路（8）两个支路；两个支路合并后与液氮池（10）入口连接；所述排空旁路（7）上设置截止阀（4），所述液氮管路（8）上依次设置截止阀（4）、液氮杜瓦罐（5）、低温电磁阀（9）；所述液氮池（10）出口经过流量计（11）后连接上述撞击腔（23）内部的柱形液氮容器（20）；所述流量计（11）与柱形液氮容器（20）之间的管道依次穿过保温层（12）、真空层（13）、预冷通道（14）；上述液氮杜瓦罐（5）顶部接有泄压阀（6）和压力传感器（3）。

2.根据权利要求1所述的低温液滴撞击刚性壁面实验装置，其特征在于：所述柱形液氮容器（20）材料为聚四氟乙烯，规格为D=3 cm、H=3 cm，所述90°弯管（15）底部被焊料堵住，中间外壁开有小孔，材料为不锈钢，管径在0.5～3 mm内大小可调。

3.根据权利要求1所述的低温液滴撞击刚性壁面实验装置，其特征在于：所述刚性被撞击面（18）高度可调，壁面面积1 cm ^{2<\/sup>，材料为紫铜，标尺（17）垂直固定在刚性被撞击面（18）上。}

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及低温液滴撞击刚性壁面实验装置，本实用新型还涉及该装置的操作方法，具有绝热性能优越、低温液滴直径和速度可控、撞击过程可视化等特点。

背景技术

目前，喷雾冷却为极具潜力的高效冷却方式，其过程涉及单液滴撞击壁面、液滴与液滴及液滴与液膜之间相互作用，属于复杂的多相流问题，这就需要在简化的流动几何条件下对其流体动力学进行基础研究。尽管喷雾冷却并不能表达为单个液滴撞击壁面的机械相加，但是单液滴撞击刚性壁面已被广泛地用于描述喷雾冲击的过程并预测其结果。

单液滴撞击刚性壁面的动力学及热力学实验研究多以水、乙醇溶液、柴油、丁烷等常温介质为主，通过注射器产生小液滴；由于液氮等低温工质在常压下沸点较低，采用上述传统方式产生低温液滴在注射器针孔底部立即蒸发完全，无法形成稳定液滴，导致采用传统实验装置无法开展低温液滴撞击刚性壁面的实验研究。

实用新型内容

本实用新型目的在于解决传统实验装置难以开展低温液滴撞击刚性壁面的实验研究的问题，提供低温液滴撞击刚性壁面实验装置，便于开展低温液滴撞击刚性壁面的动力学及热力学特性的基础性研究，具有撞击腔绝热性能优异、低温液滴直径和速度可控、撞击过程可视化等特点。

该实验装置包括撞击腔；撞击腔外层由内向外依次设置预冷通道、真空层、保温层；所述预冷通道内壁设置有使撞击腔和预冷通道相通的入口，预冷通道外壁设置有出口，出口通过管道依次穿过真空层、保温层与外部真空泵连接；

上述撞击腔内安装有柱形液氮容器、90°弯管和刚性被撞击面；所述柱形液氮容器和90°弯管构成低温液滴发生器；90°弯管的水平管部分嵌入柱形液氮容器的侧壁；90°弯管的竖直管部分位于撞击腔水平方向中心，刚性被撞击面位于其正下方；撞击腔内部还安装有温度传感器、压力传感器、标尺、光源、高速摄像机和数据采集器；数据采集器与温度传感器和压力传感器以及高速摄像机连接；

该实验装置还包括高压氮气瓶；高压氮气瓶出口通过减压阀、压力传感器后分别连接排空旁路和液氮管路两个支路；两个支路合并后与液氮池连接；所述排空旁路上设置截止阀，所述液氮管路上依次设置截止阀、液氮杜瓦罐、低温电磁阀；所述液氮池出口经过流量计后连接上述撞击腔内部的柱形液氮容器；所述流量计与柱形液氮容器之间的管道依次穿过保温层、真空层、预冷通道；上述液氮杜瓦罐顶部接有泄压阀和压力传感器。

本实用新型还涉及低温液滴撞击刚性壁面实验装置的使用方法，该方法步骤如下：

在实验开始前，除泄压阀之外所有阀门均处于关闭状态。

步骤一，首先开启光源和高速摄像机，调整撞击腔内90°弯管下端距刚性被撞击面的距离，固定高度，依次打开减压阀和排空旁路的截止阀，使氮气依次通过排空旁路、液氮池、流量计、柱形液氮容器、90°弯管进入撞击腔内部，从而排除撞击腔内的空气；

步骤二，启动真空泵，维持撞击腔内压力在1 MPa附近，持续排空过程至撞击腔内空气完全置换成氮气；

步骤三，关闭排空旁路的截止阀，开启液氮管路的截止阀和低温电磁阀，使液氮杜瓦罐内的液氮在高压氮气的作用下排入液氮管路，液氮先经过液氮池预冷至78 K附近，通过流量计测量液氮进入低温液滴发生器时的体积流率，记录体积流率；

步骤四，为防止产生的液氮滴快速气化，无法以液滴的形式撞击刚性被撞击面，必须先向撞击腔内喷射液氮，降低撞击腔内部环境温度，调节减压阀、90°弯管直径大小控制液氮体积流率，一旦管壁冷却，液体通过90°弯管的开孔溢出到管的外表面，积聚在焊接端，并在重力作用下脱离形成液滴，记录撞击腔内压力及温度；

步骤五，利用高速摄像机和标尺标定液滴直径，计算撞击初速度，捕捉液滴撞击刚性被撞击面后的运动行为以及蒸发过程。

所述高压氮气瓶内的氮气将存贮在液氮杜瓦罐内的液氮排入液氮管路经液氮池预冷后进入低温液滴发生器，液氮通过90°弯管的开孔溢出到管的外表面，积聚在焊接端，并在自身重量下分离，形成稳定的液氮滴，液氮滴垂直向下作自由落体运动最后与刚性被撞击面发生撞击；一方面，由于液氮沸点较低，必须将撞击腔内的空气排出，否则容易在90°弯管的开孔处发生冰堵，另一方面，环境温度相对较高，液氮雾化后即快速蒸发并大量产生低温蒸气，撞击腔内压力增大，迫使低温蒸气经预冷通道入口进入预冷通道并绕撞击腔一周后排除腔外，可以有效对撞击腔内进行预冷，抑制液滴在撞击刚性壁面之前快速蒸发完全。

所述柱形液氮容器和90°弯管构成低温液滴发生器，所述柱形液氮容器材料为聚四氟乙烯，规格为D=3 cm、H=3 cm，所述90°弯管底部被焊料堵住，中间外壁开有小孔，材料为不锈钢，管径在0.5～3 mm内大小可调，通过更换不同管径的弯管可以控制低温液滴直径的大小。

所述刚性被撞击面高度可调，壁面面积1 cm ^{2<\/sup>，材料为紫铜，标尺垂直固定在刚性被撞击面上，标尺用于标定液滴直径。}

本实用新型针对现有技术存在的不足，通过调节供液压力、90°弯管直径大小实现对低温液滴直径的控制；通过调节刚性被撞击面的高度调节低温液滴撞击的初速度；采用液氮蒸气预冷通道对撞击腔内部进行预冷，抑制低温液滴的快速蒸发；采用高速摄像机和固定在刚性被撞击面的垂直标尺对低温液滴的直径进行标定，并捕捉液滴撞击刚性壁面的动态铺展过程。

附图说明

图1是本实用新型低温液滴撞击刚性壁面实验装置组成示意图；

图2是本实用新型低温液滴发生器的结构示意图。

图中标号名称：1高压氮气瓶、2减压阀、3压力传感器、4截止阀、5液氮杜瓦罐、6泄压阀、7排空旁路、8液氮管路、9低温电磁阀、10液氮池、11流量计、12保温层、13真空层、14预冷通道、15 90°弯管、16高速摄像机、17标尺、18刚性被撞击面、19真空泵、20柱形液氮容器、21温度传感器、22光源、23撞击腔、24数据采集器。

具体实施方式

以下结合附图说明本实用新型的低温液滴撞击刚性壁面实验装置，图1是本实用新型低温液滴撞击刚性壁面实验装置组成示意图，该装置包括：液氮供液系统、撞击腔系统、低温液滴发生器、可视化和数据采集系统；高压氮气瓶1与减压阀2、截止阀4、液氮杜瓦罐5、低温电磁阀9分别组成排空旁路7、液氮管路8，排空旁路7和液氮管路8并联后经过液氮池10、流量计11与柱形液氮容器20连接， 90°弯管15水平管部分嵌入柱形液氮容器20侧壁组成液滴发生器，高度可调的刚性被撞击面18上表面设置标尺17，真空泵19与预冷通道14左侧顶部的管道连接，保温层12、真空层13为撞击腔23绝热层，压力传感器3、温度传感器21、高速摄像机16与外部数据采集器24连接。

图2为本实用新型低温液滴发生器的结构示意图，低温液滴发生器包括柱形液氮容器20和90°弯管15，90°弯管15的水平管部分嵌入柱形液氮容器20的侧壁，液氮经液氮池10预冷后进入柱形液氮容器20和90°弯管15，一旦管壁冷却，液氮通过90°弯管15的开孔溢出到管的外表面，积聚在焊接端，并在自身重量下分离，即形成稳定的液氮滴。

系统开启后首先要打开排空旁路7将撞击腔23内的气体充分置换成氮气，以防止发生冰堵；高压氮气瓶1内的氮气将存贮在液氮杜瓦罐5内的液氮排入液氮管路8经液氮池10预冷后进入液滴发生器产生稳定低温液滴，液滴自由落体撞击刚性被撞击面18，液氮池10为了确保液氮进入低温液滴发生器时温度保持78 K附近；预冷通道14的目的是充分利用液氮蒸发的低温氮气降低撞击腔23内温度，在预冷通道14右侧顶部的入口引导蒸发的氮气绕通道一周后通过预冷通道14左侧顶部出口排出撞击腔23外；真空泵19用于稳定撞击腔23内的压力在1 MPa，利用标尺17和高速摄像机16测量液滴直径。

上述液氮杜瓦罐5为液氮供液设备，为系统提供可靠充足的液氮，液氮杜瓦罐5与压力传感器3和泄压阀6连接防止液氮长期存贮过程中缓慢蒸发导致液氮杜瓦罐5内压力增大；

低温液滴撞击刚性壁面实验装置的使用方法，该方法步骤如下：

（1）首先开启光源和高速摄像机，调整撞击腔内90°弯管下端距刚性被撞击面的距离，固定高度，依次打开减压阀和排空旁路的截止阀，使氮气依次通过排空旁路、液氮池、流量计、柱形液氮容器、90°弯管进入撞击腔内部，从而排除撞击腔内的空气；

（2）启动真空泵，维持撞击腔内压力在1 MPa附近，持续排空过程至撞击腔内空气完全置换成氮气；

（3）关闭排空旁路的截止阀，开启液氮管路的截止阀和低温电磁阀，使液氮杜瓦罐内的液氮在高压氮气的作用下排入液氮管路，液氮先经过液氮池预冷至78 K附近，通过流量计测量液氮进入低温液滴发生器时的体积流率，记录体积流率；

（4）为防止产生的液氮滴快速气化，无法以液滴的形式撞击刚性被撞击面，必须先向撞击腔内喷射液氮，降低撞击腔内部环境温度，调节减压阀、90°弯管直径大小控制液氮体积流率，一旦管壁冷却，液体通过90°弯管的开孔溢出到管的外表面，积聚在焊接端，并在重力作用下脱离形成液滴，记录撞击腔内压力及温度；

（5）利用高速摄像机和标尺标定液滴直径，计算撞击初速度，捕捉液滴撞击刚性被撞击面后的运动行为以及蒸发过程。

设计图

低温液滴撞击刚性壁面实验装置论文和设计

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主设计要求

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