[发明专利]一种负压环境下高温熔融金属液滴碰壁实验装置及方法

权利要求书

1.一种使用负压环境下高温熔融金属液滴碰壁实验装置进行金属液滴碰壁的实验方法，其特征在于：所述实验装置包括金属液滴产生系统、可控温壁面系统、环境压力调节系统、自动触发高速摄影系统和图像处理系统；

所述环境压力调节系统包括真空箱(1)，真空箱(1)为竖直放置的中空柱状结构，且边角圆弧过度；真空箱(1)外安装有压阻真空计(14)、手动阀门(15)、高真空球阀(16)和真空泵(17)，用于压力的调节和实时显示；在真空箱(1)周向相对两个面上设置有石英玻璃视窗(9)，用于光照和高速相机(21)的拍摄；真空箱(1)一侧设置有真空箱侧门(25)；

所述金属液滴产生系统包括金属熔炉、黄铜喷嘴(5)、陶瓷电加热器(6)、压力变送器(7)、氮气瓶(12)、进气管路和电磁阀(13)；陶瓷电加热器(6)包围在所述金属熔炉外侧；所述金属熔炉的熔炉筒体(3)为竖直放置的中空柱状结构，两端分别通过熔炉上端盖(2)和熔炉下端盖(4)封闭；黄铜喷嘴(5)安装于所述金属熔炉内，熔炉筒体(3)和熔炉下端盖(4)连接的通孔内，使熔融态金属能够从黄铜喷嘴(5)中心孔滴落；氮气瓶(12)、电磁阀(13)和进气管路通过外伸接口安装于熔炉上端盖(2)上，压力变送器(7)安装于所述熔炉上端盖(2)，用于实时测量所述金属熔炉内部压力，精度为0.1Pa；

所述金属熔炉通过丝杠(8)安装在真空箱内部，丝杠(8)设置于真空箱(1)内，并垂直于真空箱(1)的底面；通过调节真空箱(1)外设置的丝杠手轮(24)转动丝杠(8)，进一步改变所述金属熔炉高度位置；

所述可控温壁面系统设置于真空箱(1)的底面上，并处于所述金属熔炉的正下方，包括实验壁面(10)、电加热板(11)和温度控制装置；实验壁面(10)水平放置在电加热板(11)上方，通过导热加温；所述温度控制装置与电加热板(11)连接；

所述自动触发高速摄影系统设置于真空箱(1)外，包括激光触发装置，高速摄影装置，光源系统；组成所述激光触发装置的激光发射器(18)和激光接收机(19)相对设置，其安装位置在金属液滴下落路径上，与石英玻璃视窗(9)相对；金属液滴下落时激光接收机(19)触发所述高速摄影装置的高速相机(21)的开关，开始记录；所述光源系统通过石英玻璃视窗(9)给真空箱(1)内照明；

所述图像处理系统与所述自动触发高速摄影系统连接；

所述实验方法具体步骤如下：

步骤1：按需选择孔径合适的黄铜喷嘴(5)，采用过盈配合的方式将黄铜喷嘴(5)安装于熔炉筒体(3)和熔炉下端盖(4)连接的通孔内；通入氮气清洗所述金属熔炉，将金属块放入所述金属熔炉内，黄铜喷嘴(5)上方；在保证所述金属熔炉各部件之间密封性的前提下，打开氮气进气电磁阀(13)，将金属熔炉内部空气排出，防止金属块表面氧化；

步骤2：将安装好的所述金属熔炉固定于丝杠(8)上，通过丝杠手轮(24)调节所述金属熔炉初始位置，改变所述金属液滴撞击实验壁面的初速度；根据所述金属熔炉中心轴线定位实验壁面(10)和电加热板(11)，并保证实验壁面(10)水平；

步骤3：用无水乙醇清洗实验壁面(10)；启动电加热板(11)，电加热板(11)的温度范围为50-300℃，设定加热温度后，由热电偶作为温度控制装置测量实验壁面温度，并反馈到温度控制装置，保证实验壁面(10)温度维持在设定温度；

步骤4：真空泵(17)工作时，用高真空球阀(16)控制真空箱(1)内低气压环境，待压阻真空计(14)示数为设定值时关闭高真空球阀(16)，用手动阀门(15)改变真空箱(1)压力，对真空箱(1)内环境压力进行微调；

步骤5：启动陶瓷电加热器(6)将所述金属熔炉内金属块加热到预定值，陶瓷电加热器(6)的温度调节范围为50℃-300℃，在加热金属块的过程中始终向所述金属熔炉内通入氮气，待金属熔炉内氮气温度接近金属块熔点时，调节电磁阀(13)控制氮气压力作为驱动压力，使驱动压力高于所述真空箱(1)内的环境压力50-70Pa时，金属块熔融后的金属液从黄铜喷嘴(5)中心小孔处滴落，产生均匀的离散液滴；金属液滴在重力作用下自由滴落，此时金属液滴外形接近球形；

步骤6：计算设定环境压力下金属液滴的表面张力系数σ：

环境压力P₀通过压阻真空计确定，金属液滴内部压力恒定P_S，通过Young-Laplace方程推导得到设定环境压力下金属液滴的表面张力系数σ表达式；输入物理量为液滴密度、液滴直径、环境压力，输出物理量为液滴表面张力系数；设定环境压力下金属液滴的表面张力系数直接表达式为：

其中，R为金属液滴的半径，σ为表面张力系数，P_S为液滴内部压力，P₀为环境压力，ρ是金属液滴密度，g为重力加速度；

步骤7：金属液滴下落过程中会引起激光触发装置工作，当激光发射器(18)的激光被下落金属液滴阻挡，激光接收机(19)未能接收到来自激光发射器(18)的激光时，激光触发装置触发高速相机(21)开关，开始拍摄，记录金属液滴撞击实验壁面后形态的连续变化；

步骤8：通过对金属液滴接触实验壁面时刻的前三张照片进行图像分析，便可以准确得到金属液滴直径和液滴碰壁初速度的物理量；

需要输入的物理量为液滴撞击壁面前三帧图像的液滴体心位置和相机拍摄帧频，输出物理量为液滴撞击壁面初速度；

高速摄影装置频率为f，金属液滴接触实验壁面时刻的前三张照片分别为a，b，c，c为金属液滴接触实验壁面的第一张照片，将三张照片读入到Matlab中以[x_a,z_a]的二维矩阵形式存储，其中x_a表示水平坐标，z_a表示高度坐标；每张照片的液滴体心位置分别记为(x_a,z_a)，(x_b,z_b)，(x_c,z_c)，由于丝杠垂直度良好，周围环境气流稳定，因此可认为x_a＝x_b＝x_c，液滴下落过程可视为匀加速直线运动；

根据模型在Matlab中可以得到液滴碰壁初速度：

其中，V_a,V_b,V_c分别为三张照片金属液滴的瞬时速度，t为相邻两帧间隔时间，t＝1/f；

步骤9：用高速摄影装置拍摄实验壁面上静止金属液滴图像，通过边缘检测算法测量气-液-固三相接触角，以此标定在设定温度下金属液滴与实验壁面(10)的接触角；

步骤10：在同一实验条件下进行三次重复实验，消除偶然误差；待一组实验完毕后，调节真空箱(1)内压力接近大气压力，打开真空箱侧门(25)，用无水乙醇清洗实验壁面(10)后再进行后续实验，实验中可以对壁面温度，金属液滴下落高度，黄铜喷嘴(5)孔径进行控制；

步骤11：对金属液滴变形动态过程进行定量分析：在Matlab环境下读入高速相机(21)记录的视频文件，获取视频总帧数，对其中的某一张图片进行二值化处理，获得壁面位置；之后分别对每一帧图像根据不同的阈值进行二值化，在壁面位置一行寻找像素点矩阵元素大于0的点，并输出该点坐标，由此可以得出每一帧液滴的铺展直径；采用这样的图像处理算法可以绘制不同We数和壁面温度T_S下液滴铺展直径、液滴高度随时间的变化图像。