本發(fā)明屬于試驗裝置領(lǐng)域，更具體地，涉及一種液滴高速撞壁的試驗裝置。

背景技術(shù)：

液滴撞擊固體壁面的現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中比較常見，如土壤浸蝕、噴墨打印、噴霧冷卻、發(fā)動機燃油噴射撞壁等。因此，針對液滴撞擊干(濕)固體壁面現(xiàn)象的研究有著非常重要的意義。以往研究表明，液滴撞擊固體壁面后，根據(jù)碰撞動能的不同，會分別呈現(xiàn)出液滴鋪展或者液滴飛濺兩種碰撞形態(tài)。對于液滴撞擊干(濕)固體壁面的試驗研究，學(xué)者們大多以高速相機抓拍液滴撞壁后的鋪展或飛濺過程作為切入點，并結(jié)合圖像處理技術(shù)，獲得不同條件下液滴撞壁的詳細(xì)發(fā)展過程以及變化規(guī)律。

目前，常用的液滴撞壁現(xiàn)象的觀測試驗臺架原理都比較簡單。文獻“宋云超等,液滴撞擊壁面的飛濺運動.內(nèi)燃機學(xué)報,2013(06):第531-536頁.”公開了一種用于觀測液滴撞壁的試驗裝置，作者利用該試驗裝置對液滴撞壁數(shù)值計算模型的可靠性進行了驗證，并研究了液滴撞壁飛濺的臨界條件。但在該論文的試驗裝置中，液滴通過重力獲得撞壁速度，只能通過調(diào)節(jié)液滴下落高度來改變撞壁速度。這樣一來，為了獲得較高的撞壁速度，就要不斷提高液滴發(fā)生器高度，造成了試驗臺架體積龐大的問題。此外，由于液滴下落過程中存在空氣阻力，所以液滴撞壁速度的提高還存在瓶頸。

為了克服這一問題，獲得較高的液滴撞壁速度，文獻“Pan,K.,K.Tseng and C.Wang,Breakup of a droplet at high velocity impacting a solid surface.Experiments in Fluids,2010.48(1):p.143-156.”公開了另一種液滴撞壁的試驗裝置，文中作者通過氣流對液滴的下落過程進行加速，可以使液滴的撞壁速度得到大幅提高。但是在該裝置中，液滴撞擊固體壁面前并沒有從高速氣流中完全分離，無法避免氣流對撞壁后飛濺形態(tài)的影響。因此，通過該裝置拍攝到的液滴撞壁飛濺形態(tài)無法反映真實現(xiàn)象。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種液滴高速撞壁的試驗裝置，其能夠獲得液滴高速撞擊固體壁面，且能夠方便調(diào)節(jié)液滴撞壁夾角的發(fā)生裝置。其旨在設(shè)計一個能夠?qū)σ旱芜M行加速，并能方便調(diào)節(jié)撞壁速度、撞壁夾角以及液滴直徑，避免加速氣流對液滴撞壁飛濺過程產(chǎn)生干擾。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種液滴高速撞壁的試驗裝置，其特征在于，包括計算機、繼電器模塊、高速相機、電磁鐵、針頭、風(fēng)洞結(jié)構(gòu)、引流風(fēng)機、波紋管、支撐管段、支撐架、分流罩、聚光燈和散光板，其中，

所述計算機分別連接所述繼電器模塊和所述高速相機，所述繼電器模塊與所述電磁鐵連接；

所述電磁鐵包括螺線管盒體、鐵芯和回位彈簧，所述螺線管盒體內(nèi)的線圈與所述繼電器模塊連接，所述鐵芯豎直設(shè)置并且伸入所述螺線管盒體內(nèi)，所述回位彈簧穿裝在所述鐵芯上，并且所述回位彈簧的一端安裝在所述螺線管盒體上，另一端安裝在所述鐵芯上，以用于帶動所述鐵芯回位；

所述針頭固定安裝在所述鐵芯的下端，以用于懸掛液滴；

所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)位于所述針頭的正下方，其豎直安裝在固定支架上，并且其上端作為風(fēng)洞入口，下端作為風(fēng)洞出口；

所述引流風(fēng)機的入風(fēng)口對應(yīng)設(shè)置于所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的出口處，以從所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)內(nèi)抽取空氣并在所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)中形成穩(wěn)定向下的氣流，從而用于加快掉入風(fēng)洞結(jié)構(gòu)內(nèi)部的液滴的下落速度；

所述波紋管安裝于所述引流風(fēng)機的入風(fēng)口處并且其承接所述支撐管段；

所述支撐管段的上端伸入所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的下端，并且其承接所述支撐架；

所述分流罩放置在所述支撐架上，其上端具有開孔，以作為液滴入口，其下端封閉，所述分流罩的外壁與所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁之間存在間隙，以作為風(fēng)流通道；

所述測試板設(shè)置于所述分流罩內(nèi)，以用于與液滴進行碰撞；

所述聚光燈和所述散光板設(shè)置于所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)旁，并且所述散光板位于所述聚光燈和所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)之間，以用于照亮所述測試板及液滴撞擊測試板壁面后飛濺的區(qū)域；

所述高速相機水平設(shè)置于所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)旁，以用于拍攝液滴撞擊測試板壁面后的飛濺狀況。

優(yōu)選地，所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)塑料加速管段和石英分流管段，以用于整合氣流和加速液滴，所述塑料加速管段的下端和所述石英分流管段的上端固定連接在一起，所述支撐管段的上端伸入所述石英分流管段的下端。

優(yōu)選地，所述引流風(fēng)機連接有變頻器，所述變頻器連接交流電源，通過調(diào)節(jié)所述變頻器，可改變所述引流風(fēng)機的供電頻率，從而改變所述引流風(fēng)機的葉片的轉(zhuǎn)速，從而改變所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)中的氣體流速，進而調(diào)節(jié)其對液滴的加速效果。

優(yōu)選地，所述繼電器模塊連接直流電源。

優(yōu)選地，所述分流罩為上下均敞口的石英玻璃罩杯，其下端抵靠在所述支撐架上并且通過所述支撐架封閉。

優(yōu)選地，所述測試板通過鉸接結(jié)構(gòu)安裝在所述支撐架上，所述鉸接結(jié)構(gòu)包括上楔形三角塊和下楔形三角塊并且所述上楔形三角塊和下楔形三角塊通過鉸接螺栓連接，所述測試板安裝在所述上楔形三角塊上，通過改變上楔形三角塊和下楔形三角塊的夾角，可調(diào)整所述測試板的傾斜角度，從而調(diào)整液滴撞擊測試板的夾角。

優(yōu)選地，所述散光板由磨砂玻璃制成。

優(yōu)選地，所述支撐架包括圓板主體及周向布置在所述圓板主體側(cè)面的多個掛桿，所述圓板主體上設(shè)有臺階，所述分流罩放置在所述圓板主體的臺階上。

優(yōu)選地，所述支撐管段的頂端承接所有的掛桿。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

本發(fā)明能夠有效提高試驗中液滴的撞壁速度，使得液滴撞壁飛濺試驗裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。此外，通過在風(fēng)洞結(jié)構(gòu)中安裝分流罩，將液滴從氣流中分離出來，可以解決氣流對液滴撞壁的干擾問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意簡圖。

圖2是分流罩安裝在風(fēng)洞結(jié)構(gòu)內(nèi)的示意圖；

圖3是所述支撐架的俯視圖；

圖4是鉸接結(jié)構(gòu)的示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

參照圖1～圖4，一種液滴高速撞壁的試驗裝置，包括計算機5、繼電器模塊3、高速相機9、電磁鐵1、針頭2、風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6、引流風(fēng)機11、波紋管10、支撐管段18、支撐架19、分流罩7、聚光燈14和散光板15，其中，

所述計算機5分別連接所述繼電器模塊3和所述高速相機9，所述繼電器模塊3與所述電磁鐵1連接；

所述電磁鐵1包括螺線管盒體、鐵芯和回位彈簧，所述螺線管盒體內(nèi)的線圈與所述繼電器模塊3連接，所述鐵芯豎直設(shè)置并且伸入所述螺線管盒體內(nèi)，所述回位彈簧穿裝在所述鐵芯上，并且所述回位彈簧的一端安裝在所述螺線管盒體上，另一端安裝在所述鐵芯上，以用于帶動所述鐵芯回位；

所述針頭2固定安裝在所述鐵芯的下端，以用于懸掛液滴；

所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6位于所述針頭2的正下方，其豎直安裝在固定支架上，并且其上端作為風(fēng)洞入口，下端作為風(fēng)洞出口；

所述引流風(fēng)機11的入風(fēng)口對應(yīng)設(shè)置于所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6的出口處，以從所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6內(nèi)抽取空氣并在所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6中形成穩(wěn)定向下的氣流，從而用于加快掉入風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6內(nèi)部的液滴的下落速度；

所述波紋管10安裝于所述引流風(fēng)機11的入風(fēng)口處并且其承接所述支撐管段18；

所述支撐管段18的上端伸入所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6的下端，并且其承接所述支撐架19；

所述分流罩7放置在所述支撐架19上，其上端具有開孔，以作為液滴入口，其下端封閉，所述分流罩7的外壁與所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6的內(nèi)壁之間存在間隙，以作為風(fēng)流通道；

所述測試板8設(shè)置于所述分流罩7內(nèi)，以用于與液滴進行碰撞；

所述聚光燈14和所述散光板15設(shè)置于所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6旁，并且所述散光板15位于所述聚光燈14和所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6之間，以用于照亮所述測試板8及液滴撞擊測試板8壁面后飛濺的區(qū)域；

所述高速相機9水平設(shè)置于所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6旁，以用于拍攝液滴撞擊測試板8壁面后的飛濺狀況。

進一步，所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6塑料加速管段16和石英分流管段17，以用于整合氣流和加速液滴，所述塑料加速管段16的下端和所述石英分流管段17的上端固定連接在一起，所述支撐管段18的上端伸入所述石英分流管段17的下端。

進一步，所述引流風(fēng)機11連接有變頻器12，所述變頻器12連接交流電源13，通過調(diào)節(jié)所述變頻器12，可改變所述引流風(fēng)機11的供電頻率，從而改變所述引流風(fēng)機11的葉片的轉(zhuǎn)速，從而改變所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6中的氣體流速，進而調(diào)節(jié)其對液滴的加速效果。

進一步，所述繼電器模塊3連接直流電源4。

進一步，所述分流罩7為上下均敞口的石英玻璃罩杯，其下端抵靠在所述支撐架19上并且通過所述支撐架19封閉。

進一步，所述測試板8通過鉸接結(jié)構(gòu)20安裝在所述支撐架19上，所述鉸接結(jié)構(gòu)20包括上楔形三角塊和下楔形三角塊并且所述上楔形三角塊和下楔形三角塊通過鉸接螺栓21連接，所述測試板8安裝在所述上楔形三角塊上，通過改變上楔形三角塊和下楔形三角塊的夾角，可調(diào)整所述測試板8的傾斜角度，從而調(diào)整液滴撞擊測試板8的夾角。

進一步，所述散光板15由磨砂玻璃制成。

進一步，所述支撐架19包括圓板主體及周向布置在所述圓板主體側(cè)面的多個掛桿，所述圓板主體上設(shè)有臺階，所述分流罩7放置在所述圓板主體的臺階上。

進一步，所述支撐管段18的頂端承接所有的掛桿。

試驗開始前，連接相關(guān)導(dǎo)線和控制電路。將所述鉸接結(jié)構(gòu)20調(diào)整為所需夾角，并擰緊所述鉸接螺栓21固定，將各部件按照圖1及圖2的方式安裝。在測試柴油液滴斜向撞擊固體壁面時，為防止傾斜的所述測試鋁板8遮擋所述高速相機拍攝，安放所述鉸接結(jié)構(gòu)20和所述測試鋁板8時應(yīng)當(dāng)保證所述鉸接螺栓21平行于拍攝光路。開啟所述聚光燈14，調(diào)試其方向，使其所照射的分流罩內(nèi)部亮度達(dá)到拍攝要求。打開所述高速相機9并調(diào)試其位置、焦距、曝光值等。

所述變頻器12接通交流電源后，所述引流風(fēng)機11將按照所述變頻器12的設(shè)定頻率旋轉(zhuǎn)。由于所述引流風(fēng)機11的進氣入口與所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6的底部通過所述波紋管10相連接，因此在所述引流風(fēng)機11的抽吸下，所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6將從上端入口處吸入空氣，并在所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6中形成向下的高速穩(wěn)定氣流。

初始狀況下，所述繼電器模塊3處于斷開狀態(tài)，此時電磁鐵1處于放松狀態(tài)。根據(jù)試驗所需柴油液滴的尺寸大小，計算所需柴油液滴的體積。使用微升注射器吸取定量的柴油，并用注射器將所需體積的待測柴油液體緩慢推送至所述針頭2的針尖處，使柴油液滴穩(wěn)定懸掛于所述針頭2的針尖部位。如若所需大小的柴油液滴不能穩(wěn)定懸掛于所述針頭2上，則應(yīng)當(dāng)更換直徑更大的針頭。

為減少懸掛時柴油液滴的蒸發(fā)量，減少尺寸誤差，應(yīng)盡快用所述計算機5控制所述繼電器模塊3使其閉合。所述電磁鐵1通電吸合后，將帶動所述針頭2向上快速抽動。此時所述針頭2上預(yù)先懸掛的柴油液滴由于慣性而脫離所述針頭2豎直下落。所述電磁鐵1通電過長會導(dǎo)致線圈發(fā)熱，因此待柴油液滴落下后，應(yīng)當(dāng)盡快通過所述計算機5控制所述繼電器模塊3為所述電磁鐵1斷電，使銜鐵復(fù)位。

柴油液滴自所述針頭2落下后，在重力作用下會豎直進入所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6中。在所述塑料加速管段16內(nèi)，柴油液滴在下落過程中，由于受到周圍高速氣流的攜帶和重力作用，其豎直下落的速度會逐漸增大。在進入所述石英分流管段17后，由于所述分流罩7的下端被所述支撐架19封閉，因此氣流將從所述分流罩7的外部四周流過。而氣流中夾帶的柴油液滴由于慣性比較大，仍然會沿著豎直方向進入所述分流罩7內(nèi)部，并最終撞擊到所述支撐架19上的所述測試板8上。由于所述分流罩7內(nèi)部沒有氣體流動，因此柴油液滴的撞壁鋪展以及飛濺過程不會受到氣流影響。

所述高速相機9監(jiān)測到所述分流罩7內(nèi)部有柴油液滴進入，將自動觸發(fā)拍攝。所述高速相機9完整記錄液滴撞擊測試板8的全部過程，并將圖像數(shù)據(jù)傳輸給所述計算機5供后續(xù)的分析研究。

至此，單次試驗及圖像采集工作完成。

若需繼續(xù)多次試驗，可斷開所述引流風(fēng)機11電源、關(guān)閉所述高速相機9。所述波紋管10下壓，所述支撐管段18從所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6中緩慢抽出，此時可將其上部的所述支撐架19、所述分流罩7以及所述測試板8一并取出，并完成所述測試板8的清洗擦拭或替換工作，重新將上述部件裝回。

如需改變柴油液滴的撞壁速度，可通過調(diào)節(jié)所述變頻器12改變所述引流風(fēng)機11的轉(zhuǎn)速，這樣一來，所述風(fēng)洞結(jié)構(gòu)6中的氣體流速發(fā)生變化，將間接改變液滴最終撞擊到測試板8的速度。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。