[发明专利]基于彩虹成像原理的自由液滴多参数测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于彩虹成像原理的自由液滴多参数测量装置及方法。所述测量装置包括测试腔体、加热系统、液滴进样系统、进排气系统、信号获取系统和计算机控制系统；其中，所述信号获取系统包括一个光源入射系统、两个相机拍摄系统和一个光电传感器检测系统。所述测量装置利用测试腔体侧面和加热装置侧面安装的横向狭长视窗，使得相机拍摄系统能够捕捉到液滴周围各个方向上的光学信号以充分获取光源通过液滴后产生的干涉条纹信息和彩虹条纹信息，从而实现基于彩虹成像原理的高温高压环境下自由液滴多参数的测量。

技术领域

本发明属于能源、动力工程、化工、材料领域，具体地，涉及一种基于彩虹成像原理的自由液滴多参数测量装置及方法；更具体地，涉及一种基于彩虹成像原理的高温高压环境自由液滴多参数测量装置及方法。

技术背景

当前，喷雾技术已广泛应用于一系列工业领域，特别是高温高压环境中的喷雾技术已成为发动机、干燥、热分解合成材料等领域的关键技术。通过将液体燃油、溶液、悬浊液、乳浊液等流体通入雾化装置，利用压力雾化、气动雾化、超声雾化等一系列雾化方法，可实现对连续流体的分离，形成由众多微型液滴组成的喷雾，从而满足工业应用的需求。当前，喷雾技术的发展亟需对液滴在高温高压环境中的蒸发、传热和传质过程开展深入的研究，要求能够获得液滴的尺寸、温度和浓度等多参数信息。现有的液滴制备方法包括悬挂法和自由液滴法。悬挂法利用金属丝、十字支架等固体支撑件将液滴悬挂在实验装置中进行测量。由于依赖固体支撑件，悬挂法无法避免液固传热问题的影响，同时也会带来对液滴形态的改变和限制。自由液滴法利用液滴发生装置产生液滴，并给予液滴运动初速度，在空间中形成自由液滴并进行测量。然而，由于需要较大的视场范围，自由液滴法通常在开放空间中应用。

现有的测量方法包括直接成像法、散射法、干涉法、消光法。彩虹成像法涉及光的散射和干涉，利用光通过液滴时发生折射后又互相干涉而形成的彩虹条纹获取液滴尺寸、折射率等信息。通过对不同角度彩虹条纹的拟合分析，彩虹成像法可以最终给出液滴的尺寸、温度、浓度等参数，因此与其他液滴测量方法相比具有可测量多种参数的优势。然而，彩虹成像法需要在大视场范围内使用CCD相机等探测器件，而传统高温高压环境液滴光学测量采用的压力容器和加热装置则依赖狭小的光学窗口。彩虹成像法的应用长期聚焦于常温常压环境的开放空间条件，目前还没有在高温高压环境开展彩虹成像测量的研究，也没有相关装置和平台。

如何在高温高压环境中利用彩虹成像原理对自由液滴进行多参数测量是本领域尚未解决的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在高温高压环境中利用彩虹成像原理进行自由液滴多参数测量的装置及方法，来解决高温高压喷雾领域的技术和科学问题。

本发明第一方面提供了一种基于彩虹成像原理的自由液滴多参数测量装置，所述装置包括测试腔体、加热系统、液滴进样系统、进排气系统、信号获取系统和计算机控制系统；其中，

所述测试腔体为密闭腔体；所述测试腔体的侧面上设置有四个第一横向狭长视窗；所述第一横向狭长视窗用于透光；所述测试腔体的上下端面之间设置有导轨；

所述加热系统包括加热装置；所述加热装置位于测试腔体内部且固定于测试腔体上下端面之间的导轨上；所述加热装置为开孔腔体；所述加热装置的侧面上设置有四个第二横向狭长视窗；所述第二横向狭长视窗用于透光；且所述四个第二横向狭长视窗的位置与四个第一横向狭长视窗的位置一一对应；所述加热装置的上端面和下端面上分别设置有小孔，以便于液滴进出加热装置；

所述液滴进样系统位于加热装置的正下方或正上方；所述液滴进样系统包括液滴进样器和液滴发生器；所述液滴进样器和所述液滴发生器通过液体进样通路连接；所述液滴进样器位于测试腔体外部，负责将液体通过液体进样通路充入液滴发生器内；所述液滴发生器位于加热装置外部；所述液滴发生器的液滴出口位置与加热装置上设置的小孔位置相对应，负责将从液滴进样器中充入的液体生成为液滴并为生成的液滴提供一定的初速度，从而使该液滴可以通过小孔进入加热装置；