液滴倾斜撞击旋转壁面中微米级非对称气膜的测量装置

技术领域

本发明属于液滴撞击过程的可视化研究技术领域，具体涉及一种液滴倾斜撞击旋转壁面中微米级非对称气膜的测量装置。

背景技术

液滴撞击普遍存在于自然界和工业应用中，目前针对液滴撞击研究主要集中于液滴垂直撞击固定壁面，但是在实际应用中往往出现液滴倾斜撞击运动壁面情况，例如高空中过冷液滴撞击飞机壁面、内燃机中燃油喷雾液滴撞击气缸内壁、涡轮机中水滴撞击叶片、核反应堆中弥散液滴撞击壁面和电子冷却系统中的喷雾冷却等。以飞机表面液滴撞击为例，低温环境中的水滴会倾斜撞击运动的飞机进气道和机身表面，发生水滴反弹现象，大量未反弹的水滴因发生结冰而导致飞机重心的改变，对气动外形产生重要影响，降低飞机的飞行性能和安全性，甚至可能造成飞机失控的危险。因此，液滴倾斜撞击运动壁面的研究显得尤为重要。

在液滴倾斜撞击运动壁面过程中，液滴并不会立刻与运动物体的表面融合，液滴和被撞表面之间会存在一层很薄的非对称气膜，即使壁面为亲水表面，水滴撞击后也会发生反弹现象。因此，虽然液滴底部非对称气膜是微米级的，但是能够影响液滴撞击的动力学过程，即液滴底部非对称气膜会阻碍液滴与运动物体的融合，出现液滴反弹现象。由于非对称气膜而导致的液滴反弹能够阻碍水滴与运动飞机的接触和结冰，降低飞行事故发生的概率。因此，液滴倾斜撞击运动壁面过程中微米级非对称气膜研究对保障工程领域中仪器设备的安全高效运行具有非常重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种液滴倾斜撞击旋转壁面中微米级非对称气膜的测量装置，以实现对液滴倾斜撞击旋转壁面过程中气膜动力学的研究。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供一种液滴倾斜撞击旋转壁面中微米级非对称气膜的测量装置，包括：用于发射液滴至超白玻璃壁面的液滴发生器，其特征在于：所述液滴发生器与超白玻璃成1-89°设置以使液滴倾斜撞击在超白玻璃上，所述超白玻璃安装在用于带动超白玻璃自转的旋转机构上，所述超白玻璃一侧安装有单色高速相机，所述超白玻璃另一侧安装有第一光源，所述超白玻璃、单色高速相机以及第一光源位于同一水平直线上，所述超白玻璃壁面下方安装有用于固定镜片的筒体，所述筒体内安装有半透半反镜和位于半透半反镜下方的平面镜，所述半透半反镜所在平面与水平面的夹角为-45°，所述半透半反镜一侧安装有水平设置的第二光源，所述平面镜所在平面与水平面的夹角为45°，所述平面镜一侧安装有用于接收平面镜反射光路的彩色高速相机。

进一步，所述旋转机构包括支撑环，所述支撑环顶壁设有环形安装槽，所述环形安装槽内转动安装有第一齿轮，所述第一齿轮一侧固定连接有径向延伸至支撑环外的连接轴，所述连接轴与驱动电机连接，所述环形安装槽内限位转动安装有与第一齿轮配合的齿环，所述超白玻璃固定安装在齿环上，所述支撑环上通过阻尼件转动安装有半圆形的支撑架，所述液滴发生器滑动安装在支撑架上。

进一步，所述齿环侧壁设有环形槽，所述环形槽内限位转动安装有内齿环，所述内齿环与环形槽顶壁和底壁之间设有活动间隙，所述内齿环外圈设有转动环，所述转动环与齿环外周壁螺纹连接，所述内齿环的内圈设有齿形，所述齿环上以齿环轴线为中心周向安装有多个吸盘，所述吸盘内设有与环形槽连通的空腔，所述空腔内限位滑动安装有活塞，所述活塞远离吸盘端转动连接有螺纹杆，所述环形槽内转动安装有与螺纹杆一一同轴设置的第二齿轮，所述第二齿轮与内齿环啮合，所述第二齿轮内设有螺纹槽，所述螺纹杆螺纹连接在螺纹槽内，转动所述内齿环能够使多个第二齿轮同步转动，以使螺纹杆带动活塞沿空腔滑动。

进一步，所述第一光源为LED灯，所述第二光源为金属卤化物灯。

进一步，所述液滴的速度范围为0.001~10 m/s，所述液滴的直径范围为0.01~10mm。

进一步，所述试验装置的试验方法包括以下步骤：

S1：通过旋转机构将超白玻璃固定在操作台上，采用水平仪测量并微调超白玻璃，使超白玻璃水平放置并随旋转机构同步转动；

S2：开启LED灯、金属卤化物灯、单色高速相机以及彩色高速相机，根据单色高速相机拍摄到的图像调整单色高速相机和LED灯的位置，以保证LED灯、超白玻璃以及单色高速相机位于同一水平直线上，根据彩色高速相机拍摄到的图像调整金属卤化物灯以及筒体和彩色高速相机的位置，以保证光路进入彩色高速相机CCD中心；

S3：调整液滴发生器的倾斜角度至预设角度后，通过液滴发生器发射液滴至超白玻璃壁面，该过程中通过单色高速相机记录液滴的宏观形态，通过彩色高速相机记录液滴的底部气膜的干涉条纹，以获得气膜的轮廓。

进一步，所述试验方法中，金属卤化物灯发生的白光经过半透半反镜后反射到超白玻璃，一部分光从超白玻璃上壁面反射，另一部分光穿过超白玻璃照射到液滴底表面，并且从液滴底表面反射，从超白玻璃和液滴底部反射的光路发生干涉，形成不同颜色的干涉条纹，穿过半透半反镜，然后经过平面镜进入彩色高速相机。

本发明的有益效果在于：

（1）通过改变液滴发生器与被撞壁面之间的角度实现对液滴倾斜撞击壁面过程中液滴宏观形态测量的目的；

（2）通过改变旋转壁面和液滴之间的气膜厚度和流动状态，可以实现对真实工程应用场景中液滴撞击运动壁面后的反弹和融合进行调控；

（3）液滴倾斜撞击旋转壁面配合干涉实验装置，实现液滴倾斜撞击旋转壁面过程中液滴底部微米级非对称气膜的精密测量；

（4）采用同步控制装置的两路脉冲信号对两台高速相机进行同步触发，可以实现对液滴倾斜撞击旋转壁面过程中侧面宏观形态和底部微米级气膜的同步测量。

本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例的实验装置安装示意图；

图2为本发明实施例的超白玻璃安装在旋转机构上的结构示意图；

图3为本发明实施例的旋转机构的结构示意图；

图4为本发明实施例的齿环与第一齿轮啮合结构示意图；

图5为本发明实施例的齿环剖面示意图；

图6为本发明实施例的液滴倾斜撞击旋转壁面过程中液滴的宏观形态；

图7为本发明实施例的气膜干涉条纹结果图；

附图中标记如下：液滴发生器1、液滴2、超白玻璃3、旋转机构4、支撑环401、环形安装槽402、第一齿轮403、齿环404、支撑架405、内齿环406、环形槽407、活动间隙408、转动环409、吸盘410、空腔411、活塞412、螺纹杆413、第二齿轮414、螺纹槽415、单色高速相机5、LED灯6、彩色高速相机7、金属卤化物灯8、半透半反镜9、平面镜10、光路11。

具体实施方式

如图1~图7所示，本发明提供一种液滴倾斜撞击旋转壁面中微米级非对称气膜的测量装置，包括：液滴发生器1，超白玻璃3，所述液滴发生器1用于发射液滴2至超白玻璃3壁面，其中，液滴2的速度范围为0.001~10 m/s。液滴的直径通过更换喷嘴尺寸来改变，液滴的直径范围为0.01~10 mm。通过调整液滴发生器与超白玻璃之间的角度来调整液滴倾斜撞击壁面的角度，液滴倾斜撞击的角度范围为1~89°，所述超白玻璃3安装在用于使超白玻璃3自转的旋转机构4上，所述超白玻璃3一侧安装有用于记录液滴撞击过程图像的单色高速相机5，所述超白玻璃3另一侧安装有用于提供光源的LED灯6，所述超白玻璃3、单色高速相机5以及LED灯6位于同一水平直线上，所述超白玻璃3壁面下方安装有用于固定镜片的筒体，所述筒体内安装有半透半反镜9，光路经过半透半反镜9能够发生透射和反射，所述半透半反镜9所在平面与水平面的夹角为-45°，所述半透半反镜9一侧安装有水平设置的金属卤化物灯8，所述金属卤化物灯8的中心与半透半反镜9的中心位于同一水平直线上，所述筒体内还安装有位于半透半反镜9下方的平面镜10，所述平面镜10用于反射光源，所述平面镜10所在平面与水平面的夹角成45°，所述平面镜10一侧安装有彩色高速相机7，所述彩色高速相机7用于接收由平面镜10反射的光路。

所述旋转机构4包括旋转台以及控制旋转台转动的驱动电机，所述超白玻璃3通过螺栓和橡胶垫片固定安装在旋转台上，旋转台的旋转速度范围为0~8π rad/s。

在本方案中，所述试验装置的试验方法包括以下步骤：

S1：通过旋转机构4将超白玻璃3固定在操作台上，采用水平仪测量并微调超白玻璃，使超白玻璃水平放置并随旋转机构同步转动；

S2：开启LED灯6、金属卤化物灯8、单色高速相机5以及彩色高速相机7，根据单色高速相机5拍摄到的图像调整单色高速相机5和LED灯6的位置，以保证LED灯6、超白玻璃3以及单色高速相机5位于同一水平直线上，根据彩色高速相机7拍摄到的图像调整金属卤化物灯8以及筒体和彩色高速相机7的位置，以保证光路进入彩色高速相机7的CCD中心；

S3：调整液滴发生器1的倾斜角度至预设角度后，通过液滴发生器1发射液滴2至超白玻璃3壁面，该过程中通过单色高速相机5记录液滴2的宏观形态，通过彩色高速相机7记录液滴底部气膜的干涉条纹；

其中，金属卤化物灯8发生的白光经过半透半反镜9后反射到超白玻璃3壁面，一部分光从超白玻璃3上壁面反射，另一部分光穿过超白玻璃3照射到液滴底表面，并且从液滴底表面反射，如图1的光路11所示，从超白玻璃3和液滴底部反射的2束光发生干涉，形成不同颜色的干涉条纹，穿过半透半反镜9，然后经过平面镜10进入彩色高速相机7；

其中，通过获取气膜的干涉条纹，进一步提取出气膜的轮廓，包括以下步骤：选择一块已知曲率半径的透镜作为标定透镜，通过拍摄标定透镜球面与壁面之间气膜的干涉条纹，以获得与气膜绝对厚度相关联的干涉条纹，以干涉条纹圆环中心为圆心，将干涉条纹的圆环图案进行切向平均，依据标定透镜球面的轮廓曲线确定气膜的厚度，把气膜厚度与干涉条纹的颜色一一对应，对切向平均后的干涉条纹图案在微米级别上进行插值处理，以获得气膜厚度与气膜干涉条纹颜色一一对应的结果图。

高速相机拍摄的图像是基于RGB色彩模式的，RGB色彩模式由三个通道的颜色构成，分别是R（红色）、G（绿色）、B（蓝色），每一种颜色都可以对三个通道的颜色进行叠加来实现。三个通道颜色各分为256阶亮度（0~255），当三个通道的颜色的亮度都为255时，叠加后的颜色为白色；当三个通道的颜色的亮度都为0时，叠加后的颜色为黑色。在对拍摄到的照片进行后处理时，需要将RGB色彩模式转变为CIE1976色彩模式，此颜色模式同样由三个通道组成，第一个通道为与颜色亮度信息相关的明度L，另外两个通道a与b与颜色的信息相关，a通道的颜色是从红色到深绿，b通道则是从蓝色到黄色。CIE1976色彩模式有效分离了颜色信息与亮度信息。在实验中，将高速相机拍摄到的照片由RGB色彩模式转变为CIE1976色彩模式，可以消除实验中由光线亮度带来的误差，实验的后处理结果也比较好。因此，将液滴的干涉条纹以圆环中心为圆心，沿切向进行平均后，由RGB色彩模式转换到CIE1976色彩模式。

将液滴底部气膜绝对厚度相关联的干涉条纹图像由RGB色彩模式转换到CIE1976色彩模式。然后，使用Euclidean距离计算色差。从色差图中可以清晰的看到一条连续明显的曲线，即气膜的轮廓线。液滴倾斜撞击旋转壁面过程中液滴宏观形态和液滴底部气膜干涉条纹如图6所示。由图可见，与液滴垂直撞击固定壁面不同，液滴倾斜撞击旋转壁面过程中液滴底部气膜的干涉条纹呈现非中心对称状。

在本发明的一个实施例中，所述旋转机构4包括：支撑环401，所述支撑环401上设有环形安装槽402，所述环形安装槽402内转动安装有第一齿轮403，所述第一齿轮403一侧固定连接有径向延伸至支撑环401外的连接轴，所述连接轴与驱动电机（图中未示出）连接，所述环形安装槽402内限位转动安装有与第一齿轮403配合的齿环404，所述超白玻璃3固定安装在齿环404上，所述支撑环401上通过阻尼件转动安装有半圆形的支撑架405，所述液滴发生器1滑动安装在支撑架405上。

在本方案中，超白玻璃3可采取螺栓固定安装在齿环404上，也可采取固定胶胶接在齿环404上，通过启动驱动电机，能够带动第一齿轮403转动，从而使齿环404限位自转，以使超白玻璃3自转；通过沿支撑架405滑动液滴发生器1，以调节液滴发生器1的倾斜角度，且转动支撑架405，能够调节支撑架405与支撑环401之间的角度，以使液滴发生器1能够进行球面调节，可以进行多方位试验消除干扰因素，支撑架405阻尼安装在支撑环401上，保证支撑架405转动至预设位置后能够固定；通过设置齿环404，以对超白玻璃3进行环向支撑，保证超白玻璃3转动过程的稳定性，且保证超白玻璃3表面的平整度，避免对单色高速相机5的拍摄以及LED灯6发出的光源造成干涉，而影响到微米级气膜的同步测量。

在本发明的一个实施例中，所述齿环404上设有环形槽407，所述环形槽407内限位转动安装有内齿环406，所述内齿环406与环形槽407顶壁和底壁之间设有活动间隙408，所述内齿环406外圈设有转动环409，所述转动环409与齿环404外周壁螺纹连接，所述内齿环406的内圈设有齿形，所述齿环404上以齿环404轴线为中心周向安装有多个吸盘410，所述吸盘410内设有与环形槽407连通的空腔411，所述空腔408内限位滑动安装有活塞412，所述活塞412远离吸盘端转动连接有螺纹杆413，所述环形槽407内转动安装有与螺纹杆413一一同轴设置的第二齿轮414，所述第二齿轮414与内齿环406啮合，所述第二齿轮414内设有螺纹槽415，所述螺纹杆413螺纹连接在螺纹槽415内，转动所述内齿环406能够使多个第二齿轮414同步转动，以使螺纹杆413带动活塞412沿空腔411滑动。

在本方案中，将超白玻璃3放置在吸盘410上压紧后，转动转动环409带动内齿环406转动，从而使第二齿轮414转动，从而使螺纹杆413带动活塞412沿空腔411滑动，以使吸盘410将超白玻璃3吸合，以保证超白玻璃3安装的稳定性，且相比于螺纹连接的方式，能够保证超白玻璃3的完整性，相比与胶接的方式，能够便于超白玻璃3的拆卸；通过转动环409与齿环404螺纹连接，使转动转动环409至预设位置后能够固定，避免齿环404转动过程中造成转动环409的转动；通过设置内齿环406与第二齿轮414啮合，能够使多个吸盘410同时吸合超白玻璃3，使操作更方便，吸合更稳定。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。