本實(shí)用新型涉及一種實(shí)驗(yàn)裝置，尤其是一種用于粘性介質(zhì)中顆粒與壁面碰撞實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

固液兩相流輸送廣泛應(yīng)用于電力、石油化工、制藥、冶金、水力輸送等領(lǐng)域，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著非常重要的作用。本實(shí)用新型以固液兩相流輸運(yùn)設(shè)備為研究對(duì)象，固液兩相流輸運(yùn)設(shè)備的磨損主要決定于以下幾個(gè)因素：顆粒碰撞壁面速度、碰撞角度、顆粒濃度、以及運(yùn)載顆粒流體的性質(zhì)、碰撞顆粒的性質(zhì)等。因此對(duì)顆粒碰撞和磨損機(jī)理的研究對(duì)提高固液兩相流輸運(yùn)設(shè)備的使用壽命和性能有著十分重要的意義。

由于現(xiàn)有兩相流測(cè)試技術(shù)的限制，直接測(cè)量固液兩相流輸運(yùn)設(shè)備內(nèi)顆粒碰撞參數(shù)非常困難。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)固體顆粒在粘性介質(zhì)中的碰撞實(shí)驗(yàn)裝置還不夠完善，還沒有十分理想的顆粒碰撞實(shí)驗(yàn)裝置。現(xiàn)如今普遍使用的實(shí)驗(yàn)裝置還停留在對(duì)干表面以及濕表面的顆粒碰撞研究，并且顆粒的碰撞速度也只停留在低速階段，例如下落式實(shí)驗(yàn)裝置與彈射式實(shí)驗(yàn)裝置，只適用于做低速碰撞實(shí)驗(yàn)。且受速度限制無法做液體介質(zhì)中的高速碰撞實(shí)驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)在粘性介質(zhì)中顆粒的碰撞反彈機(jī)理以及引起的材料磨損機(jī)理一直沒有很好的解釋。

因此研究和開發(fā)適用于模擬實(shí)際工況，更準(zhǔn)確的研究和測(cè)量固液兩相流中顆粒的碰撞反彈及磨損機(jī)理的新型顆粒碰撞實(shí)驗(yàn)裝置和方法很有必要。

中國(guó)專利的授權(quán)公告號(hào)CN101975654B，公開了一種“電破膜式激波管的破膜裝置”。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，為粘性介質(zhì)中高速碰撞提供合理實(shí)驗(yàn)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)裝置。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種用于粘性介質(zhì)中顆粒與壁面碰撞實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置，包括有：

液箱，該液箱上兩相對(duì)設(shè)置的箱壁處設(shè)有透視窗；

帶出氣口的高壓氣罐；

豎直設(shè)置的激波管，該激波管包括有高壓段、低壓段、及夾設(shè)于高壓段和低壓段之間的膜單元，其中高壓段與高壓氣罐出氣口通過管路連通，低壓段處設(shè)有朝向液箱內(nèi)部設(shè)置的噴口，該噴口處安裝有封口單元；

安裝于低壓段處的壓力傳感器，該壓力傳感器用于監(jiān)控低壓段內(nèi)壓力狀態(tài)、且產(chǎn)生相應(yīng)的壓力信號(hào)；

安裝于液箱底部、且與低壓段噴口位置相對(duì)應(yīng)的角度可調(diào)試件架；

用于朝向角度可調(diào)試件架所在位置拍攝的高速攝像機(jī)，并產(chǎn)生相應(yīng)的視頻信號(hào)；

用于角度可調(diào)試件架處所述顆粒速度檢測(cè)的紅外線測(cè)速儀，并產(chǎn)生相應(yīng)的速度信號(hào)；

控制單元，用于接收判斷來自壓力傳感器的壓力信號(hào)，并根據(jù)判斷結(jié)果控制紅外線測(cè)速儀和高速攝像機(jī)的工作狀態(tài)。

本實(shí)用新型的有益效果是：膜單元的承受極限預(yù)先已知，實(shí)驗(yàn)用的實(shí)驗(yàn)顆粒預(yù)裝于激波管的低壓段內(nèi)。液箱內(nèi)承裝有檢測(cè)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，通過高壓氣罐往激波管的高壓段內(nèi)加壓，當(dāng)壓力增加到膜單元承受極限時(shí)，膜單元破裂，而高壓氣流進(jìn)入低壓段，此時(shí)低壓段內(nèi)壓力徒增，緊接著封口單元被沖破，氣流帶著實(shí)驗(yàn)顆粒沖出激波管并進(jìn)入實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。沖入實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的顆粒在自身動(dòng)能作用下繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，直至撞擊在角度可調(diào)試件架上，而撞擊前的速度及影像分別通過紅外線測(cè)速儀和高速攝像機(jī)記錄下來，并傳輸至控制單元進(jìn)行計(jì)算和判斷。此處的控制單元為具有數(shù)據(jù)記錄和儲(chǔ)備功能的計(jì)算機(jī)。整個(gè)過程由簡(jiǎn)入繁，將固液兩相流設(shè)備中出現(xiàn)的顆粒與曲面的碰撞轉(zhuǎn)化為顆粒對(duì)平面的碰撞，可實(shí)現(xiàn)先對(duì)尺寸較大的球形顆粒的碰撞過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，再逐漸過渡到小顆粒的情形上去，而且能完整檢測(cè)記錄顆粒的高速碰撞狀態(tài)，為理論研究提供了極其寶貴和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和樣本案例。

由于碰撞的發(fā)生可能是多角度的，為了提供更加豐富的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，因此角度可調(diào)試件架包括有：安裝于液箱底部的支撐座；安裝于支撐座上的碰撞臺(tái)，該碰撞臺(tái)底部鉸接有滑架，該滑架與支撐座間滑動(dòng)配合，碰撞臺(tái)上遠(yuǎn)離滑架的部位鉸接有套管，該套管內(nèi)插設(shè)有豎直設(shè)置的螺桿；所述支撐座上開設(shè)有與螺桿相配合的螺孔。通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿，使得碰撞臺(tái)一端上升，而碰撞臺(tái)底部則在支撐座處滑動(dòng)，從而使得碰撞臺(tái)發(fā)生傾斜，改變顆粒碰撞時(shí)的平面角度，便于研究顆粒碰撞不同平面(即曲面)時(shí)的結(jié)果。

不同溫度下，介質(zhì)的粘稠度將會(huì)發(fā)生變化，也即顆粒在介質(zhì)中所受阻力也將不一樣。因此，為了研究不同溫度下顆粒在介質(zhì)中的碰撞情況，在液箱內(nèi)還安裝有液體加熱單元，該液體加熱單元受控于控制單元，加熱單元和控制單元間通過線路連接。為了方便檢測(cè)，也可以在液箱內(nèi)安裝測(cè)溫單元，該測(cè)溫單元測(cè)量液箱內(nèi)穩(wěn)定后產(chǎn)生溫度數(shù)據(jù)，該溫度數(shù)據(jù)傳遞給控制單元，供控制單元采集和判斷使用。

為了保證高速攝像機(jī)能采集到清晰的影像信息，所以實(shí)驗(yàn)裝置還包括有用于在角度可調(diào)試件架處提供光源的照明單元。

低壓段的噴口處連接有噴管，該噴管為直管、且延伸至角度可調(diào)試件架處；噴管和低壓段噴口間分別設(shè)有噴管法蘭、及與噴管法蘭相配合的噴口法蘭；所述封口單元為密封片，該密封片安裝于噴管和低壓段噴口的連接處。密封片可以為特定的紙片或膜片，且密封片的選擇是經(jīng)過特定選擇的，在膜單元破裂后，同樣壓力沖擊下，密封片也能隨之破裂，從而達(dá)到顆粒的充分釋放。

由于進(jìn)行的是顆粒的高速碰撞實(shí)驗(yàn)，在激波管階段，針對(duì)顆粒的任何細(xì)微干擾都會(huì)影響到顆粒的沖擊速度和方向，進(jìn)而對(duì)碰撞數(shù)據(jù)帶來無比嚴(yán)重的干擾，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差徒增。密封片破裂時(shí)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)或震動(dòng)，若顆粒置放于密封片上，顆粒的運(yùn)動(dòng)速度和方向勢(shì)必會(huì)收到干擾。為此，如何解決激波管中顆粒的準(zhǔn)確、無干擾的釋放技術(shù)則至關(guān)重要。其中一種方案是，在低壓段內(nèi)設(shè)有用于盛放所述顆粒的環(huán)形片，該環(huán)形片為硅膠材料制成，環(huán)形片沿低壓段周向布置，環(huán)形片外周緣與低壓段內(nèi)壁粘合固定，環(huán)形片以粘合處為原點(diǎn)、且與水平面呈1～10°夾角設(shè)置。與水平面呈夾角的環(huán)形片形成一個(gè)斜坡，顆粒放置于環(huán)形片上，且落于斜坡底部，當(dāng)高壓氣流沖擊環(huán)形片時(shí)，環(huán)形片將繞原點(diǎn)向下翻轉(zhuǎn)，從而使得顆粒從環(huán)形片上落下，此時(shí)的顆粒幾乎不受干擾。而密封片的破裂不會(huì)直接影響環(huán)形片的穩(wěn)定，從而避免了密封片對(duì)顆粒的影響。環(huán)形片與水平面呈1～10°夾角設(shè)置，該角度大小至關(guān)重要，既能對(duì)顆粒起到支撐，又能在翻轉(zhuǎn)時(shí)減少對(duì)顆粒的阻力。

另一種方案，低壓段內(nèi)壁處固定有若干向上設(shè)置的倒毛，該倒毛環(huán)繞低壓段周向布置；倒毛處與低壓段相固定的端部為根部，任意兩相鄰倒毛的根部緊密相鄰、且相鄰間距為0～1mm；倒毛以根部為原點(diǎn)、且與水平面呈1～10°夾角設(shè)置。倒毛的設(shè)置相對(duì)于環(huán)形片更加柔軟，在倒毛翻轉(zhuǎn)時(shí)能進(jìn)一步減少阻力，保證顆粒能保持理想的速度和方向。

另一種方案，低壓段內(nèi)壁處還卡設(shè)有水平設(shè)置的環(huán)形架，該環(huán)形架內(nèi)環(huán)表面凸設(shè)有沿環(huán)形架周向設(shè)置的支撐毛，該支撐毛的根部與環(huán)形架內(nèi)環(huán)表面固定，支撐毛的尖部朝向環(huán)形架中心延伸，各支撐毛的尖部在環(huán)形架中心位置交錯(cuò)疊加、且形成用于盛放所述顆粒的支撐區(qū)。通過相互交錯(cuò)的支撐毛尖部形成供顆粒盛放的支撐區(qū)，當(dāng)高壓氣流沖擊支撐區(qū)時(shí)，由于支撐毛尖部相對(duì)于根部更加柔軟，因此顆粒幾乎在零阻擋的情況下穿過支撐區(qū)，因此從管口沖出的顆粒能保持最最理想化的速度，而且?guī)缀鹾屠碚撍俣缺３忠恢?，使得顆粒碰撞試驗(yàn)的結(jié)果貼合最理想化的狀態(tài)，達(dá)到更高級(jí)別的精度。

為了監(jiān)控激波管高壓段的壓力，則激波管的高壓段處設(shè)有用于監(jiān)測(cè)高壓段內(nèi)部壓力的壓力表。

控制單元包括相互串接的同步控制器和計(jì)算機(jī)，同步控制器的數(shù)據(jù)輸入端與壓力傳感器和高速攝像機(jī)分別通過線路連接，同步控制器的數(shù)據(jù)輸出端與計(jì)算機(jī)通過線路連接；計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)輸入端與紅外線測(cè)速儀和高速攝像機(jī)分別通過線路連接。通過同步控制器的設(shè)置，能保證壓力傳感器在感應(yīng)到壓力變化的微秒時(shí)間內(nèi)，通過計(jì)算機(jī)觸發(fā)高速攝像機(jī)的工作，做到完全智能化的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，也減少了人工誤差，和不必要的能源損耗。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例一角度可調(diào)試件架的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例一激波管低壓段的剖視圖。

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例一的電路框圖。

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例二激波管低壓段的剖視圖，省略了部分支撐毛。

圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例三環(huán)形架的結(jié)構(gòu)示意圖，省略了部分支撐毛。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述：

如圖1、2、3、4所示，本實(shí)施例包括控制單元1和帶透視窗的液箱2，透視窗位于液箱2上兩相對(duì)設(shè)置的箱壁處；液箱2外還設(shè)有高壓氣罐3，該高壓氣罐3帶有出氣口31；液箱2上方豎直設(shè)有激波管4，該激波管4包括有高壓段41、低壓段42、及夾設(shè)于高壓段41和低壓段42之間的膜單元43，其中高壓段41與高壓氣罐3出氣口31通過管路連通，低壓段42處設(shè)有朝向液箱2內(nèi)部設(shè)置的噴口421，該噴口421處安裝有密封片44。在低壓段42處安裝有壓力傳感器422，該壓力傳感器422用于監(jiān)控低壓段42內(nèi)壓力狀態(tài)、且產(chǎn)生相應(yīng)的壓力信號(hào)；在液箱2底部安裝有角度可調(diào)試件架5，該角度可調(diào)試件架5與低壓段42噴口421位置相對(duì)應(yīng)；在角度可調(diào)試件架5所在位置還安裝有高速攝像機(jī)6，高速攝像機(jī)6位于液箱2外，且通過透視窗拍攝角度可調(diào)試件架5處的碰撞，并將所拍攝的影像轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的視頻信號(hào)；在角度可調(diào)試件架5還安裝有紅外線測(cè)速儀7，該紅外線測(cè)速儀7用于監(jiān)測(cè)碰撞是顆粒的速度，并產(chǎn)生相應(yīng)的速度信號(hào)；控制單元1用于接收判斷來自壓力傳感器422的壓力信號(hào)，并根據(jù)判斷結(jié)果控制紅外線測(cè)速儀7和高速攝像機(jī)6的工作狀態(tài)。

由于碰撞的發(fā)生可能是多角度的，為了提供更加豐富的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，因此角度可調(diào)試件架5包括安裝于液箱2底部的支撐座51；在支撐座51上安裝有碰撞臺(tái)52，該碰撞臺(tái)52底部鉸接有滑架53，該滑架53與支撐座51間滑動(dòng)配合，碰撞臺(tái)52上遠(yuǎn)離滑架53的部位鉸接有套管54，該套管54內(nèi)插設(shè)有豎直設(shè)置的螺桿55；支撐座51上開設(shè)有與螺桿55相配合的螺孔511。為了研究不同溫度下顆粒在介質(zhì)中的碰撞需要，在液箱2內(nèi)還安裝有液體加熱單元8，該液體加熱單元8受控于控制單元1，加熱單元8和控制單元1間通過線路連接。為了方便檢測(cè)，也可以在液箱2內(nèi)安裝測(cè)溫單元，該測(cè)溫單元測(cè)量液箱2內(nèi)穩(wěn)定后產(chǎn)生溫度數(shù)據(jù)，該溫度數(shù)據(jù)傳遞給控制單元1，供控制單元1采集和判斷使用。為了保證高速攝像機(jī)6能采集到清晰的影像信息，在角度可調(diào)試件架5處還安裝有用于提供光源的照明單元21，照明單元21可以位于液箱2內(nèi)，也可以位于液箱2外，若在液箱2內(nèi)需要做好防水處理。

低壓段42的噴口421處連接有噴管45，該噴管45為直管、且延伸至角度可調(diào)試件架5處；噴管45和低壓段42噴口421間分別設(shè)有噴管法蘭、及與噴管法蘭相配合的噴口法蘭，密封片44安裝于噴管45和低壓段42噴口421的連接處。根據(jù)不同壓力測(cè)試的需要，密封片44可以為特定的紙片或膜片，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)配。為了監(jiān)控激波管4高壓段41的壓力，則激波管4的高壓段41處設(shè)有用于監(jiān)測(cè)高壓段41內(nèi)部壓力的壓力表411。

控制單元1包括相互串接的同步控制器11和計(jì)算機(jī)12，同步控制器11的數(shù)據(jù)輸入端與壓力傳感器422和高速攝像機(jī)6分別通過線路連接，同步控制器11的數(shù)據(jù)輸出端與計(jì)算機(jī)12通過線路連接；計(jì)算機(jī)12的數(shù)據(jù)輸入端與紅外線測(cè)速儀7和高速攝像機(jī)6分別通過線路連接。通過同步控制器11的設(shè)置，能保證壓力傳感器422在感應(yīng)到壓力變化的微秒時(shí)間內(nèi)，通過計(jì)算機(jī)12觸發(fā)高速攝像機(jī)的工作，做到完全智能化的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，也減少了人工誤差，和不必要的能源損耗。

由于進(jìn)行的是顆粒的高速碰撞實(shí)驗(yàn)，在激波管4階段，針對(duì)顆粒的任何細(xì)微干擾都會(huì)影響到顆粒的沖擊速度和方向，進(jìn)而對(duì)碰撞數(shù)據(jù)帶來無比嚴(yán)重的干擾，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差徒增。密封片44破裂時(shí)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)或震動(dòng)，若顆粒置放于密封片44上，顆粒的運(yùn)動(dòng)速度和方向勢(shì)必會(huì)收到干擾。為此，如何解決激波管4中顆粒的準(zhǔn)確、無干擾的釋放技術(shù)則至關(guān)重要。其中一種方案是，在低壓段42內(nèi)設(shè)有用于盛放顆粒的環(huán)形片423，該環(huán)形片423為硅膠材料制成，環(huán)形片423沿低壓段42周向布置，環(huán)形片423外周緣與低壓段42內(nèi)壁粘合固定，環(huán)形片423以粘合處為原點(diǎn)、且與水平面呈1～10°夾角設(shè)置。與水平面呈夾角的環(huán)形片423形成一個(gè)斜坡，顆粒放置于環(huán)形片423上，且落于斜坡底部，當(dāng)高壓氣流沖擊環(huán)形片423時(shí)，環(huán)形片423將繞原點(diǎn)向下翻轉(zhuǎn)，從而使得顆粒從環(huán)形片423上落下，此時(shí)的顆粒幾乎不受干擾。而密封片44的破裂不會(huì)直接影響環(huán)形片423的穩(wěn)定，從而避免了密封片44對(duì)顆粒的影響。環(huán)形片423與水平面呈1～10°夾角設(shè)置，該角度大小至關(guān)重要，既能對(duì)顆粒起到支撐，又能在翻轉(zhuǎn)時(shí)減少對(duì)顆粒的阻力。

本實(shí)用新型中，膜單元43和密封片44的承受極限預(yù)先已知，實(shí)驗(yàn)用的實(shí)驗(yàn)顆粒預(yù)裝于激波管4的低壓段42內(nèi)。特別是激波管4的結(jié)構(gòu)和功能均為現(xiàn)有技術(shù)，在此不做贅述。液箱2內(nèi)承裝有檢測(cè)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，通過高壓氣罐往激波管4的高壓段41內(nèi)加壓，當(dāng)壓力增加到膜單元43承受極限時(shí)，膜單元43破裂，而高壓氣流進(jìn)入低壓段42，此時(shí)低壓段42內(nèi)壓力徒增，緊接著密封片44被沖破，氣流帶著實(shí)驗(yàn)顆粒沖出激波管4并進(jìn)入實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。沖入實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的顆粒在自身動(dòng)能作用下繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，直至撞擊在角度可調(diào)試件架5上，而撞擊前的速度及影像分別通過紅外線測(cè)速儀7和高速攝像機(jī)6記錄下來，并傳輸至控制單元1進(jìn)行計(jì)算和判斷。此處的控制單元1為具有數(shù)據(jù)記錄和儲(chǔ)備功能的計(jì)算機(jī)12。整個(gè)過程由簡(jiǎn)入繁，將固液兩相流設(shè)備中出現(xiàn)的顆粒與曲面的碰撞轉(zhuǎn)化為顆粒對(duì)平面的碰撞，可實(shí)現(xiàn)先對(duì)尺寸較大的球形顆粒的碰撞過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，再逐漸過渡到小顆粒的情形上去，而且能完整檢測(cè)記錄顆粒的高速碰撞狀態(tài)，為理論研究提供了極其寶貴和準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和樣本案例。

實(shí)施例二：如圖5所示，與實(shí)施例一的區(qū)別僅在于，低壓段42內(nèi)壁處固定有若干向上設(shè)置的倒毛424，該倒毛424環(huán)繞低壓段42周向布置；倒毛424處與低壓段42相固定的端部為根部，任意兩相鄰倒毛424的根部緊密相鄰、且相鄰間距為0～1mm；倒毛424以根部為原點(diǎn)、且與水平面呈1～10°夾角設(shè)置。倒毛424的設(shè)置相對(duì)于環(huán)形片423更加柔軟，在倒毛424翻轉(zhuǎn)時(shí)能進(jìn)一步減少阻力，保證顆粒能保持理想的速度和方向。

實(shí)施例三：如圖6所示，與實(shí)施例一的區(qū)別僅在于，低壓段42內(nèi)壁處還卡設(shè)有水平設(shè)置的環(huán)形架425，該環(huán)形架425內(nèi)環(huán)表面凸設(shè)有沿環(huán)形架425周向設(shè)置的支撐毛4251，該支撐毛4251的根部與環(huán)形架425內(nèi)環(huán)表面固定，支撐毛4251的尖部朝向環(huán)形架425中心延伸，各支撐毛4251的尖部在環(huán)形架425中心位置交錯(cuò)疊加、且形成用于盛放顆粒的支撐區(qū)4252。通過相互交錯(cuò)的支撐毛4251尖部形成供顆粒盛放的支撐區(qū)4252，當(dāng)高壓氣流沖擊支撐區(qū)4252時(shí)，由于支撐毛4251尖部相對(duì)于根部更加柔軟，因此顆粒幾乎在零阻擋的情況下穿過支撐區(qū)4252，因此從噴口421沖出的顆粒能保持最最理想化的速度，而且?guī)缀鹾屠碚撍俣缺３忠恢?，使得顆粒碰撞試驗(yàn)的結(jié)果貼合最理想化的狀態(tài)，達(dá)到更高級(jí)別的精度。