一種液滴發生器及液滴制造方法與流程

本發明涉及液體微粒化及液滴制造技術領域，具體涉及一種適用于極端環境的液滴發生器及其工作方法。

背景技術：

液體燃料噴霧的霧化及蒸發特性對例如噴涂、制藥、粉末冶金、農藥噴灑，特別是各種發動機(液體火箭發動機、沖壓式發動機、內燃機、燃氣輪機、航空發動機等)設備性能的影響至關重要。例如，對于高壓直噴發動機來說，噴霧霧化后產生的小液滴在高溫高壓的環境條件下隨高速旋流氣流的運動、二次破碎、蒸發及與周圍環境氣體的混合特性直接決定了發動機的燃燒與排放性能，對其進行可視化的實驗研究，對發動機燃燒系統的設計開發有非常重要的指導意義。

隨著科學技術不斷發展，國內外最前沿相關探索也從對宏觀噴霧特性的研究逐步向微觀單個液滴特性，例如：運動、形變、二次破碎及蒸發等特性的研究轉移。然而目前單液滴的可視化研究主要集中在高溫常壓環境中且周圍環境氣體處于層流狀態，所以獲得的數據往往無法直接運用在實際小型增壓化的發動機燃燒系統(高溫高壓、湍流流場等復合極端環境套件)的開發過程中。開發適用于極端條件下的單液滴發生器難點在于：1.液滴發生器整體結構設計要能承受極端環境條件(e.g.高溫高壓條件、強湍流)；2.液體的物性在高溫高壓條件下會產生變化(e.g.接近燃料的超臨界條件時溫度壓力微小的改變都會極大改變液體的表面張力)，所以導致在非極端條件下適用的裝置及液滴產生方法并不適用；3.液滴的產生和下落過程會受到環境強湍流的影響而變得極不穩定，常規方法的動態響應能力不足。

現有的液滴產生器，例如中國專利文獻cn104028393a記載了一種液滴發生器及其工作方法，通過馬達控制可伸縮凸輪，帶動運動桿機構實現堵頭開關的開閉，從而擠出產生單個液滴。該設備可以指定液滴的尺寸及初始液滴的溫度和速度。然而該設備只能應用于常溫常壓條件，無法在高溫高壓環境條件下模擬產生的單個液滴，且采用普通馬達控制凸輪的方式也無法在極端條件下實現快速響應，從而穩定產生單個液滴。再比如，中國專利文獻cn1404993a記載了一種用于產生微小液滴的液滴發生器，該技術具有一些布置在外殼中的壓電彎曲換能器組群，所述彎曲換能器在部件長度上相互間隔，通過壁厚彼此分開地橫向設置在一些凹槽中，所述液滴發生器還具有在彎曲指下面的液體-縱向通道和帶有噴嘴的液體腔室，在不允許有變形的腔室壁足夠厚的情況下，可以保持一個高的液體流。此液滴發生器主要用于噴墨打印機噴頭而無法在極端的環境條件下應用。

技術實現要素：

本發明的目的在于：克服現有技術的不足，提供一種可適用于極端環境條件下的液滴發生器及其液滴制造方法。本發明的液滴發生器及方法可以實現在不同極端環境條件(作為舉例而非限制，比如高溫高壓條件、強湍流條件等)下控制產生單個液滴，可以用于研究極端環境條件下液滴的運動、形變、二次破碎及蒸發特性。

以下為本發明具體的技術方案：

一種液滴發生器，包括液滴發生器主體，常亮點光源，光電探測器，電極板和脈沖高壓電源；所述液滴發生器主體包括接地的不銹鋼毛細管，所述不銹鋼毛細管周圍設有密封的水浴槽，所述電極板通過絕緣接桿安裝在不銹鋼毛細管出口兩側；所述常亮點光源、不銹鋼毛細管出口和光電探測器三者共線設置；所述脈沖高壓電源與光電探測器連接；通過光電探測器的外觸發信號觸發脈沖高壓電源發出瞬間脈沖電壓并同時傳遞給兩塊電極板，使不銹鋼毛細管出口處的極性液滴快速下落。

具體設置時，作為優選，所述液滴發生器主體可以包括不銹鋼毛細管、不銹鋼壓蓋、不銹鋼底座、不銹鋼轉接頭、密封圈和密封墊片。所述不銹鋼毛細管與所述壓蓋密封連接，所述壓蓋和底座通過密封圈和密封墊片密封并在不銹鋼毛細管周圍形成中空水槽，中空水槽通過孔外接循環水裝置；所述轉接頭與壓蓋密封連接并與高壓液源相通，不銹鋼毛細管入口與轉接頭連通。

高壓液體通過不銹鋼毛細管內流道在不銹鋼毛細管底部出口處形成液滴；通過調節不銹鋼毛細管內外徑調節液滴初始大小，和/或通過調節高壓液源壓力調節液滴形成速度。

所述的絕緣接桿，優選采用陶瓷等絕緣性能良好，能忍受極端環境條件且易加工的材料；所述的電極板，優選采用銅或不銹鋼等導電性能良好的導體；而所述的脈沖高壓電源輸出電壓大小可調。

本發明還提供了一種液滴制造方法，包括如下步驟：

1)將常亮點光源、液滴發生器主體中的不銹鋼毛細管出口和光電探測器三者共線設置；

2)不銹鋼毛細管出口處形成液滴并增長，常亮點光源發出的光束被阻擋，無法全部透射達到光電探測器；

3)光電探測器探測的光信號低于閾值，輸出信號從高電平信號突變為低電平信號，將下降沿信號通過信號線傳輸至脈沖高壓電源；

4)脈沖高壓電源接收到所述下降沿信號，給電極板釋放脈沖高壓電；

5)液滴在均勻電場作用下表面張力降低，加速下落；

6)液滴下落后，常亮點光源發出的光束重新直射到光電探測器上，光電探測器輸出信號重回高電平信號，進入下一個循環。

所述不銹鋼毛細管接地設置，其上部周圍設有水浴槽，水浴槽外接循環水裝置，通過外接循環水裝置調節液滴發生器主體的溫度，并通過后續溫度標定控制液滴溫度。

所述不銹鋼毛細管的入口與高壓液源相連，高壓液體通過不銹鋼毛細管內流道在不銹鋼毛細管底部出口處形成液滴，產生液滴尺寸范圍為300μm～10mm；通過水浴循環和后續標定獲得理想初始溫度的液滴，調節溫度范圍為-20℃～200℃。所述的脈沖高壓電源在接收到所述下降沿信號后，在100μs內輸出千伏級高壓并傳遞給兩塊電極板。

本發明相對于現有技術，可以具有如下有益效果：本發明中液滴發生器可以通過改變不銹鋼毛細管的內外徑在指定的高溫高壓或強湍流等極端環境條件中產生初始大小及下落運動規律、液滴溫度可控的單個液滴。結合先進的光學診斷技術，可用于研究一系列工況條件下液滴運動、形變、二次破碎及蒸發特性，由此首次實現極端環境條件下單個液滴的可控制造與特性研究，研究工況及液滴尺寸具有普適性。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的液滴發生器的結構示意圖。

圖2為本發明實施例提供的液滴發生器主體與電極板的裝配截面示意圖。

圖3a至3c為本發明實施例提供的液滴發生器的工作示意圖，其中，

圖3a為懸掛液滴尚未形成時的工作示意圖；

圖3b為懸掛液滴形成時的工作示意圖；

圖3c是液滴離開液滴發生器時的工作示意圖。

圖4a至4b為本發明實施例提供的液滴發生器用于光學測試研究系統示意圖，其中，

圖4a為背光高速成像測試研究系統示意圖；

圖4b為平面激光誘導熒光測試研究系統示意圖。

附圖標記說明：

1-液滴發生器主體；1a-不銹鋼毛細管；1b-不銹鋼壓蓋；1c-不銹鋼底座；1d-不銹鋼轉接頭；1e-水槽；1f-密封圈；1g，1h-密封墊片；1i-螺紋孔；2-常亮點光源；3-光電探測器；4-絕緣接桿；5-電極板；6-脈沖高壓電源；7-液滴；8a-背光光源；8b-高速相機；9a-激光器；9b-透鏡組；9c-iccd相機。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明提供的液滴發生器及液滴制造方法作進一步詳細說明。應當注意的是，下述實施例中描述的技術特征或者技術特征的組合不應當被認為是孤立的，它們可以被相互組合從而達到更好的技術效果。

需說明的是，本說明書所附圖中所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供熟悉此技術的人士了解與閱讀，并非用以限定發明可實施的限定條件，任何結構的修飾、比例關系的改變或大小的調整，在不影響發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應落在發明所揭示的技術內容所能涵蓋的范圍內。

對于相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為授權說明書的一部分。在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。

實施例1

參加圖1所示，公開了一種液滴發生器的。所述液滴發生器包括液滴發生器主體1，常亮點光源2，光電探測器3，電極板5和脈沖高壓電源6。所述液滴發生器1包括接地的不銹鋼毛細管，所述不銹鋼毛細管上部周圍設有密封的水浴槽。所述的電極板5通電后帶電屬性相同且可以通過絕緣接桿4與液滴發生器主體1連接，電極板5放置在液滴出口處兩側，所述的脈沖高壓電源6可以通過時序控制按需給予電極板瞬間kv級高壓。所述的常量點光源2照射在液滴發生器主體1毛細管底部即懸掛液滴出口處，所述常亮點光源2、不銹鋼毛細管出口處和光電探測器3三者共線設置；所述脈沖高壓電源6與光電探測器3連接；通過光電探測器3的外觸發信號觸發脈沖高壓電源6發出瞬間脈沖電壓并同時傳遞給兩塊電極板5，能夠使不銹鋼毛細管出口處的極性液滴7快速下落。

參見圖2所示，所述液滴發生器主體1由不銹鋼毛細管1a，不銹鋼壓蓋1b，不銹鋼底座1c，不銹鋼轉接頭1d，密封圈1f和密封墊片1g、封墊片1h構成。所述不銹鋼毛細管1a可以通過焊接和不銹鋼壓蓋1b密封連接，不銹鋼壓蓋1b和不銹鋼底座1c可以通過密封圈1f和密封墊片1h密封，內部形成中空水槽1e，水槽1e通過孔1i與外界進行水循環。通過外接循環水裝置調節液滴發生器主體溫度并通過后續溫度標定作為液滴溫度的控制手段。不銹鋼轉接頭1d的一端與不銹鋼壓蓋通過密封墊片1g連接，不銹鋼轉接頭1d的另一端可以直接與高壓液源相連。所述的液滴發生器主體1可置于極端環境條件氛圍中。

不銹鋼毛細管入口1a與不銹鋼轉接頭1d相通，高壓液體充滿不銹鋼轉接頭1d后，進入不銹鋼毛細管1a內流道，高壓液體通過不銹鋼毛細管內流道在不銹鋼毛細管底部出口處可以形成懸掛液滴7，液滴7初始大小可以通過調節不銹鋼毛細管內外徑實現，液滴7形成速度可以通過調節高壓液源壓力來實現。

在不銹鋼毛細管1a底部兩側的絕緣接桿4一端與不銹鋼底座1c連接，另一端與電極板5連接。

當液滴還未產生時，常亮點光源2產生的光斑直接照射到光電探測器3上，通過電路板轉換為高電平的電壓信號，在液體從不銹鋼毛細管1a中滲出附著在不銹鋼毛細管1a外壁并逐漸形成液滴過程中，常亮點光源2產生的光斑在液滴的作用下逐漸偏折，當液滴7達到適當大小時，光電探測器3上探測的光信號低于閾值，并使得高電平的電壓信號突變為低電平信號。該下降沿可以通過信號線傳輸作為脈沖高壓電源6的輸入信號，從而在瞬間輸出高電壓并施加在兩塊電極板5上，使得液滴7周圍產生均勻的電場并改變液滴表面張力，加速其下落過程。

所述的不銹鋼毛細管1a接地，所述的不銹鋼毛細管1a可以根據所需液滴尺寸及極端環境條件確定，其內部及其出口最好擁有較高的光滑度，本領域技術人員應當知曉，其內部及其出口過于粗糙會影響液滴的穩定產生。

所述的常亮點光源2發出的光線在單個液滴的作用下無法按原路徑繼續透射，本領域技術人員應當知曉，設置常亮點光源2光強在設置時最好不宜過高。

所述的光電探測器3具有較高的靈敏度。優選的，當入射光低于閾值后的100μs內輸出可以由高電平降為低電平，電壓的下降沿足夠陡，滿足脈沖高壓電源6的外觸發要求。

本實施例中，優選的，常亮點光源2和光電探測器3位置可進行上下微調。

所述的絕緣接桿4采用陶瓷等絕緣性能良好，能忍受極端環境條件且易加工的材料。所述的電極板5采用銅或不銹鋼等導電性能良好的導體材料。所述的脈沖高壓電源6輸出電壓大小可調，在接收到輸出的下降沿信號后100μs內可以輸出kv級高壓并傳遞給兩塊電極板5；所述的液滴發生器中采用的液體為極性液體。

下面結合圖3a至圖3c進一步描述本實施例的液滴發生器的工作方式。

參見圖3a所示，不銹鋼毛細管接地，當液滴尚未產生時，常亮點光源發出的光束直射到光電探測器使其持續輸出高電平信號，此時脈沖高壓電源不工作。

參見圖3b所示，當液滴逐漸產生并增長到固定大小時，常亮點光源發出的光束被阻擋，無法全部透射并達到光電探測器，從而使得光電傳感器的輸入信號低于閾值，輸出信號也從高電平信號驟降為低電平信號。此時脈沖高壓電源接收到下降沿信號并給電極板釋放脈沖高壓電。極性液滴在均勻電場的作用下產生極化，表面張力迅速降低并打破懸掛液滴表面張力與重力的平衡態，最終導致液滴快速下落。

參見圖3c所示，當液滴下落后，常亮點光源發出的光束重新直射到光電探測器上，探測器輸出信號重新回到高電平信號，并進入下一個循環。

圖4a至圖4b為將本實施例的液滴發生器用于光學測試研究的示意圖。

參見圖4a所示，為背光高速成像測試研究系統示意圖。通過該液滴發生器制造液滴，通過背光光源8a和高速相機8b進行高速成像測試，可以獲得單個液滴在極端環境條件下的宏觀形態并由此可以分析單個液滴的形變特性。

參見圖4b所示，為平面激光誘導熒光測試研究系統示意圖。通過該液滴發生器制造液滴，通過激光器9a、透鏡組9b、iccd相機9c進行平面激光誘導熒光測試，可以獲得單個液滴的氣液兩相濃度濃度分布，由此可以研究單個液滴蒸發及與周圍氣體的混合特性。

本發明實施例提供的液滴發生器，可以通過改變不銹鋼毛細管內外徑及長度來適應不同的環境條件，產生液滴尺寸范圍在300μm～10mm，同時通過水浴循環和后續標定，獲得理想初始溫度的液滴，調節溫度范圍在-20℃～200℃。而通過配合常亮點光源和光電探測器，能夠穩定、準確地判斷液滴成形時機，在固定的溫度(室溫～1000k)、壓力(0.1～100bar)、流場下獲得穩定的初始液滴尺寸，同時具有極高(>5000hz)的動態分辨響應能力；利用本發明的液滴發生器，可以模擬真實發動機工況條件產生初始大小及下落運動規律、液滴溫度可控的單個液滴。結合先進的光學診斷技術，研究一系列極端條件下液滴運動、形變、二次破碎及蒸發特性，具有普適性。

上述描述僅是對本發明較佳實施例的描述，并非對本發明范圍的任何限定，本公開內容中像“包括”、“囊括”以及“具有”的術語應當默認被解釋為包括性的或開放性的，而不是排他性的或封閉性，除非其被明確限定為相反的含義。所有技術、科技或其他方面的術語都符合本領域技術人員所理解的含義，除非其被限定為相反的含義。在詞典里找到的公共術語應當在相關技術文檔的背景下不被太理想化或太不實際地解釋，除非本公開內容明確將其限定成那樣。本發明領域的普通技術人員根據上述揭示內容做的任何變更、修飾，均屬于權利要求書的保護范圍。