一种液滴撞击液膜可视化实验平台及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种液滴撞击液膜可视化实验平台及其使用方法，该装置包括：液滴生成装置、液膜生成装置、液膜移动装置、图像采集及检测系统、控制处理系统。各装置和系统相互协作，实现不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴滴落至不同种类、不同倾角、静止液膜或不同流速液膜的可视化实验研究；图像采集及检测系统用以检测液滴直径、液滴速度、液膜厚度及采集液滴撞击液膜瞬间的图像。本实验平台具有操作简单、使用方便、能精确控制和调节液滴及液膜各项参数等特点，适用于石油开采、航空航天以及化学材料制备设备等领域，诸如发动机的燃油燃烧前相关的油滴研究、喷淋杀菌冷却隧道的研究等。

Liquid droplet impacting liquid film visual experimental platform and its using method

The invention discloses a droplet impinging visualization experiment platform and use method thereof, the device comprises: a liquid droplet generating device, liquid film generating device, mobile device, image acquisition and detection system, control and processing system. Cooperative device and system, a visual experimental study on liquid drops to achieve different types, different diameter and different number, different deflection angles and different dropping speed down to different types and different angle, different velocity of liquid or liquid films; image acquisition and detection system to detect the droplet diameter, droplet velocity, liquid film the thickness and collecting droplet impinging on liquid film image moments. This platform has the characteristics of simple operation, convenient use, accurate control and adjust the droplet and film parameters, suitable for oil exploration, aerospace and chemical material preparation equipment and other fields, such as engine fuel pre combustion related research, oil droplet spray cooling sterilization tunnel research etc..

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种液滴撞击液膜可视化实验平台及其使用方法，属于仪器、仪表

技术介绍
随着社会经济的发展和科技的进步，液滴在工业、医学、生活中都有越来越广泛的应用，如发动机的燃油燃烧前相关的油滴研究、打印机的喷墨研究、喷淋杀菌冷却隧道的研究、石油开采以及化学材料制备设备领域的研究等。液膜流动广泛存在于自然界中，液膜传热冷却作为一种高效传热传质技术被应用于很多领域，例如，喷雾冷却、热喷涂等。液滴碰撞流动液膜是典型的自由表面流动问题，是流体力学研究的热点问题之一，对液滴碰撞问题进行研究具有重要的理论和现实意义，研究结果可用于指导工程实际。而液滴种类、液滴直径、液滴数量、液滴撞击角度及液滴撞击速度等是液滴碰撞液膜产生不同碰撞特性的主要影响因素，因此，为了对液滴碰撞流动液膜进行深入研究，必须设计一种可产生不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴撞击不同种类、不同倾角及不同速度的液膜可视化实验平台。目前，已有的液滴撞击液膜实验平台大多结构复杂，实现成本高，且液滴直径的精度控制不精确以及滴落速度与目标值的误差较大，功能上不能连续产生参数相同的液滴，不能使液滴具有准确的撞击角度，也未能实现产生各项参数大小可调的液滴。此外，液膜产生方法及原理不尽相同，较为广泛使用的是采用溢流方法产生厚度可调的流动液膜，但溢流法产生的液膜存在厚度控制不精确，液膜流速、倾斜角不可调，且不能同时改变液膜多个参数等缺点。目前已有的液膜均为静止液膜，涉及移动液膜的专利暂无。
技术实现思路
本专利技术目的在于：为了深入探索液滴碰撞流动液膜，研究液滴碰撞液膜表面产生不同碰撞特性的主要影响因素——液滴种类、液滴直径、液滴数量、液滴撞击角度、液滴撞击速度、液膜种类、液膜倾角及液膜流速等对实验结果的影响，使液滴更多、更便捷地应用于工业、医学、生活中。本专利技术提供了一种液滴撞击液膜可视化实验平台及其使用方法，可稳定持续产生不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴，撞击不同种类、不同倾角及静止液膜和不同流速的液膜。为实现上述目的，本专利技术通过如下技术方案来实现：一种液滴撞击液膜可视化实验平台，所述平台包括液滴生成装置、液膜生成装置、液膜移动装置、图像采集及检测系统、控制处理系统；所述控制处理系统与液滴生成装置、液膜生成装置、液膜移动装置、图像采集及检测系统相互协作，实现不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴滴落至不同种类、不同倾角、不同流动速度液膜的实验研究；所述的控制处理系统，包括PC输入端、中央处理器、显示器、控制模块，该系统以中央处理器为核心，单向接受PC输入端的目标信息，单向输出信息至显示器，双向接受并反馈控制模块的信号；所述液滴生成装置，包括注射泵，不锈钢管，避震软管，小球发射器，孔板，针管，液滴，偏转电场板，延时控制器，光屏障，连杆，多普勒测速仪，测速仪移动轴；所述不锈钢管一端与注射泵相连，另一端与孔板相连，且不锈钢管中间嵌有一段避震软管；所述孔板上插有针管，液滴从针管中滴落；所述小球发射器置于避震软管下方的不锈钢管左边，通过控制模块传输信号；所述针管下方设有偏转电场板；所述注射泵推进液体流动，经过不锈钢管、避震软管及孔板，最终生成液滴从针管自由下落，穿过偏转电场板，滴落至液膜生成装置上；所述的液膜生成装置，包括微型定量蠕动泵、缓冲箱、液膜刷、刮刀、液膜槽；液膜刷连接在缓冲箱底部，与缓冲箱同宽，刮刀由硬质疏水塑料制成，与缓冲箱同宽并与其连接在一起，所述微型定量蠕动泵连接缓冲箱，所述微型定量蠕动泵接收控制模块的信号，控制缓冲箱中液体采用等体积法将液体经液膜刷、毛细管以一定速率均匀平铺到液膜槽内，同时，刮刀在液膜槽移动过程中将形成的液膜刮平，保证生成的液膜厚度均匀；液膜刷中间密集布置了软毛细管；所述液膜移动装置，包括液膜台移动轴、液压升降台、支架、设备平台、滑槽、限位块、齿轮箱、齿条、连接立柱、微型变频调速电机和壳体，所述支架固定在液膜移动装置的设备平台上，用以支撑和实现刮刀和液膜刷在支架(上往复垂直运动；所述液膜台移动轴和液压升降台控制液膜生成装置纵向移动及倾斜一定角度，设备平台、滑槽、限位块、齿轮箱、齿条、连接立柱、微型变频调速电机和壳体控制液膜生成装置横向移动，所述微型变频调速电机传动轴与齿轮箱连接，所述齿轮箱下面焊接有壳体，用于固定放置微型变频调速电机；所述设备平台为U型凹槽状，所述设备平台的凹槽内的两臂上对称设置两根齿条，所述齿条与齿轮箱里两边的齿轮相啮合，通过接收控制模块的信号调节输出转矩，连接立柱上端与液膜槽焊接在一起，下端与齿轮箱焊接在一起，所述液膜槽底部设置四个滚轮，滚轮卡入设置在U型凹槽内两臂的滑槽内，所述滑槽的各个端点处均设置限位块，所述设备平台底部设置液压升降台；所述的图像采集及检测系统，包括液滴直径检测装置、液滴速度检测装置、液膜厚度检测装置和撞击图像采集装置；所述液滴直径检测装置为工业相机，所述工业相机置于与液滴生成口即针管末端同一高度处，通过控制模块传输信号；所述液滴速度检测装置置于偏转电场板的下方，包括延时控制器、光屏障、连杆、多普勒测速仪、测速仪移动轴；所述光屏障通过连杆固定在多普勒测速仪右上方，光屏障通过延时控制器向多普勒测速仪传输信号；所述多普勒测速仪通过控制模块传输信号；所述液膜厚度检测装置和撞击图像采集装置为同一装置，包括步进电机、丝杠、光杠、丝杠支撑座、滑台、双目摄像仪，在实验准备阶段检测液膜厚度，在实验操作阶段采集液滴撞击液膜的图像，步进电机与丝杆连接，固定安装在设备平台的凹槽内，丝杠上有螺纹，与滑台螺纹连接，提供滑台运动的扭矩，丝杠和光杠穿过并支撑滑台，同时穿过两端布置的丝杠支撑座，步进电机和双目摄像仪均接收控制模块的信号而动作。上述的小球发射器包括气体室、挡板、进球管道、小球、小球弹出管道和小球收集网兜；所述小球弹出管道的左端连接气体室，右端连接小球收集网兜，垂直段连接进球管道；所述气体室为气压为Mpa高压气体室，通过挡板与小球弹出管道相隔，挡板由电磁阀控制，小球由进球管道进入小球发射器，进球管道与小球弹出管道的直径一致，均大于小球直径。上述小球弹出管道中设有弹性挡圈，以约束小球的位置，小球收集网兜为棉线材质，以避免小球发生弹跳。上述针管与孔板为过盈配合，配合部分直径为4mm；针管有d＝2mm，产生直径为17-18mm的液滴；d＝3mm，产生直径为3-4mm的液滴；d＝4mm，产生直径为4-5mm的液滴三种型号。上述孔板与不锈钢管通过螺纹连接，装配时设有垫圈起密封作用，所述孔板具有可互换性，包括一孔制、二孔制、三孔制、四孔制的孔板，孔径均为4mm，且孔板上的孔都对称均匀布置，通过在不锈钢管末端更换不同型号的孔板，可产生不同数量的液滴。上述齿轮箱具有二级齿轮传动，包括一级主动直齿轮、两个从动齿轮以及二级齿轮，齿轮箱中所述齿轮均为直齿轮，齿轮箱中齿轮的轴与微型变频调速电机输出轴链接在一起，其中一级主动直齿轮带动左右两个从动齿轮，实现一级传动；同轴的二级齿轮伸出齿轮箱外置，与设备平台的齿条啮合，实现二级传动，带动液膜水平运动。上述双目摄像仪包括两个高速摄像头、氙灯、灯光扩散板，双目摄像仪固定在滑台上，随滑台沿丝杠做水平运动，标定好本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液滴撞击液膜可视化实验平台，其特征在于：所述平台包括液滴生成装置、液膜生成装置(17)、液膜移动装置、图像采集及检测系统、控制处理系统；所述控制处理系统与液滴生成装置、液膜生成装置、液膜移动装置、图像采集及检测系统相互协作，实现不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴滴落至不同种类、不同倾角、不同流动速度液膜的实验研究；所述的控制处理系统，包括PC输入端(19)、中央处理器(20)、显示器(21)、控制模块(5)，该系统以中央处理器(20)为核心，单向接受PC输入端(19)的目标信息，单向输出信息至显示器(21)，双向接受并反馈控制模块(5)的信号；所述液滴生成装置，包括注射泵(1)，不锈钢管(2)，避震软管(3)，小球发射器(4)，孔板(7)，针管(8)，液滴(9)，偏转电场板(10)，延时控制器(11)，光屏障(12)，连杆(13)，多普勒测速仪(14)，测速仪移动轴(15)；所述不锈钢管(2)一端与注射泵(1)相连，另一端与孔板(7)相连，且不锈钢管(2)中间嵌有一段避震软管(3)；所述孔板(7)上插有针管(8)，液滴(9)从针管(8)中滴落；所述小球发射器(4)置于避震软管(3)下方的不锈钢管(2)左边，通过控制模块(5)传输信号；所述针管(8)下方设有偏转电场板(10)；所述注射泵(1)推进液体流动，经过不锈钢管(2)、避震软管(3)及孔板(7)，最终生成液滴(9)从针管(8)自由下落，穿过偏转电场板(10)，滴落至液膜生成装置(17)上；所述的液膜生成装置(17)，包括微型定量蠕动泵(17‑1)、缓冲箱(17‑2)、液膜刷(17‑3)、刮刀(17‑4)、液膜槽(17‑5)；液膜刷(17‑3)连接在缓冲箱(17‑2)底部，与缓冲箱(17‑2)同宽，刮刀(17‑4))由硬质疏水塑料制成，与缓冲箱(17‑2))同宽并与其连接在一起，所述微型定量蠕动泵(17‑1)连接缓冲箱(17‑2)，所述微型定量蠕动泵(17‑1)接收控制模块(5)的信号，控制缓冲箱(17‑2)中液体采用等体积法将液体经液膜刷(17‑3)、毛细管(17‑6)以一定速率均匀平铺到液膜槽(17‑5)内，同时，刮刀(17‑4)在液膜槽(17‑5)移动过程中将形成的液膜刮平，保证生成的液膜厚度均匀；液膜刷(17‑3)中间密集布置了软毛细管(17‑6)；所述液膜移动装置，包括液膜台移动轴(16)、液压升降台(18)、支架(17‑7)、设备平台(17‑8)、滑槽(17‑9)、限位块(17‑10)、齿轮箱(17‑11)、齿条(17‑12)、连接立柱(17‑13)、微型变频调速电机(17‑14)和壳体(17‑15)，所述支架(17‑7)固定在液膜移动装置的设备平台(17‑8)上，用以支撑和实现刮刀(17‑4)和液膜刷(17‑3)在支架(17‑7)上往复垂直运动；所述液膜台移动轴(16)和液压升降台(18)控制液膜生成装置(17)纵向移动及倾斜一定角度，设备平台(17‑8)、滑槽(17‑9)、限位块(17‑10)、齿轮箱(17‑11)、齿条(17‑12)、连接立柱(17‑13)、微型变频调速电机(17‑14)和壳体(17‑15)控制液膜生成装置(17)横向移动，所述微型变频调速电机(17‑14)传动轴与齿轮箱(17‑11)连接，所述齿轮箱(17‑11)下面焊接有壳体(17‑15)，用于固定放置微型变频调速电机(17‑14)；所述设备平台(17‑8)为U型凹槽状，所述设备平台(17‑8)的凹槽内的两臂上对称设置两根齿条(17‑12)，所述齿条(17‑12)与齿轮箱(17‑11)里两边的齿轮相啮合，通过接收控制模块(5)的信号调节输出转矩，连接立柱(17‑13)上端与液膜槽(17‑5)焊接在一起，下端与齿轮箱(17‑11)焊接在一起，所述液膜槽(17‑5)底部设置四个滚轮(17‑5‑1)，滚轮(17‑5‑1)卡入设置在U型凹槽内两臂的滑槽(17‑9)内，所述滑槽(17‑9)的各个端点处均设置限位块(17‑10)，所述设备平台(17‑8)底部设置液压升降台(18)；所述的图像采集及检测系统，包括液滴直径检测装置、液滴速度检测装置、液膜厚度检测装置和撞击图像采集装置；所述液滴直径检测装置为工业相机(6)，所述工业相机(6)置于与液滴(9)生成口即针管(8)末端同一高度处，通过控制模块(5)传输信号；所述液滴速度检测装置置于偏转电场板(10)的下方，包括延时控制器(11)、光屏障(12)、连杆(13)、多普勒测速仪(14)、测速仪移动轴(15)；所述光屏障(12)通过连杆(13)固定在多普勒测速仪(14)右上方，光屏障(12)通过延时控制器(11)向多普勒测速仪(14)传输信号；所述多普勒测速仪(14)通过控制模块(5)传输信号；所述液膜厚度检测装置和撞击...

【技术特征摘要】
1.一种液滴撞击液膜可视化实验平台，其特征在于：所述平台包括液滴生成装置、液膜生成装置(17)、液膜移动装置、图像采集及检测系统、控制处理系统；所述控制处理系统与液滴生成装置、液膜生成装置、液膜移动装置、图像采集及检测系统相互协作，实现不同种类、不同直径、不同数量、不同偏转角度及不同滴落速度的液滴滴落至不同种类、不同倾角、不同流动速度液膜的实验研究；所述的控制处理系统，包括PC输入端(19)、中央处理器(20)、显示器(21)、控制模块(5)，该系统以中央处理器(20)为核心，单向接受PC输入端(19)的目标信息，单向输出信息至显示器(21)，双向接受并反馈控制模块(5)的信号；所述液滴生成装置，包括注射泵(1)，不锈钢管(2)，避震软管(3)，小球发射器(4)，孔板(7)，针管(8)，液滴(9)，偏转电场板(10)，延时控制器(11)，光屏障(12)，连杆(13)，多普勒测速仪(14)，测速仪移动轴(15)；所述不锈钢管(2)一端与注射泵(1)相连，另一端与孔板(7)相连，且不锈钢管(2)中间嵌有一段避震软管(3)；所述孔板(7)上插有针管(8)，液滴(9)从针管(8)中滴落；所述小球发射器(4)置于避震软管(3)下方的不锈钢管(2)左边，通过控制模块(5)传输信号；所述针管(8)下方设有偏转电场板(10)；所述注射泵(1)推进液体流动，经过不锈钢管(2)、避震软管(3)及孔板(7)，最终生成液滴(9)从针管(8)自由下落，穿过偏转电场板(10)，滴落至液膜生成装置(17)上；所述的液膜生成装置(17)，包括微型定量蠕动泵(17-1)、缓冲箱(17-2)、液膜刷(17-3)、刮刀(17-4)、液膜槽(17-5)；液膜刷(17-3)连接在缓冲箱(17-2)底部，与缓冲箱(17-2)同宽，刮刀(17-4))由硬质疏水塑料制成，与缓冲箱(17-2))同宽并与其连接在一起，所述微型定量蠕动泵(17-1)连接缓冲箱(17-2)，所述微型定量蠕动泵(17-1)接收控制模块(5)的信号，控制缓冲箱(17-2)中液体采用等体积法将液体经液膜刷(17-3)、毛细管(17-6)以一定速率均匀平铺到液膜槽(17-5)内，同时，刮刀(17-4)在液膜槽(17-5)移动过程中将形成的液膜刮平，保证生成的液膜厚度均匀；液膜刷(17-3)中间密集布置了软毛细管(17-6)；所述液膜移动装置，包括液膜台移动轴(16)、液压升降台(18)、支架(17-7)、设备平台(17-8)、滑槽(17-9)、限位块(17-10)、齿轮箱(17-11)、齿条(17-12)、连接立柱(17-13)、微型变频调速电机(17-14)和壳体(17-15)，所述支架(17-7)固定在液膜移动装置的设备平台(17-8)上，用以支撑和实现刮刀(17-4)和液膜刷(17-3)在支架(17-7)上往复垂直运动；所述液膜台移动轴(16)和液压升降台(18)控制液膜生成装置(17)纵向移动及倾斜一定角度，设备平台(17-8)、滑槽(17-9)、限位块(17-10)、齿轮箱(17-11)、齿条(17-12)、连接立柱(17-13)、微型变频调速电机(17-14)和壳体(17-15)控制液膜生成装置(17)横向移动，所述微型变频调速电机(17-14)传动轴与齿轮箱(17-11)连接，所述齿轮箱(17-11)下面焊接有壳体(17-15)，用于固定放置微型变频调速电机(17-14)；所述设备平台(17-8)为U型凹槽状，所述设备平台(17-8)的凹槽内的两臂上对称设置两根齿条(17-12)，所述齿条(17-12)与齿轮箱(17-11)里两边的齿轮相啮合，通过接收控制模块(5)的信号调节输出转矩，连接立柱(17-13)上端与液膜槽(17-5)焊接在一起，下端与齿轮箱(17-11)焊接在一起，所述液膜槽(17-5)底部设置四个滚轮(17-5-1)，滚轮(17-5-1)卡入设置在U型凹槽内两臂的滑槽(17-9)内，所述滑槽(17-9)的各个端点处均设置限位块(17-10)，所述设备平台(17-8)底部设置液压升降台(18)；所述的图像采集及检测系统，包括液滴直径检测装置、液滴速度检测装置、液膜厚度检测装置和撞击图像采集装置；所述液滴直径检测装置为工业相机(6)，所述工业相机(6)置于与液滴(9)生成口即针管(8)末端同一高度处，通过控制模块(5)传输信号；所述液滴速度检测装置置于偏转电场板(10)的下方，包括延时控制器(11)、光屏障(12)、连杆(13)、多普勒测速仪(14)、测速仪移动轴(15)；所述光屏障(12)通过连杆(13)固定在多普勒测速仪(14)右上方，光屏障(12)通过延时控制器(11)向多普勒测速仪(14)传输信号；所述多普勒测速仪(14)通过控制模块(5)传输信号；所述液膜厚度检测装置和撞击图像采集装置为同一装置，包括步进电机(17-16)、丝杠(17-17)、光杠(17-18)、丝杠支撑座(17-19)、滑台(17-20)、双目摄像仪(17-21)，在实验准备阶段检测液膜厚度，在实验操作阶段采集液滴撞击液膜的图像，步进电机(17-16)与丝杆(17-17)连接，固定安装在设备平台(17-8)的凹槽内，丝杠(17-17)上有螺纹，与滑台(17-20)螺纹连接，提供滑台(17-20)运动的扭矩，丝杠(17-17)和光杠(17-18)穿过并支撑滑台(17-20)，同时穿过两端布置的丝杠支撑座(17-19)，步进电机(17-16)和双目摄像仪(17-21)均接收控制模块(5)的信号而动作。2.根据权利要求1所述的一种液滴撞击液膜可视化实验平台，其特征在于：所述的小球发射器(4)包括气体室(4-1)、挡板(4-2)、进球管道(4-3)、小球(4-4)、小球弹出管道(4-6)和小球收集网兜(4-7)；所述小球弹出管道(4-6)的左端连接气体室(4-1)，右端连接小球收集网兜(4-7)，垂直段连接进球管道(4-3)；所述气体室(4-1)为气压为2Mpa高压气体室，通过挡板(4-2)与小球弹出管道(4-3)相隔，挡板(4-2)由电磁阀控制，小球(4-4)由进球管道(4-3)进入小球发射器(4)，进球管道(4-3)与小球弹出管道(4-6)的直径一致，均大于小球(4-4)直径。3.根据权利要求2所述的一种液滴撞击液膜可视化实验平台，其特征在于：所述小球弹出管道(4-6)中设有弹性挡圈(4-5)，以约束小球(4-4)的位置，小球收集网兜(4-7)为棉线材质，以避免小球(4-4)发生弹跳。4.根据权利要求1所述的一种液滴撞击液膜可视化实验平台，其特征在于：所述针管(8)与孔板(7)为过盈配合，配合部分直径为4mm；针管有d＝2mm，产生直径为17-18mm的液滴；d＝3mm，产生直径为3-4mm的液滴；d＝4mm，产生直径为4-5mm的液滴三种型号。5.根据权利要求1所述的一种液滴撞击液膜可视化实验平台，其特征在于：所述孔板(7)与不锈钢管(2)通过螺纹连接，装配时设有垫圈起密封作用，所述孔板(7)具有可互换性，包括一孔制、二孔制、三孔制、四孔制的孔板，孔径均为4mm，且孔板(7)上的孔都对称均匀布置，通过在不锈钢管(2)末端更换不同型号的孔板，可产生不同数量的液滴。6.根据权利要求1所述的一种液滴撞击液膜可视化实验平台，其特征在于：所述齿轮箱(17-11)具有二级齿轮传动，包括一级主动直齿轮(17-11-1)、两个从动齿轮(17-11-2)以及二级齿轮(17-11-3)，齿轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔庆杰，赵雪怡，张志翔，刘婷婷，周嵘，闵慧芹，翟晓晖，吴倩，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32