本发明专利技术公开了一种火焰气溶胶流速的测量装置，其特征在于：包括基础支撑座、XYZ三轴移动平台、双向气缸、自锁镊子连接件、自锁镊子、探头薄片、电磁阀和时间继电器，XYZ三轴移动平台安装在所述基础支撑座上；双向气缸安装在所述XYZ三轴移动平台上；自锁镊子通过所述自锁镊子连接件安装在双向气缸上；探头薄片整体呈圆形，其安装在所述自锁镊子上，用于伸入火焰气溶胶中进行取样；所述电磁阀和时间继电器用于共同控制双向气缸的运动，进而控制探头薄片在火焰气溶胶内的停留时间。本发明专利技术采用热泳取样探头，能极大地减小探头的辐射和导热损失，保持对流传热在火焰与探头之间的传热中占据主导，以便于求解火焰气溶胶的流速。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于测量装置领域，更具体地，涉及一种火焰气溶胶流速的测量装置和方 法。
技术介绍
火焰气溶胶流速的测量目前缺乏一套可行的方法，一般常用的流速测量技术，比 如粒子图像测速（PIV)、激光多普勒测速（LDV)等需要在流场中均匀播撒微米级的示踪粒 子，这对小尺度的火焰气溶胶反应器来说是难以实现的，而且示踪粒子的加入对火焰气溶 胶包含的微细颗粒物的生成和演变会产生不利影响。 热泳沉积取样是一种被广泛使用的火焰气溶胶颗粒物采样方法，联合电子显微镜 图像处理和分析，主要用于表征颗粒物的微观结构形貌、火焰气溶胶内颗粒物的体积分数 等。在取样探头快速插入火焰并短暂停留一段时间的过程中，火焰气溶胶颗粒物在热泳力 的驱动下向探头表面迀移，其迀移速率与火焰-探头之间的温度差密切相关，而探头的温 度变化受火焰和探头之间的传热过程控制。在三种传热方式（导热、对流和辐射）中，只有 对流传热与火焰气溶胶的流速直接相关，而且在稳定的单一传热方式下探头薄片的温度变 化满足一阶响应方程。因此，如果能够设计和控制在取样过程中对流传热方式占主导，则可 以建立起颗粒热泳沉积量与气溶胶流速的关联，进而根据不同停留时间的热泳取样结果计 算出火焰气溶胶的流速。但是目前现有热泳取样技术通常采用透射电镜铜网格栅对火焰气 溶胶进行取样，由于火焰的高温氧化环境，铜网上的支持膜甚至铜网很容易被烧毁，更重要 的是铜这种材料与火焰之间有很强的辐射换热且铜的导热系数很高，因此难以消除辐射和 导热的影响。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种火焰气溶胶流速的测量 装置和方法，其采用热泳取样探头，能极大地减小探头的辐射和导热损失，保持对流传热在 火焰与探头之间的传热中占据主导，以使探头的温度变化满足一阶响应方程；在同一取样 点处实施两次经历不同停留时间的短暂取样，样品微区电子显微图像经过处理和分析得到 各次取样的颗粒沉积量，根据热泳沉积、对流传热和温度响应之间的关系，求解火焰气溶胶 的流速。 为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种火焰气溶胶流速的测量装 置，其特征在于：包括基础支撑座、XYZ三轴移动平台、双向气缸、自锁镊子连接件、自锁镊 子、探头薄片、电磁阀和时间继电器，其中， 所述XYZ三轴移动平台安装在所述基础支撑座上； 所述双向气缸安装在所述XYZ三轴移动平台上，并通过所述XYZ三轴移动平台驱 动其移动； 所述自锁镊子通过所述自锁镊子连接件安装在所述双向气缸上，并通过所述双向 气缸驱动其移动； 所述探头薄片整体呈圆形，其安装在所述自锁镊子上，用于伸入火焰气溶胶中进 行取样； 所述电磁阀和时间继电器用于共同控制双向气缸的运动，进而控制探头薄片在火 焰气溶胶内的停留时间。 优选地，所述探头薄片由光学石英玻璃制成。 优选地，所述探头薄片的密度P = 2210kg/m3,比热c = 891. 8J/(kg · K)。 优选地，所述探头薄片上设置有方向标记缺口 A和定位标记缺口 B，所述定位标记 缺口 B用于辅助定位取样时自锁镊子所夹持的探头薄片的部位，所述方向标记缺口 A用于 辅助找出取样时探头薄片上与火焰气溶胶流动方向一致的直径作为标记线。 优选地，所述方向标记缺口 A的形状为圆形，所述定位标记缺口 B包括三个圆孔， 这三个圆孔分别为第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔，并且方向标记缺口 A的中心与探头薄 片圆心的连线所在直径作为所述标记线，第一圆孔的中心与探头薄片圆心的连线作为辅助 标记线，并且所述标记线与辅助标记线相互垂直，第二圆孔和第三圆孔对称分布在辅助标 记线的两侧。 优选地，所述探头薄片的直径为3mm~5mm、厚度为50 μ m~100 μ m〇 优选地，所述双向气缸的活塞杆为抗扭转的方形杆，以保持探头薄片的两侧面均 与被测火焰的流动方向平行。 -种利用测量装置测量火焰气溶胶流速的方法，其特征在于：包括以下步骤： 1)获取火焰气溶胶内取样点位置的温度Tg;获得两个探头薄片的初始温度T。； 2)将其中一个探头薄片夹持在自锁镊子上，并使该探头薄片的两端面均竖直设 置；XYZ三轴移动平台和双向气缸带动该探头薄片进入火焰气溶胶内，并在取样点位置停 留时间^进行取样，此后该探头薄片离开火焰气溶胶；然后再从自锁镊子上取下该探头薄 片；将此带有气溶胶颗粒的探头薄片记为样品一； 3)将另一探头薄片夹持在自锁镊子上，并使该探头薄片的两端面均竖直设置； XYZ三轴移动平台和双向气缸控制该探头薄片进入火焰气溶胶内，并在与步骤2)相同的取 样点位置停留时间一进行取样，此后该探头薄片离开火焰气溶胶，其中，1 2辛t 1;然后再从 自锁镊子上取下该探头薄片；将此带有气溶胶颗粒的探头薄片记为样品二； 4)分别找出样品一和样品二上与气溶胶流动方向一致的直径作为标记线；然后 将样品一和样品二分别在扫描电子显微镜下拍摄相同的区域C处的电镜图片；其中，样品 一和样品二上的区域C的中心分别在其标记线上； 5)通过电镜图片分别获得样品一和样品二的中心区域内单位面积沉积的颗粒物 体积和; 6)建立第一次热泳取样过程中探头薄片的平均温度_、第二次热泳取样过程中 探头薄片的平均温度ξ和探头薄片温度响应的时间常数τ的关系式，以获得时间常数τ : 7)获得火焰气溶胶的流速： 其中， 1为区域C的中心到标记线的其中一个端点的距离，并且该端点在取样时是标记 线的下端点； P、c和δ分别为探头薄片的材料密度、比热容和厚度； Vg是气体动力粘度； ag为气体热扩散系数； Ag是气体导热系数。 9、根据权利要求8所述的一种火焰气溶胶流速的测量装置，其特征在于：样品一 和样品二的电镜图片中包含的沉积颗粒数量在30个以上。 总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果： 1)本专利技术的热泳取样探头能极大地减小探头的辐射和导热损失，保持对流传热在 火焰与探头之间的传热中占据主导，以使探头的温度变化满足一阶响应方程； 2)在同一取样点处实施两次经历不同停留时间的短暂取样，样品微区电子显微图 像经过处理和分析得到各次取样的颗粒沉积量，根据热泳沉积、对流传热和温度响应之间 的关系，求解火焰气溶胶的流速； 3)本专利技术的探头薄片耐高温、抗氧化，能够提高采样的温度上限，防止探头在采样 过程中烧毁，提高采样成功率。 4)本专利技术的探头薄片辐射透过率高、热导率低，能够最大限度地降低辐射和导热 对流速测量的影响。 5)本专利技术的探头薄片易于加工、价格便宜。【附图说明】 图1是本专利技术的热泳取样装置结构示意图； 图2是探头薄片伸入火焰气溶胶热泳进行取样的过程示意图； 图3a、图3b分别是在火焰气溶胶同一取样点内两次不同时间取样的电镜图片； 图4是本专利技术所测得的火焰气溶胶流速与计算机CFD模拟流速的对比。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种火焰气溶胶流速的测量装置，其特征在于：包括基础支撑座、XYZ三轴移动平台、双向气缸、自锁镊子连接件、自锁镊子、探头薄片、电磁阀和时间继电器，其中，所述XYZ三轴移动平台安装在所述基础支撑座上；所述双向气缸安装在所述XYZ三轴移动平台上，并通过所述XYZ三轴移动平台驱动其移动；所述自锁镊子通过所述自锁镊子连接件安装在所述双向气缸上，并通过所述双向气缸驱动其移动；所述探头薄片整体呈圆形，其安装在所述自锁镊子上，用于伸入火焰气溶胶中进行取样；所述电磁阀和时间继电器用于共同控制双向气缸的运动，进而控制探头薄片在火焰气溶胶内的停留时间。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵海波，徐祖伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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