一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置及方法与流程

背景技术：

高性能飞行器是目前世界军事强国的研究重点，其研制对国家军事实力以及综合国力的提升都有着重大战略意义。此外，研制过程中所涉及的基础研究将有可能推动新一轮的技术革命。而随着飞行速度的提升，高性能飞行器对高性能动力装置的需求也将急剧增加。

燃烧室作为动力装置中释放燃油化学能量的部件，在推进系统中扮演着重要角色，是整个动力系统研究过程中的重中之中。而由于目前关于高速来流条件下燃烧过程的基础研究相对缺乏，使得燃烧室在设计阶段仍面临巨大难题。燃油在燃烧室内主要经历喷射、雾化、蒸发、燃烧过程，燃油从喷嘴喷出后在气流的作用下将快速地经历变形、破碎过程，该过程(雾化)将直接影响后续蒸发及燃烧过程，若要详细了解燃油在燃烧室内的燃烧情况，必须首先开展燃油在高速气流作用下的变形破碎研究。

受限于实验条件以及相关流体力学理论体系的不成熟，已有液滴变形破碎的研究多以水硅油等低粘度流体为研究对象，关于高粘度流体(μ>100mpa·s)变形破碎过程的研究相对较少；而未来高性能燃烧室在工作过程中，从低粘度汽油到高粘度重油都有可能作为燃油介质释放能量，因此亟需开展高粘度流体的相关变形破碎研究。

开展高粘度液滴变形破碎过程的研究涉及到液滴的产生，已有的气动式液滴发生装置主要适用于低粘度流体(μ<100mpa·s)；当流体粘度增大时，流体的粘性力急剧增大，射流在表面张力及气动力的作用下很难发生破碎，此时传统的气动式液滴发生装置将不再适用。此外，传统的气动式液滴发生器的供气装置多由高压气瓶、高精度降压阀及脉冲发生器组成，组成部件多、结构相对复杂、操作过程较为繁琐并且价格昂贵，这都极大的限制了气动式液滴发生器的应用及推广。

正是由于目前气动式液滴发生器存在的种种缺陷及不足(高粘度流体不再适用以及供气装置设备复杂，价格昂贵，操作繁琐等特点)，所以有必要发展全新的能适用于高粘性流体的气动式液滴发生器，以满足更加简单、快速、且成本低廉地生成液滴的需求。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为克服已有气动式液滴发生器生成液滴过程中存在的不足，本发明提出了一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置及方法，主要通过添加射流初始微扰动增大射流界面不稳定性以及简化供气装置来产生高粘度流体(100mpa·s<μ<1000mpa·s)液滴。该装置拓宽了传统气动式液滴发生装置的粘度适用范围，简化了供气装置，极大地提高了实验的操作性及安全性并降低了液滴发生器的经济成本，可以为高粘度流体的变形破碎研究以及工程应用提供有力支持。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置，其特征在于：由微型压缩泵、低压压力表、管路、微型振动片、端盖、液滴容腔、液滴出口、截止阀、单次触发开关、电磁阀、矩形腔体和圆形喷嘴组成。供气装置主要由微型压缩泵、低压压力表、管路以及截止阀组成，主要用以精准提供较低压气体；通过单次触发开关调整电磁阀的开闭状态控制实验的起始；矩形腔体内部包含液滴容腔以及液滴出口；端盖和喷嘴分别通过螺纹安装在液滴容腔上下两面；微型振动片通过胶水粘贴在矩形腔体两侧，在为初始射流提供微扰动的同时尽量减少对所生成液滴的干扰。

所述一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置，其特征在于微型压缩泵流量800l/h，能提供最大压力为100kpa。

所述一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置，其特征在于低压压力表量程为0～0.1000mpa。

所述一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置，其特征在于转速为12000r/min，其作用在于增大初始界面不稳定性，使得射流更容易破碎成小液滴。

所述一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置，其特征在于：为保证足够液滴容腔体积以及降低振动对生成液滴的影响，其尺寸为长120mm，高70mm，宽70mm，内部液滴容腔尺寸为高50mm，直径20mm，喷嘴出口尺寸为m10的螺纹通孔，高20mm。

所述一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置，其特征在于喷嘴中心有直径为不超过0.5mm的通孔。

所述一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置，其特征在于端盖上有与管路连接的接口。

所述一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置，其特征在于单次触发开关所提供的脉冲信号持续时间为8ms。

所述一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置，其特征在于电磁阀为长闭状态。

所述一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生方法，其特征在于采用以下步骤：

步骤1：将一定粘度(μ<1000mpa·s)流体通过端盖5注入到液滴容腔6中，注入液滴体积约为液滴容腔6的1/3，之后通过管路3依次将微型压缩泵1、低压压力表2、截止阀8、电磁阀10和端盖5连接起来。

步骤2：打开微型压缩泵1，同时调整截止阀8，观察低压压力表示数2使得管路3内气流压力达到设定值。

步骤3：打开单次触发开关9给电磁阀10输入脉冲信号，管路3内具有一定压力的气体将从端盖5流入液滴容腔6内，在液滴容腔内6发生膨胀进而挤压流体从圆形喷嘴12流出，在扰动的作用下，圆柱流界面不稳定性急剧增大，射流破碎成小液滴，可在液滴发生器下游观察到液滴串的产生。

步骤4：通过调整截止阀8，改变管路3内气流压力，可以增大液滴串间距，当间距l与液滴直径d之比大于10时，便可认为是一个个独立的液滴。

有益效果

本发明的有益效果是：通过采用微型振动片引入了射流初始扰动，增大了射流界面的不稳定性，射流更容易破碎成小液滴，从而拓宽了传统气动式液滴发生装置的粘度范围，使得气动式液滴发生装置在高粘度范围(100mpa·s<μ<1000mpa·s)也能适用；通过采用微型压缩泵、低压压力表、截止阀等部件简化了传统气动式液滴发生器的供气装置，简化了实验操作步骤，提高了实验的操作性并使得成本更为低廉；此外由于微型压缩泵代替了高压气瓶，使得整个实验的安全性得到了极大的提升。

附图说明

图1为一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置示意图

图中：

1、微型压缩泵；2、低压压力表；3、管路；4、微型振动片；5、端盖；6、液滴容腔；7、液滴出口；8、截止阀；9、单次触发开关；10、电磁阀；11、矩形腔体；12、圆形喷嘴。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生装置，如图1所示。其包括：微型压缩泵1、低压压力表2、管路3、微型振动片4、端盖5、液滴容腔6、液滴出口7、截止阀8、单次触发开关9、电磁阀10、矩形腔体11、圆形喷嘴12。

产生液滴前首先安装好液滴容腔6，将将圆形喷嘴12通过螺纹连接安装在液滴出口7，将端盖5通过螺纹连接安装在液滴容腔6上面。随后通过管路3依次将微型压缩泵1、低压压力表2、截止阀8、电磁阀10和端盖5连接起来，由于实验过程中管路3在低压条件下运行，实验器件连接完毕后需检查下密封性，确保实验装置不漏气。为提高出口射流初始扰动，增大射流的初始不稳定性从而使射流更容易变成小液滴，在矩形腔体11两侧分别粘贴有微型振动片4，微型振动片4的转速为12000r/min。气动式液滴发生装置中驱动气体压力的精确控制直接决定了生成液滴的质量，为获得更为准确的气压，采用微型压缩泵1作为气源，微型压缩泵1在稳定工作时流量为800l/h，同时结合低压压力表2与截止阀8以实现对管路3内压力的精确控制，当截止阀8关闭或部分打开时，由于喉部面积的改变使得管路3内部气流压力上升，从而实现对管路3内气体的增压。

当液滴发生器部件连接完后，调整截止阀8使得低压压力表2达到指定示数，打开单次触发开关9给电磁阀10输入脉冲信号，此时管路3内具有一定压力的气体将从端盖5流入液滴容腔6内，在液滴容腔内6发生膨胀进而挤压流体从圆形喷嘴12流出，在扰动的作用下，射流界面不稳定性急剧增大，极易破碎成小液滴。

本发明采用的低压压力表2量程为0～0.1000mpa，单次触发开关9所提供的脉冲信号持续时间为8ms，电磁阀10为长闭状态，所适用流体粘度范围为100mpa·s<μ<1000mpa·s。本装置通过引入微型振动片4，扩宽了气动式液滴发生装置的粘度适用范围，同时从实验安全性、操作性、经济性三个方面综合考虑，通过简化实验操作步骤，去除高压部件，采用易于购买的微型压缩泵1、低压压力表2等部件，看可以更加快速经济地产生高粘度液滴。

所述一种适用于高粘度流体的气动式液滴发生方法，其特征在于采用以下步骤：

步骤1：将一定粘度(μ<1000mpa·s)流体通过端盖5注入到液滴容腔6中，注入液滴体积约为液滴容腔6的1/3，之后通过管路3依次将微型压缩泵1、低压压力表2、截止阀8、电磁阀10和端盖5连接起来。

步骤2：打开微型压缩泵1，同时调整截止阀8，观察低压压力表示数2使得管路3内气流压力达到设定值。

步骤3：打开单次触发开关9给电磁阀10输入脉冲信号，管路3内具有一定压力的气体将从端盖5流入液滴容腔6内，在液滴容腔内6发生膨胀进而挤压流体从圆形喷嘴12流出，在扰动的作用下，圆柱流界面不稳定性急剧增大，射流破碎成小液滴，可在液滴发生器下游观察到液滴串的产生。

步骤4：通过调整截止阀8，改变管路3内气流压力，可以增大液滴串间距，当间距l与液滴直径d之比大于10时，便可认为是一个个独立的液滴。