[发明专利]低温液滴撞击刚性壁面实验装置及方法

说明书

本发明提供低温液滴撞击刚性壁面实验装置及方法，所述实验装置包括液氮供液系统、撞击腔系统、低温液滴发生器、可视化和数据采集系统；所述液氮供液系统包括液氮管路和排空旁路，所述撞击腔系统外壳由绝热层和预冷通道构成，并与真空泵、压力传感器、温度传感器连接，内部包含高度可调的刚性被撞击壁面、标尺、低温液滴发生器，所述可视化和数据采集系统包含数据采集器、光源和高速摄像机。本发明利用液氮迅速蒸发的低温蒸气经过预冷通道对撞击腔内部预冷，实现液氮的多级利用；通过调整液氮供液压力、90°弯管管径大小以及刚性被撞击壁面高度改变液滴直径和撞击速度的大小，利用高速摄像机捕捉液滴撞击过程。

技术领域

本发明涉及低温液滴撞击刚性壁面实验装置，本发明还涉及该装置的操作方法，具有绝热性能优越、低温液滴直径和速度可控、撞击过程可视化等特点。

背景技术

目前，喷雾冷却为极具潜力的高效冷却方式，其过程涉及单液滴撞击壁面、液滴与液滴及液滴与液膜之间相互作用，属于复杂的多相流问题，这就需要在简化的流动几何条件下对其流体动力学进行基础研究。尽管喷雾冷却并不能表达为单个液滴撞击壁面的机械相加，但是单液滴撞击刚性壁面已被广泛地用于描述喷雾冲击的过程并预测其结果。

单液滴撞击刚性壁面的动力学及热力学实验研究多以水、乙醇溶液、柴油、丁烷等常温介质为主，通过注射器产生小液滴；由于液氮等低温工质在常压下沸点较低，采用上述传统方式产生低温液滴在注射器针孔底部立即蒸发完全，无法形成稳定液滴，导致采用传统实验装置无法开展低温液滴撞击刚性壁面的实验研究。

发明内容

本发明目的在于解决传统实验装置难以开展低温液滴撞击刚性壁面的实验研究的问题，提供低温液滴撞击刚性壁面实验装置，便于开展低温液滴撞击刚性壁面的动力学及热力学特性的基础性研究，具有撞击腔绝热性能优异、低温液滴直径和速度可控、撞击过程可视化等特点。

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

上述撞击腔内安装有柱形液氮容器、90°弯管和刚性被撞击面；所述柱形液氮容器和90°弯管构成低温液滴发生器；90°弯管的水平管部分嵌入柱形液氮容器的侧壁；90°弯管的竖直管部分位于撞击腔水平方向中心，刚性被撞击面位于其正下方；撞击腔内部还安装有温度传感器、压力传感器、标尺、光源、高速摄像机和数据采集器；数据采集器与温度传感器和压力传感器以及高速摄像机连接；

该实验装置还包括高压氮气瓶；高压氮气瓶出口通过减压阀、压力传感器后分别连接排空旁路和液氮管路两个支路；两个支路合并后与液氮池连接；所述排空旁路上设置截止阀，所述液氮管路上依次设置截止阀、液氮杜瓦罐、低温电磁阀；所述液氮池出口经过流量计后连接上述撞击腔内部的柱形液氮容器；所述流量计与柱形液氮容器之间的管道依次穿过保温层、真空层、预冷通道；上述液氮杜瓦罐顶部接有泄压阀和压力传感器。

本发明还涉及低温液滴撞击刚性壁面实验装置的使用方法，该方法步骤如下：

在实验开始前，除泄压阀之外所有阀门均处于关闭状态。

步骤一，首先开启光源和高速摄像机，调整撞击腔内90°弯管下端距刚性被撞击面的距离，固定高度，依次打开减压阀和排空旁路的截止阀，使氮气依次通过排空旁路、液氮池、流量计、柱形液氮容器、90°弯管进入撞击腔内部，从而排除撞击腔内的空气；

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

步骤三，关闭排空旁路的截止阀，开启液氮管路的截止阀和低温电磁阀，使液氮杜瓦罐内的液氮在高压氮气的作用下排入液氮管路，液氮先经过液氮池预冷至78 K附近，通过流量计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；