一种新型纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成装置的制作方法

本发明涉及光学流动显示实验技术领域，具体是一种新型纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成装置。

背景技术：

为了推进航空航天技术的不断进步，对复杂流场进行准确的光学测量有利于提高对流动机理的认识和分析。纳米粒子具有粒径小、比表面积大、内部原子有序排列而拥有一些新的理化性质，呈现出独特的体积效应和表面效应，零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯，都拥有各自独特的性能特点，具备广泛的应用前景。在纳米粒子平面激光散射光学实验中，示踪粒子越小，粒子的跟随性就越好，越能够提高测量的准确性。

目前现有的技术为利用二氧化钛粒子作为示踪粒子，但是二氧化钛粒子的质量和直径还是较大，对于近壁面附面层及混合层粒子仍然进不去，影响了实验效果，也无法获得复杂流场精细的实验结果。因此，有必要设计一种新型的纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成装置。

技术实现要素：

本发明针对所要解决的技术问题，提供一种新型纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成装置，利用干冰与高温热蒸气之间的物理升华吸热反应，将热蒸气中的热量快速吸收，冷凝成水雾，同时在大量二氧化碳的冲击作用下，将水雾不断碎化，大大降低了水雾颗粒的直径。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种新型纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成装置，包括主体以及内置于所述主体的加热器，所述主体内位于加热器上方装有蒸汽液体，所述加热器上方开设有等值通道，所述等值通道的中部固定安装有增压风扇、顶部向上延伸形成下端大上端小的收缩通道，所述收缩通道远离所述等值通道的一端连通干冰仓，所述干冰仓远离所述收缩通道的一端开设有混合气出孔，所述混合气出孔连通出气口，所述出气口另一端连通水雾浓度调节装置。

进一步的，所述水雾浓度调节装置包括设置在所述加热器上方位于远离所述等值通道一侧的下隔板，所述下隔板上方开设有与所述等值通道连通的下扩压段，所述下扩压段远离所述等值通道的一端连接下通气通道，所述下通气通道另一端连通混合气出孔和出气口、中部固定安装有开度可调的调节阀门。

进一步的，设所述出气口的直径为d1，所述混合气出孔的直径为d2，所述收缩通道的小端直径为d3、大端直径为d4，其中，

混合气出孔的直径取值范围是：1.5d1≥d2≥1.2d1；

收缩通道的大端直径取值范围是：d4≥4d1；

收缩通道的小端直径取值范围是：0.6d4≥d3≥0.3d4。

进一步的，所述粒子生成装置还包括固定安装在所述收缩通道与干冰仓之间的网状隔板，所述干冰仓顶部安装有可开闭的加料盖。

进一步的，所述网状隔板采用不锈钢、石棉、云母、大理石、玻璃中的任意一种材料制作而成，所述网状隔板上均布有多个网孔，所述网孔的直径小于或等于2mm。

进一步的，所述加料盖与干冰仓螺纹密封连接或卡扣密封连接。

进一步的，设所述收缩通道的高度为h4，所述混合气出孔的下边缘与干冰仓的下边缘高度差为h3；其中，

收缩通道的高度取值范围是：1.5d4≥h4≥0.8d4；

混合气出孔的下边缘与干冰仓的下边缘高度差取值范围是：4d3≥h3≥2d3。

进一步的，所述蒸汽液体为水、丙酮和水的掺混液体、碘和水的掺混液体中的任意一种。

进一步的，所述下隔板遮挡住加热器正上方面积的60％～80％。

进一步的，所述加热器的加热功率可调，且额定功率不小于500w。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：

一、本发明提供的新型纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成装置通过加热器加热蒸汽液体使其形成热蒸气，经等值通道、收缩通道和网状隔板进入干冰仓并与干冰仓中的干冰发生物理反应，干冰升华过程中将热蒸气中的热量快速吸收，使热蒸气冷凝成纳米级水雾，并在大量产生的二氧化碳冲击下不断碎化，从而大大降低了水雾颗粒的直径；

二、采用本发明提供的粒子生成装置产生的高压二氧化碳和水雾混合气体，具有很好的跟随性且持续稳定，适合在纳米粒子平面激光散射光学实验中作为示踪粒子，能够获得复杂流场精细的实验结果，具有很强的科研价值；另一方面，干冰和蒸汽液体属于容易获得的实验材料，使得实验过程更加安全环保，有效避免了纳米固体颗粒被吸入人体导致的健康隐患；

三、本发明结合加热器的功率调节、调节阀门的开度调节以及增压风扇的转速调节实现水雾在二氧化碳及水雾的混合气体中的质量分数调节，调节灵活快速、方便可靠；

四、本发明利用粒子生成装置内特殊的型面设计布局，使蒸汽液体表面形成天然的对流气流，有利于将加热后的热蒸气快速送达干冰仓，从而有效降低能量损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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例，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示出的结构获得其他的附图。

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明所述新型纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成装置的结构示意图；

1、加热器；2、蒸汽液体；3、等值通道；4、增压风扇；5、收缩通道；6、网状隔板；7、干冰仓；8、加料盖；9、下隔板；10、下扩压段；11、下通气通道；12、调节阀门；13、干冰；14、混合气出孔；15、出气口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如附图1所示的一种新型纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成装置，适用于纳米粒子平面激光散射光学实验中，主要包括加热器1、等值通道3、增压风扇4、收缩通道5、网状隔板6、干冰仓7、加料盖8、下隔板9、下扩压段10、下通气通道11、调节阀门12、混合气出孔14以及出气口15，需要用到蒸汽液体2和干冰13；在本实施例中，所述蒸汽液体2为水；本实施例中的粒子生成装置采用干冰和水作为粒子生成材料，不仅材料容易获得，而且使得实验过程更加的安全环保，有效避免了纳米固体颗粒被吸入人体导致的健康隐患；采用本实施例所述装置产生的高压二氧化碳和水雾混合气体，具有很好的跟随性且持续稳定，适合在纳米粒子平面激光散射光学实验中作为示踪粒子，能够获得复杂流场精细的实验结果。

在本发明的另一些实施例中，所述蒸汽液体2为丙酮和水的掺混液体或碘和水的掺混液体等其他可以产生蒸汽染色效果的液体。蒸汽中带有丙酮或碘后在激光的作用下会产生燃烧效果从而对颗粒进行标识，液体加热后体积膨胀，同时干冰13升华后体积也急剧膨胀，因此工作后粒子生成装置内部压力将会陡升，从而提高出气口15处混合气体的速度，有利于这些纳米直径颗粒与风洞空气混合提高流动示踪效果。

更具体的，所述加热器1用于给水加热使其蒸发形成水蒸气且功率可调，额定功率为800w，水的上方设置有等值通道3，即从水面至收缩通道5的起始端的通道尺寸相同。所述等值通道3的中部固定安装有转速可调的增压风扇4、顶部向上延伸形成下端大上端小的收缩通道5，所述收缩通道5远离所述等值通道3的一端连通放置有干冰13的干冰仓7，水蒸气在增压风扇4的抽力作用下从等值通道3经收缩通道5进入到干冰仓7内；干冰仓7内的干冰13与热的水蒸气发生物理反应，干冰13吸热，将热的水蒸气雾化为纳米级水雾，干冰13反应后大量产生的二氧化碳又不断将水雾颗粒打碎细化，从而大大降低了水雾颗粒的直径，并且提高了干冰仓7内的压力；所述干冰仓7远离所述收缩通道5的一端开设有混合气出孔14、顶部安装有可开闭的加料盖8，干冰仓7内的压力提高后形成对仓内二氧化碳及水雾混合气体的高压，经混合气出孔14喷出后一部分从出气口15喷出、一部分从下通气通道11回流形成循环气流。

作为优选，为了调节水雾在二氧化碳及水雾混合气体中的浓度，在所述出气口15另一端连通水雾浓度调节装置，所述水雾浓度调节装置包括设置在所述蒸汽液体2上方位于所述等值通道3另一侧的下隔板9，所述下隔板9上方开设有与所述等值通道3连通的下扩压段10，所述下扩压段10远离所述等值通道3的一端连接下通气通道11，所述下通气通道11另一端与混合气出孔14汇合并连通出气口15、中部固定安装有开度可调的调节阀门12，在二氧化碳及水雾的混合气体从混合气出孔14喷出时，通过调节阀门12的开度调节控制进入下通气通道11混合气体的流速和流量；本实施例结合加热器1的功率调节、调节阀门12的开度调节以及增压风扇4的转速调节实现水雾在二氧化碳及水雾的混合气体中的质量分数调节。不同的调节阀门开度可以控制整个系统的流速和装置的内部压力，当开度变大，有更多流量的混合气体流经蒸汽液体2表面带动高温蒸汽进入干冰仓7从而产生更多的混合气体。

作为优选，所述收缩通道5与干冰仓7之间固定安装有网状隔板6，所述网状隔板6采用不锈钢、石棉、云母、大理石、玻璃中的任意一种材料制作而成，进一步优选为不锈钢；所述网状隔板6上均布有多个网孔，所述网孔的直径小于或等于2mm，以既不影响水蒸气的通过，又可以使得水蒸气较均匀的进入到干冰仓7内为宜。

作为优选，所述加料盖8与干冰仓7螺纹密封连接，即干冰仓7的顶部设有外螺纹，加料盖8的内侧壁设有内螺纹，当需要加放干冰时，只需拧开加料盖8即可，其他时间加料盖8均处于密封关闭状态。

在本发明的另一个实施例中，所述加料盖8与干冰仓7通过卡扣密封连接，当需要加放干冰时，只需松开卡扣即可，同样其他时间加料盖8均处于密封关闭状态。

作为优选，所述下隔板9遮挡住加热器1正上方面积的60％～80％，设计的前提为不影响水蒸发逸出、不干涉等值通道3的尺寸同时能形成下扩压段10，所述下扩压段10为微扩张通道，孔径由下通气通道11向等值通道3方向逐步减大形成喇叭状，实现更多的接触水表面并带动高温蒸汽。

关于出气口15、混合气出孔14、收缩通道5的出口直径和进口直径设计：设所述出气口15的直径为d1，所述混合气出孔14的直径为d2，所述收缩通道5的出口直径为d3、进口直径为d4，在本实施例中，d1＝50mm；

则混合气出孔14的直径取值范围是：1.5d1≥d2≥1.2d1，即75mm≥d2≥60mm，在本实施例中，d2＝1.2d1＝60mm，便于从混合气出孔14喷出的混合气体一分为二，一路通向出气口15，一路通向下通气通道11；

收缩通道5的大端直径取值范围是：d4≥4d1，即d4≥200mm，在本实施例中，d4＝4d1＝200mm；

收缩通道5的小端直径取值范围是：0.6d4≥d3≥0.3d4，即120mm≥d3≥60mm，在本实施例中，d3＝0.3d4＝60mm；

d3和d4的设计便于将从等值通道3进入的水蒸气进行汇集并进入到干冰仓7内，形成对干冰13的冲击。

关于收缩通道5的高度、混合气出孔14的下边缘与干冰仓7的下边缘高度差设计：设所述收缩通道5的高度为h4，所述混合气出孔14的下边缘与干冰仓7的下边缘高度差为h3；

收缩通道5的高度取值范围是：1.5d4≥h4≥0.8d4，即300mm≥h4≥160mm，在本实施例中，h4＝0.8d4＝160mm，便于水蒸气在收缩通道5段形成汇集和加速；

混合气出孔14的下边缘与干冰仓7的下边缘高度差取值范围是：4d3≥h3≥2d3，即240mm≥h3≥120mm，在本实施例中，h3＝2d3＝120mm，便于水蒸气顺利进入干冰仓7并与干冰13进行物理反应。

本发明所述新型纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成装置的具体使用过程是：启动电源，加热器1开始对水进行加热产生热的水蒸气，通过增压风扇4将水蒸气上抽经等值通道3、收缩通道5和网状隔板6进入到干冰仓7内，并与干冰仓7内的干冰13发生物理反应，干冰13吸热，将水蒸气雾化为纳米级水雾，干冰13反应后大量产生的二氧化碳又不断将水雾颗粒打碎细化，并且提高了干冰仓7内的压力，使二氧化碳及水雾的混合气体在高压的作用下喷出混合气出孔14；喷出后一部分从出气口15喷出、一部分从下通气通道11回流形成循环气流；经调节阀门12调节作用下按一定流量和流速进入到装置内部，当调节阀门12的开度变大时，有更多流量的混合气体经蒸汽液面表面带动高温蒸汽进入到干冰仓7从而产生更多的气体，进而调节水雾在混合气体中的浓度，形成的纳米粒子从出气口15喷出，至此完成纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成。

实施例二

如附图1所示的一种新型纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成装置，适用于纳米粒子平面激光散射光学实验中，主要包括加热器1、等值通道3、增压风扇4、收缩通道5、网状隔板6、干冰仓7、加料盖8、下隔板9、下扩压段10、下通气通道11、调节阀门12、混合气出孔14以及出气口15，需要用到蒸汽液体2和干冰13。

与实施例一的区别在于：所述混合气出孔14的直径：d2＝1.5d1＝75mm；收缩通道5的大端直径：d4＝6d1＝300mm；收缩通道5的小端直径：d3＝0.6d4＝180mm；收缩通道5的高度：h4＝1.5d4＝450mm；混合气出孔14的下边缘与干冰仓7的下边缘高度差：h3＝4d3＝720mm，以实现更大规模的粒子生成，其他部分和使用过程与实施例一相同。

实施例三

如附图1所示的一种新型纳米粒子平面激光散射实验的粒子生成装置，适用于纳米粒子平面激光散射光学实验中，主要包括加热器1、等值通道3、增压风扇4、收缩通道5、网状隔板6、干冰仓7、加料盖8、下隔板9、下扩压段10、下通气通道11、调节阀门12、混合气出孔14以及出气口15，需要用到蒸汽液体2和干冰13。

与实施例一的区别在于：所述出气口15的直径为d1＝80mm，加热器1的额定功率为1500w，以实现更加快速的粒子生成，其他部分和使用过程与实施例一相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。