一种单颗过冷大水滴的撞击试验装置及方法

技术领域

本申请为一种单颗过冷大水滴的撞击试验装置及试验方法，属于飞机防除冰领域。

背景技术

过冷水滴撞击冻结现象广泛存在于航空业、电力通讯业等，并严重威胁飞行安全和电网安全。在实际低温环境下，尽管过冷水处于极不稳定的亚稳定状态，但广泛存在于大气环境中。相较于常温水滴，过冷水滴冻结过程存在明显不同。因此，针对低温表面过冷水滴开展撞击及冻结行为研究，有利于深刻理解过冷水结冰现象。过冷水滴撞击过冷表面耦合了水滴撞击和相变冻结过程。由于过冷水滴处于亚稳定状态，尽管壁面静置水滴冻结相变过程一定存在过冷阶段，但是过冷水滴发生和制备较为困难。考虑到水滴撞击存在显著的铺展、回缩和振荡过程，对稳定状态下水滴形貌造成影响，因此实验研究必须考虑带有撞击速度下的过冷水滴冻结过程。

目前过冷水滴的制备方法主要分为两类：自然对流换热法和强迫对流换热法。所述自然对流换热法即水滴静止于冷环境中进行持续换热；所述强迫对流换热法即水滴在一个冷环境中进行自由落体下落。过冷水滴过冷度的测量方法主要分为两类：直接测量和间接测量。所述直接测量使用温度采集系统对水滴的内部或表面温度进行直接测量；所述间接测量通过测量水滴附近的空气或水滴所接触的介质的温度，通过理论计算来得到水滴的过冷度或认为间接测得的温度约等于水滴的温度。以上方法为实验过冷水滴的发生以及过冷度的测量提供了有效的手段，但是还存在一下问题：

常规过冷水滴发生装置及方法水滴过冷度的测量精度较低；

常规过冷水滴发生装置及方法无法实现对于环境湿度进行控制；

常规过冷水滴发生装置及方法无法获得高过冷度的过冷水滴；

常规过冷水滴发生装置及方法结构复杂，操纵困难。

尽管关于过冷水滴撞击冻结行为相关研究已经开展，但是关于过冷水滴发生器设计方法还可以进一步完善，同时测定水滴过冷度的测量方法尚待补充。此外，耦合考虑过冷水滴撞击过程中动力学过程和相变过程的相关研究仍较为匮乏。因此，为了更好的研究过冷水滴撞击的撞击机理，建立了一套过冷水滴的发生、过冷度测量以及过冷水滴的撞击和拍摄一体化的试验装置就成为了必然要求。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种单颗过冷大水滴的撞击试验装置及方法，通过控制过冷水滴被吹落的时间精确的控制水滴的过冷度，可以对水滴的温度、环境温度/湿度、基板温度进行很好的控制。

本发明为实现上述目的，采用如下方案：

一种单颗过冷大水滴的撞击试验装置，所述装置包括环境控制系统、过冷水滴发生系统、数据采集系统、试验基板系统以及拍摄系统；

所述环境控制系统包括低温环境箱子系统、低温恒温槽子系统和干燥子系统，所述低温环境箱子系统为盘管式，采用压缩机制冷用于提供密闭、干燥的低温环境；所述低温恒温槽子系统采用乙二醇作为外循环介质，用于调节试验基板温度；所述干燥子系统是采用干燥的氮气和变色硅胶来降低低温环境箱内部的空气湿度。

所述过冷水滴发生系统包括水滴发生子系统和气源子系统，所述水滴发生子系统利用顶端毛细钢针产生定量水滴；所述气源子系统利用冷气将过冷水滴吹落脱离热电偶温度传感器；

所述数据采集系统包括湿度传感器和热电偶传感器，所述湿度传感器用于检测低温环境箱内的相对湿度；所述热电偶传感器分别用于监测水滴温度、空气温度和样板上表面温度；

所述试验基板系统包括样品基板、电动滑台及换热器，位于低温环境箱子系统内，所述电动滑台调节样品基板位置和角度；所述换热器调节样品基板表面温度；

所述拍摄系统包括高速相机、标定板和冷光源系统，所述高速相机用于拍摄过冷大水滴撞击冷基板表面的动力学过程和相变过程；所述标定板可用于计算水滴的实际尺寸；

所述冷光源用于从后面照亮水滴创建阴影图。

进一步的，所述低温环境箱系统包含低温环境箱，所述低温环境箱采用盘管式压缩机制冷，低温环境箱右侧面开有三个不同高度通孔，用于插入水滴发生子系统；

所述低温恒温槽子系统包括低温恒温槽和铝制换热器，低温恒温槽通过橡胶管和置于电动滑台上的换热器相连，采用乙二醇为循环冷媒介为试验基板降温；所述系统干燥子系统采用干燥的氮气和变色硅胶降低低温环境箱内空气的湿度，所述氮气采用底部进气，顶部出气方式；所述变色硅胶均匀铺满低温环境箱底面。

进一步的，所述水滴发生子系统包括毛细钢针、硬质铝棒、注射器、精密驱动泵及橡胶软管；所述毛细钢针通过橡胶软管与注射器连接，所述毛细钢针和橡胶管嵌入硬质铝棒的凹槽中并固定，所述注射器的驱动端连接精密驱动泵。

进一步的，所述吹气子系统包括喷嘴、铜管、冷气储存箱和脉冲式气泵，其中，所述喷嘴置于第一热电偶传感器上方，通过铜管和冷气储存箱相连，其中热电偶传感器位于不锈钢针下方；所述冷气存储箱位于低温环境箱内，通过管路与置于外部的脉冲式气泵相连，冷气存储箱的输出端与喷嘴相连。

进一步的，所述数据采集系统包括湿度传感器和热电偶温度传感器，所述湿度传感器用于采集低温环境箱内部空气的相对湿度；

所述电偶温度传感器共计4个，用于测量水滴温度、空气温度和基板温度；其中，第一热电偶温度传感器位于水滴发生器出水口底部，用于测量悬挂水滴温度；第二热电偶温度传感器与第一热电偶温度传感器高度相同，用于测量周围空气温度；第三热电偶温度传感器位于基板处，用以监测样品基板所在高度对应的空气温度；第四热电偶温度传感器位于基板上表面，用于监测基板上表面温度。

进一步的，所述试验基板系统包括样品基板、电动滑台及换热器，所述样品基板可以通过试验需求进行更换，通过导热胶粘贴在换热器上；所述换热器固定在电动滑台上，通过橡胶管和低温恒温槽相连；所述电动滑台由外部的控制器相连，可以调节试验基板的位置和角度。

进一步的，所述拍摄系统包括高速相机、标定板和冷光源系统，所述高速相机通过低温环境箱侧面装有加热玻璃的拍摄窗口进行拍摄；所述冷光源系统位于低温环境箱内，与高速相机镜头相对，为照亮水滴创建阴影图。

基于上述单颗过冷大水滴的撞击试验装置，本申请还提供试验方法，所述方法包括以下内容：

步骤一，连接仪器、设备，对整个试验装置进行检测；

步骤二，插入水滴发生器，释放水滴在基板上，将标定板置于水滴下落位置，调节高速相机焦距在标定板上并记录每毫米对应的像素数，用于数据分析实际尺寸的转换；

步骤三，在低温环境箱中加入变色硅胶，关闭低温环境箱，依次打开侧面密封塞和氮气阀门，通入干燥的氮气，直至箱内空气湿度降低到20％后关闭氮气阀门，密封侧面通孔；

步骤四，运行低温环境箱，设置初始温度，运行低温恒温槽，设置循环液温度；

步骤五，将水滴发生器从低温环境箱侧面的小孔插入，打开精密驱动泵，从顶部观察窗观察水滴滴落到热电偶传感器上；

步骤六，观察1号热电偶传感器温度传感器温度变化，达到目标温度T

步骤七，高速相机以高帧率拍摄记录过冷水滴撞击低温基板表面的动力学过程，或者以低帧率拍摄记录过冷水滴撞击冻结过程。

进一步的，根据热电偶传感器反馈和目标水滴过冷度、目标基板温度对低温环境箱内温度和低温恒温槽温度进行设置。

本发明采用上述技术方案有如下技术效果：

通过低温环境箱系统调节箱体内部的空气温度，水滴的过冷度得到很好的控制。

过冷水滴发生系统采用过冷水滴悬挂在热电偶传感器上的方法，可以准确的测量过冷水滴的过冷度并且得到过冷度更大的过冷水滴。

除湿系统采用通入干燥的氮气和变色硅胶进行混合除湿，能够将低温环境箱的湿度控制在5％以下，有效的防止过冷基板结霜。

低温恒温槽热交换系统使基板上表面的温度得到稳定的控制。

采用单轴电动滑台移动基板的位置，可一次放置多个基板，避免了多次开箱造成低温环境箱内的温度/湿度不稳定。

数据采集系统，通过高速相机拍摄可以记录水滴的下落过程、撞击基板表面的动力学行为和相变过程。

附图说明

图1为本发明提供一种单颗过冷大水滴的撞击试验装置总体结构示意图；

图2为换热器示意图；

图3为过冷水滴发生系统局部放大示意图；

图4为开槽的硬质铝棒示意图；

图1中，1-低温环境箱，2-脉冲式气泵，3-温度/湿度采集器，4-冷光源，5-光源控制器， 6-滑台控制器，7-低温恒温槽，8-直流电源，9-高速相机，10-计算机工作站，11-注射器， 12-精密驱动泵，13-硬质铝棒，14-毛细钢针，16-冷气喷嘴，17-冷气储存箱，18-k型热电偶传感器，19-湿度传感器，20-基板，21-换热器，22-单轴电动滑台，23-升降台，24-加热玻璃，25-氮气瓶，26-橡胶塞；

图2中2.1-冷媒进口，2.2-冷媒出口；

图3中3.1-冷气进口，3.2-冷气出口，3.3-蒸馏水进口，3.4为悬挂在热电偶传感器上的水滴。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征以及优势能够更加明显易懂，下面将结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的介绍说明。

在下面的描述中会阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，本领域相关人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受公开的具体实例的限制。

实施例1

如图1至图4所示，本发明提供一种单颗过冷大水滴的撞击试验装置。本发明包括环境控制系统、过冷水滴发生系统、数据采集系统、试验基板系统以及拍摄系统。

本申请公开的一种过冷度可控的过冷水滴发生装置，可以控制水滴的过冷度和撞击速度。环境控制系统、过冷水滴发生系统、数据采集系统、试验基板系统以及拍摄系统。

所述环境控制系统包括低温环境箱子系统、低温恒温槽子系统和干燥子系统。所述低温环境箱系统为盘管式压缩机制冷，侧面开有三个不同高度直径为10mm的小孔，用于插入水滴发生器，水滴的初速度可以通过插入不同高度的小孔来控制。低温环境箱的上表面和侧面分别开有直径为50mm的孔，开孔装有加热玻璃，防止结霜，上表面的开孔为观察孔，用于在实验过程中观察低温箱的内部情况，低温环境箱的侧面开孔为拍摄用。所述低温恒温槽子系统包括低温恒温槽和铝制换热器，低温恒温槽通过橡胶管和置于电动滑台上的换热器相连，采用乙二醇为循环冷媒介为试验基板降温。所述系统干燥子系统是采用干燥的氮气和变色硅胶降低低温环境箱内空气得湿度，储存在钢瓶中的干燥的氮气通过橡胶管与低温环境箱侧面的开孔相连，排气孔为水滴发生器插入孔；在低温环境箱内部试验件安装、调试完成后，在低温环境箱地面均匀铺满变色硅胶，盖上低温环境箱上盖。

所述过冷水滴发生系统包括水滴发生子系统和气源子系统，其中，所述水滴发生子系统包括热电偶传感器、毛细钢针、硬质铝棒、注射器、精密驱动泵。所述吹气子系统包括喷嘴、金属管、冷气储存箱和脉冲式气泵。精密驱动泵推动注射器，注射器通过橡胶管与毛细钢针相连，热电偶传感器置于毛细钢针出水口的下方2mm处。其中为了防止毛细钢针的晃动产生实验误差，采用直径为9mm，长700mm的硬质铝棒在其侧面开深度和宽度均为2mm的槽，将毛细钢针嵌入其中，并使用胶水进行加固；所述喷嘴置于热电偶传感器的正上方，喷嘴通过金属管和冷气储存箱相连，冷气储存箱置于低温环境箱的冷环境中，位于和水滴发生器下方热电偶传感器同一高度；所述冷气储存箱通过金属管和置于低温环境箱外的脉冲式气泵相连。

所述数据采集系统包括湿度传感器和k型热电偶传感器，其中，温度传感器用于采集低温环境箱内部空气得相对湿度；在低温环境箱内部一共布置了四个热电偶传感器，第一个置于水滴发生器的出水口，用于悬挂水滴和空气/水滴温度的测量，第二个热电偶传感器布置于和第一个热电偶传感器同一高度，用于衡量低温环境箱在内部空气在水平方向上的温度梯度，第三个热电偶传感器置于基板附近，用以监测基板所在高度对应的空气温度。第四个热电偶传感器置于基板上表面，用于检测基板温度。

所述试验基板系统包括样品基板、电动滑台及换热器，所述样品基板可以通过试验需求就行更换，基板通过导热胶粘贴在换热器上，换热器通过橡胶管和低温恒温槽相连；电动滑台与低温环境箱外部的滑台控制器相连，通过滑台控制器可以调节试验基板的位置和角度

所述数据采集系统为置于低温箱侧面的高速相机，高速相机通过低温环境箱侧面装有加热玻璃的拍摄窗口进行拍摄；所述照明系统为冷光源和亮度调节器，冷光源位于高速相机镜头的对侧；数据处理系统为计算机工作站。

所述拍摄系统包括高速相机标定板和冷光源系统，其中，高速相机通过低温环境箱侧面装有加热玻璃的小孔进行拍摄；标定板为单位刻度为0.025mm的标尺；所述冷光源系统包括冷光源和亮度调节装置，冷光源置于高速相机镜头的对侧，根据实际需求调节冷光源的亮度。

所述环境控制系统包括低温环境箱1、换热器21、低温恒温槽7、氮气瓶25

所述过冷水滴发生系统包括k型热电偶传感器18、毛细钢针14、硬质铝棒13、注射器 11、精密驱动泵12、冷气喷嘴16、冷气储存箱17、脉冲式气泵2；

所述数据采集系统包括k型热电偶传感器18、湿度传感器19、温度/湿度采集器3；

所述试验基板系统包括电动滑台22、换热器21、试验基板20；

所述拍摄系统包括高速相机9、冷光源4、光源控制器5、计算机工作站9；

其中，a：长，b：宽，h：高，c：壁厚，φ：直径，d：外径

进一步的，前述过冷水滴发生系统中，14的外径d＝1.5mm，13直径φ＝9mm，槽宽度b＝2 mm，槽深h＝2mm，17长*宽*高＝a*b*h＝100mm*50mm*20，壁厚c＝0.5mm。

进一步的，前述21长*宽*高＝a*b*h＝120mm*35mm*10mm。

实施例2

本发明还提供基于上述一种燃油配水及管路结冰量测量一体化试验装置的试验方法，该方法包括以下步骤：

(1)连接仪器、设备，对整个试验装置进行检测；

(2)插入水滴发生器，滴一颗水滴在试验基板上，调节高速相机焦距、光圈和冷光源光强，将标定板放置在水滴的位置，进行标定板的拍摄。

(3)在低温环境箱中加入变色硅胶，关闭低温环境箱上盖，打开低温环境箱侧面的三个密封塞，打开氮气阀门，通入干燥的氮气，待湿度降低到20％后关闭氮气阀门，将侧面的三个小孔密封。

(4)打开低温环境箱开关，设置初始温度；打开低温恒温槽开关，设计循环液温度。根据热电偶传感器的反馈，对低温环境箱内空气温度和基板温度进行调节。

(5)将水滴发生器从低温环境箱侧面的小孔插入，打开精密驱动泵，从低温环境箱上表面观察窗观察直至水滴低落到热电偶传感器上。

(6)观察监视器上对应的水滴温度达到目标温度T

(7)实验结束后，关闭所有带电系统开关，对实验装置进行清理，去除低温环境箱壁面以及低温环境箱内部所有试验装置表面所吸附的冷凝水。

具体实例：

选取屈臣氏牌蒸馏水作为试验用水，水滴过冷度为4℃，基板温度为-5℃。参照上述试验状态进行试验步骤为：

(1)连接仪器、设备，对整个试验装置进行检测；

(2)插入水滴发生器，在试验基板上滴一颗水滴，调节高速相机焦距、光圈和冷光源光强，直到拍摄画面清晰，将标定板放置在水滴的位置，进行标定板的拍摄。取出标定板，用无纺布将试验基板表面擦干。

(3)在低温环境箱中加入1kg变色硅胶，关闭低温环境箱上盖，打开干燥得氮气阀门，拔出低温箱侧面的橡胶塞，直至低温环境箱内湿度降到20％以下；关闭氮气阀门，用橡胶塞堵住低温环境箱侧面的小孔。

(4)打开低温环境箱制冷开关，接通低温恒温槽，根据热电偶传感器的温度反馈，调节直至基板温度达到-5℃，水滴发生器出水口所在位置空气温度达到-4℃；

(5)将嵌有毛细钢针的硬质铝棒从低温环境箱侧面的小孔插入，直至水滴发生器的出水口到达热电偶传感器上方，将一颗水滴滴在热电偶传感器上，根据热电偶传感器的温度反馈，当水滴的温度达到时，启动脉冲式气泵，悬挂在热电偶传感器上的水滴被吹落，同时高速相机对过冷水滴的撞击过程进行拍摄。

(6)实验结束后，关闭所有带电系统开关，对实验装置进行清理，去除低温环境箱壁面以及低温环境箱内部所有系统表面所吸附的冷凝水。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，还可以做出若干改动和调整。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。