[发明专利]低温液滴撞击刚性壁面实验装置及方法

权利要求书

1.一种低温液滴撞击刚性壁面实验装置，其特征在于，

该实验装置包括撞击腔（23）；撞击腔（23）外层由内向外依次设置预冷通道（14）、真空层（13）、保温层（12）；所述预冷通道（14）内壁设置有使撞击腔（23）和预冷通道（14）相通的入口，预冷通道（14）外壁设置有出口，出口通过管道依次穿过真空层（13）、保温层（12）与外部真空泵（19）连接；

上述撞击腔（23）内安装有柱形液氮容器（20）、90°弯管（15）和刚性被撞击面（18）；所述柱形液氮容器（20）和90°弯管（15）构成低温液滴发生器；90°弯管（15）的水平管部分嵌入柱形液氮容器（20）的侧壁；90°弯管（15）的竖直管部分位于撞击腔（22）水平方向中心，刚性被撞击面（18）位于其正下方；撞击腔（22）内部还安装有温度传感器（21）、压力传感器（3）、标尺（17）、光源（22）、高速摄像机（16）和数据采集器（24）；数据采集器（24）与温度传感器（21）和压力传感器（3）以及高速摄像机（16）连接；

该实验装置还包括高压氮气瓶（1）；高压氮气瓶（1）出口通过减压阀（2）、压力传感器（3）后分别连接排空旁路（7）和液氮管路（8）两个支路；两个支路合并后与液氮池（10）入口连接；所述排空旁路（7）上设置截止阀（4），所述液氮管路（8）上依次设置截止阀（4）、液氮杜瓦罐（5）、低温电磁阀（9）；所述液氮池（10）出口经过流量计（11）后连接上述撞击腔（22）内部的柱形液氮容器（20）；所述流量计（11）与柱形液氮容器（20）之间的管道依次穿过保温层（12）、真空层（13）、预冷通道（14）；上述液氮杜瓦罐（5）顶部接有泄压阀（6）和压力传感器（3）。

2.由权利要求1所述的低温液滴撞击刚性壁面实验装置，其特征在于：所述柱形液氮容器（20）材料为聚四氟乙烯，规格为D=3 cm、H=3 cm，所述90°弯管（15）底部被焊料堵住，中间外壁开有小孔，材料为不锈钢，管径在0.5～3 mm内大小可调。

3.由权利要求1所述的低温液滴撞击刚性壁面实验装置，其特征在于：所述刚性被撞击面（18）高度可调，壁面面积1 cm²，材料为紫铜，标尺（17）垂直固定在刚性被撞击面（18）上。

4.由权利要求1所述的低温液滴撞击刚性壁面实验装置方法，其特征在于，步骤如下：

在实验开始前，除泄压阀（6）之外所有阀门均处于关闭状态；

步骤一，首先开启光源（22）和高速摄像机（16），调整撞击腔（23）内90°弯管（15）下端距刚性被撞击面（18）的距离，固定高度，依次打开减压阀（2）和排空旁路（7）的截止阀（4），使氮气依次通过排空旁路（7）、液氮池（10）、流量计（11）、柱形液氮容器（20）、90°弯管（15）进入撞击腔（23）内部，从而排除撞击腔（23）内的空气；

步骤二，启动真空泵（19），维持撞击腔（23）内压力在1 MPa附近，持续排空过程至撞击腔（23）内空气完全置换成氮气；

步骤三，关闭排空旁路（7）的截止阀（4），开启液氮管路（8）的截止阀（4）和低温电磁阀（9），使液氮杜瓦罐（5）内的液氮在高压氮气的作用下排入液氮管路（8），液氮先经过液氮池（10）预冷至78 K附近，通过流量计（11）测量液氮进入低温液滴发生器时的体积流率，记录体积流率；

步骤四，为防止产生的液氮滴快速气化，无法以液滴的形式撞击刚性被撞击面（18），必须先向撞击腔（23）内喷射液氮，降低撞击腔（23）内部环境温度，调节减压阀（2）、90°弯管（15）直径大小控制液氮体积流率，一旦管壁冷却，液体通过90°弯管（15）的开孔溢出到管的外表面，积聚在焊接端，并在重力作用下脱离形成液滴，记录撞击腔内（23）压力及温度；

步骤五，利用高速摄像机（16）和标尺（17）标定液滴直径，计算撞击初速度，捕捉液滴撞击刚性被撞击面（18）后的运动行为以及蒸发过程。