一种液滴发生器及液滴制造方法与流程

文档序号:11232778阅读:1437来源:国知局
一种液滴发生器及液滴制造方法与流程

本发明涉及液体微粒化及液滴制造技术领域,具体涉及一种适用于极端环境的液滴发生器及其工作方法。



背景技术:

液体燃料喷雾的雾化及蒸发特性对例如喷涂、制药、粉末冶金、农药喷洒,特别是各种发动机(液体火箭发动机、冲压式发动机、内燃机、燃气轮机、航空发动机等)设备性能的影响至关重要。例如,对于高压直喷发动机来说,喷雾雾化后产生的小液滴在高温高压的环境条件下随高速旋流气流的运动、二次破碎、蒸发及与周围环境气体的混合特性直接决定了发动机的燃烧与排放性能,对其进行可视化的实验研究,对发动机燃烧系统的设计开发有非常重要的指导意义。

随着科学技术不断发展,国内外最前沿相关探索也从对宏观喷雾特性的研究逐步向微观单个液滴特性,例如:运动、形变、二次破碎及蒸发等特性的研究转移。然而目前单液滴的可视化研究主要集中在高温常压环境中且周围环境气体处于层流状态,所以获得的数据往往无法直接运用在实际小型增压化的发动机燃烧系统(高温高压、湍流流场等复合极端环境套件)的开发过程中。开发适用于极端条件下的单液滴发生器难点在于:1.液滴发生器整体结构设计要能承受极端环境条件(e.g.高温高压条件、强湍流);2.液体的物性在高温高压条件下会产生变化(e.g.接近燃料的超临界条件时温度压力微小的改变都会极大改变液体的表面张力),所以导致在非极端条件下适用的装置及液滴产生方法并不适用;3.液滴的产生和下落过程会受到环境强湍流的影响而变得极不稳定,常规方法的动态响应能力不足。

现有的液滴产生器,例如中国专利文献cn104028393a记载了一种液滴发生器及其工作方法,通过马达控制可伸缩凸轮,带动运动杆机构实现堵头开关的开闭,从而挤出产生单个液滴。该设备可以指定液滴的尺寸及初始液滴的温度和速度。然而该设备只能应用于常温常压条件,无法在高温高压环境条件下模拟产生的单个液滴,且采用普通马达控制凸轮的方式也无法在极端条件下实现快速响应,从而稳定产生单个液滴。再比如,中国专利文献cn1404993a记载了一种用于产生微小液滴的液滴发生器,该技术具有一些布置在外壳中的压电弯曲换能器组群,所述弯曲换能器在部件长度上相互间隔,通过壁厚彼此分开地横向设置在一些凹槽中,所述液滴发生器还具有在弯曲指下面的液体-纵向通道和带有喷嘴的液体腔室,在不允许有变形的腔室壁足够厚的情况下,可以保持一个高的液体流。此液滴发生器主要用于喷墨打印机喷头而无法在极端的环境条件下应用。



技术实现要素:

本发明的目的在于:克服现有技术的不足,提供一种可适用于极端环境条件下的液滴发生器及其液滴制造方法。本发明的液滴发生器及方法可以实现在不同极端环境条件(作为举例而非限制,比如高温高压条件、强湍流条件等)下控制产生单个液滴,可以用于研究极端环境条件下液滴的运动、形变、二次破碎及蒸发特性。

以下为本发明具体的技术方案:

一种液滴发生器,包括液滴发生器主体,常亮点光源,光电探测器,电极板和脉冲高压电源;所述液滴发生器主体包括接地的不锈钢毛细管,所述不锈钢毛细管周围设有密封的水浴槽,所述电极板通过绝缘接杆安装在不锈钢毛细管出口两侧;所述常亮点光源、不锈钢毛细管出口和光电探测器三者共线设置;所述脉冲高压电源与光电探测器连接;通过光电探测器的外触发信号触发脉冲高压电源发出瞬间脉冲电压并同时传递给两块电极板,使不锈钢毛细管出口处的极性液滴快速下落。

具体设置时,作为优选,所述液滴发生器主体可以包括不锈钢毛细管、不锈钢压盖、不锈钢底座、不锈钢转接头、密封圈和密封垫片。所述不锈钢毛细管与所述压盖密封连接,所述压盖和底座通过密封圈和密封垫片密封并在不锈钢毛细管周围形成中空水槽,中空水槽通过孔外接循环水装置;所述转接头与压盖密封连接并与高压液源相通,不锈钢毛细管入口与转接头连通。

高压液体通过不锈钢毛细管内流道在不锈钢毛细管底部出口处形成液滴;通过调节不锈钢毛细管内外径调节液滴初始大小,和/或通过调节高压液源压力调节液滴形成速度。

所述的绝缘接杆,优选采用陶瓷等绝缘性能良好,能忍受极端环境条件且易加工的材料;所述的电极板,优选采用铜或不锈钢等导电性能良好的导体;而所述的脉冲高压电源输出电压大小可调。

本发明还提供了一种液滴制造方法,包括如下步骤:

1)将常亮点光源、液滴发生器主体中的不锈钢毛细管出口和光电探测器三者共线设置;

2)不锈钢毛细管出口处形成液滴并增长,常亮点光源发出的光束被阻挡,无法全部透射达到光电探测器;

3)光电探测器探测的光信号低于阈值,输出信号从高电平信号突变为低电平信号,将下降沿信号通过信号线传输至脉冲高压电源;

4)脉冲高压电源接收到所述下降沿信号,给电极板释放脉冲高压电;

5)液滴在均匀电场作用下表面张力降低,加速下落;

6)液滴下落后,常亮点光源发出的光束重新直射到光电探测器上,光电探测器输出信号重回高电平信号,进入下一个循环。

所述不锈钢毛细管接地设置,其上部周围设有水浴槽,水浴槽外接循环水装置,通过外接循环水装置调节液滴发生器主体的温度,并通过后续温度标定控制液滴温度。

所述不锈钢毛细管的入口与高压液源相连,高压液体通过不锈钢毛细管内流道在不锈钢毛细管底部出口处形成液滴,产生液滴尺寸范围为300μm~10mm;通过水浴循环和后续标定获得理想初始温度的液滴,调节温度范围为-20℃~200℃。所述的脉冲高压电源在接收到所述下降沿信号后,在100μs内输出千伏级高压并传递给两块电极板。

本发明相对于现有技术,可以具有如下有益效果:本发明中液滴发生器可以通过改变不锈钢毛细管的内外径在指定的高温高压或强湍流等极端环境条件中产生初始大小及下落运动规律、液滴温度可控的单个液滴。结合先进的光学诊断技术,可用于研究一系列工况条件下液滴运动、形变、二次破碎及蒸发特性,由此首次实现极端环境条件下单个液滴的可控制造与特性研究,研究工况及液滴尺寸具有普适性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的液滴发生器的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的液滴发生器主体与电极板的装配截面示意图。

图3a至3c为本发明实施例提供的液滴发生器的工作示意图,其中,

图3a为悬挂液滴尚未形成时的工作示意图;

图3b为悬挂液滴形成时的工作示意图;

图3c是液滴离开液滴发生器时的工作示意图。

图4a至4b为本发明实施例提供的液滴发生器用于光学测试研究系统示意图,其中,

图4a为背光高速成像测试研究系统示意图;

图4b为平面激光诱导荧光测试研究系统示意图。

附图标记说明:

1-液滴发生器主体;1a-不锈钢毛细管;1b-不锈钢压盖;1c-不锈钢底座;1d-不锈钢转接头;1e-水槽;1f-密封圈;1g,1h-密封垫片;1i-螺纹孔;2-常亮点光源;3-光电探测器;4-绝缘接杆;5-电极板;6-脉冲高压电源;7-液滴;8a-背光光源;8b-高速相机;9a-激光器;9b-透镜组;9c-iccd相机。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提供的液滴发生器及液滴制造方法作进一步详细说明。应当注意的是,下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的,它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

需说明的是,本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定发明可实施的限定条件,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应落在发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

实施例1

参加图1所示,公开了一种液滴发生器的。所述液滴发生器包括液滴发生器主体1,常亮点光源2,光电探测器3,电极板5和脉冲高压电源6。所述液滴发生器1包括接地的不锈钢毛细管,所述不锈钢毛细管上部周围设有密封的水浴槽。所述的电极板5通电后带电属性相同且可以通过绝缘接杆4与液滴发生器主体1连接,电极板5放置在液滴出口处两侧,所述的脉冲高压电源6可以通过时序控制按需给予电极板瞬间kv级高压。所述的常量点光源2照射在液滴发生器主体1毛细管底部即悬挂液滴出口处,所述常亮点光源2、不锈钢毛细管出口处和光电探测器3三者共线设置;所述脉冲高压电源6与光电探测器3连接;通过光电探测器3的外触发信号触发脉冲高压电源6发出瞬间脉冲电压并同时传递给两块电极板5,能够使不锈钢毛细管出口处的极性液滴7快速下落。

参见图2所示,所述液滴发生器主体1由不锈钢毛细管1a,不锈钢压盖1b,不锈钢底座1c,不锈钢转接头1d,密封圈1f和密封垫片1g、封垫片1h构成。所述不锈钢毛细管1a可以通过焊接和不锈钢压盖1b密封连接,不锈钢压盖1b和不锈钢底座1c可以通过密封圈1f和密封垫片1h密封,内部形成中空水槽1e,水槽1e通过孔1i与外界进行水循环。通过外接循环水装置调节液滴发生器主体温度并通过后续温度标定作为液滴温度的控制手段。不锈钢转接头1d的一端与不锈钢压盖通过密封垫片1g连接,不锈钢转接头1d的另一端可以直接与高压液源相连。所述的液滴发生器主体1可置于极端环境条件氛围中。

不锈钢毛细管入口1a与不锈钢转接头1d相通,高压液体充满不锈钢转接头1d后,进入不锈钢毛细管1a内流道,高压液体通过不锈钢毛细管内流道在不锈钢毛细管底部出口处可以形成悬挂液滴7,液滴7初始大小可以通过调节不锈钢毛细管内外径实现,液滴7形成速度可以通过调节高压液源压力来实现。

在不锈钢毛细管1a底部两侧的绝缘接杆4一端与不锈钢底座1c连接,另一端与电极板5连接。

当液滴还未产生时,常亮点光源2产生的光斑直接照射到光电探测器3上,通过电路板转换为高电平的电压信号,在液体从不锈钢毛细管1a中渗出附着在不锈钢毛细管1a外壁并逐渐形成液滴过程中,常亮点光源2产生的光斑在液滴的作用下逐渐偏折,当液滴7达到适当大小时,光电探测器3上探测的光信号低于阈值,并使得高电平的电压信号突变为低电平信号。该下降沿可以通过信号线传输作为脉冲高压电源6的输入信号,从而在瞬间输出高电压并施加在两块电极板5上,使得液滴7周围产生均匀的电场并改变液滴表面张力,加速其下落过程。

所述的不锈钢毛细管1a接地,所述的不锈钢毛细管1a可以根据所需液滴尺寸及极端环境条件确定,其内部及其出口最好拥有较高的光滑度,本领域技术人员应当知晓,其内部及其出口过于粗糙会影响液滴的稳定产生。

所述的常亮点光源2发出的光线在单个液滴的作用下无法按原路径继续透射,本领域技术人员应当知晓,设置常亮点光源2光强在设置时最好不宜过高。

所述的光电探测器3具有较高的灵敏度。优选的,当入射光低于阈值后的100μs内输出可以由高电平降为低电平,电压的下降沿足够陡,满足脉冲高压电源6的外触发要求。

本实施例中,优选的,常亮点光源2和光电探测器3位置可进行上下微调。

所述的绝缘接杆4采用陶瓷等绝缘性能良好,能忍受极端环境条件且易加工的材料。所述的电极板5采用铜或不锈钢等导电性能良好的导体材料。所述的脉冲高压电源6输出电压大小可调,在接收到输出的下降沿信号后100μs内可以输出kv级高压并传递给两块电极板5;所述的液滴发生器中采用的液体为极性液体。

下面结合图3a至图3c进一步描述本实施例的液滴发生器的工作方式。

参见图3a所示,不锈钢毛细管接地,当液滴尚未产生时,常亮点光源发出的光束直射到光电探测器使其持续输出高电平信号,此时脉冲高压电源不工作。

参见图3b所示,当液滴逐渐产生并增长到固定大小时,常亮点光源发出的光束被阻挡,无法全部透射并达到光电探测器,从而使得光电传感器的输入信号低于阈值,输出信号也从高电平信号骤降为低电平信号。此时脉冲高压电源接收到下降沿信号并给电极板释放脉冲高压电。极性液滴在均匀电场的作用下产生极化,表面张力迅速降低并打破悬挂液滴表面张力与重力的平衡态,最终导致液滴快速下落。

参见图3c所示,当液滴下落后,常亮点光源发出的光束重新直射到光电探测器上,探测器输出信号重新回到高电平信号,并进入下一个循环。

图4a至图4b为将本实施例的液滴发生器用于光学测试研究的示意图。

参见图4a所示,为背光高速成像测试研究系统示意图。通过该液滴发生器制造液滴,通过背光光源8a和高速相机8b进行高速成像测试,可以获得单个液滴在极端环境条件下的宏观形态并由此可以分析单个液滴的形变特性。

参见图4b所示,为平面激光诱导荧光测试研究系统示意图。通过该液滴发生器制造液滴,通过激光器9a、透镜组9b、iccd相机9c进行平面激光诱导荧光测试,可以获得单个液滴的气液两相浓度浓度分布,由此可以研究单个液滴蒸发及与周围气体的混合特性。

本发明实施例提供的液滴发生器,可以通过改变不锈钢毛细管内外径及长度来适应不同的环境条件,产生液滴尺寸范围在300μm~10mm,同时通过水浴循环和后续标定,获得理想初始温度的液滴,调节温度范围在-20℃~200℃。而通过配合常亮点光源和光电探测器,能够稳定、准确地判断液滴成形时机,在固定的温度(室温~1000k)、压力(0.1~100bar)、流场下获得稳定的初始液滴尺寸,同时具有极高(>5000hz)的动态分辨响应能力;利用本发明的液滴发生器,可以模拟真实发动机工况条件产生初始大小及下落运动规律、液滴温度可控的单个液滴。结合先进的光学诊断技术,研究一系列极端条件下液滴运动、形变、二次破碎及蒸发特性,具有普适性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述,并非对本发明范围的任何限定,本公开内容中像“包括”、“囊括”以及“具有”的术语应当默认被解释为包括性的或开放性的,而不是排他性的或封闭性,除非其被明确限定为相反的含义。所有技术、科技或其他方面的术语都符合本领域技术人员所理解的含义,除非其被限定为相反的含义。在词典里找到的公共术语应当在相关技术文档的背景下不被太理想化或太不实际地解释,除非本公开内容明确将其限定成那样。本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰,均属于权利要求书的保护范围。

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