一种过冷水滴生成装置

技术领域

本申请属于飞机结冰测试技术领域，特别涉及一种过冷水滴生成装置。

背景技术

过冷水滴是指温度低于0℃却仍然保持液态的水滴。当空中的云体伸展到一定程度时，云中就会存在过冷水滴。过冷水滴处于亚稳态状态，受到扰动后极易结冰。飞机在含有过冷水滴的云层中飞行时，过冷水滴撞击在飞机表面上后冻结成冰，冰在飞机迎风表面的附着和积聚会对飞机的飞行安全造成极大危害，结冰破坏了机翼的气动外形，导致升力下降、阻力增加、临界攻角减小、飞机操纵性和稳定性下降，冰还会附着在除机翼之外的其它迎风表面上，例如空速管、进气孔和整流罩等。过冷水滴在飞机表面核化冻结是飞机结冰的起因，研究过冷水滴相变传热传质特性，深入探究水滴的核化冻结特性和规律，理解水滴核化和结冰现象相关的微物理过程，可为研究飞机表面结冰现象和飞机防除冰技术提供理论依据。

现有技术中的过冷水滴生成方法，对于过冷水滴的状态很难实现高效率精确的控制。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本申请的目的是提供了一种过冷水滴生成装置，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种过冷水滴生成装置，包括：

水滴发生模块，用于生成不同直径、温度的水滴；

水滴预冷模块，所述水滴预冷模块位于所述水滴发生模块的下侧，所述水滴预冷模块具有冷却通道，用于为所述水滴发生模块生成的水滴进行降温形成过冷水滴；

试验舱，所述试验舱设置在所述水滴预冷模块的下端，用于为通过所述水滴预冷模块冷却通道后的过冷水滴提供撞击结冰的固体表面；

数据采集模块，用于采集所述水滴发生模块中水滴的温度、所述水滴预冷模块的冷却通道内的温度以及所述试验舱中固体表面的温度。

可选地，所述水滴发生模块包括试验水源、注射泵、针头固定座、第一半导体制冷片、第一换热板、第一直流可调压电源、针头、第一水泵以及冷却水源，其中，

所述针头可拆卸安装在所述针头固定座上，所述针头通过所述注射泵从所述试验水源汲取试验用水；

所述第一半导体制冷片的冷端抵接所述针头固定座设置，所述第一半导体制冷片通过所述第一直流可调压电源控制冷端表面温度；

所述第一换热板抵接所述第一半导体制冷片的热端设置，所述第一换热板通过所述第一水泵与冷却水源连接，实现水冷换热。

可选地，所述第一半导体制冷片的冷端与所述针头固定座之间，以及所述第一半导体制冷片的热端与所述第一换热板之间均涂有导热硅脂。

可选地，所述水滴发生模块还包括位置调节部，所述位置调节部包括竖直丝杠以及横向丝杠，所述横向丝杠与所述竖直丝杠相互垂直设置，所述针头固定座安装在所述竖直丝杠或所述横向丝杠上。

可选地，所述水滴预冷模块包括预冷保温筒以及液氮罐，所述预冷保温筒包括铜管、不锈钢管、上端盖以及下端盖，其中，所述不锈钢管同轴套设在所述铜管的外侧，所述不锈钢管与所述铜管之间具有容纳腔，所述上端盖安装在所述铜管与所述不锈钢管构成的组件上端，所述下端盖安装在所述铜管与所述不锈钢管构成的组件下端，所述上端盖上开设有进口以及出口，进口通过保温管与所述液氮罐连接，出口通过保温管与空气连通。

可选地，所述不锈钢管的外侧包裹有保温棉。

可选地，所述不锈钢管与所述铜管之间的容纳腔中设置有加热电缆，所述加热电缆与温控单元以及第二直流可调压电源连接。

可选地，所述试验舱包括第三直流可调压电源、有机玻璃外壳、实验板、第二半导体制冷片、第二换热板以及第二水泵，其中，

所述有机玻璃外壳的顶部开孔；

所述实验板设置在所述有机玻璃外壳中；

所述第二半导体制冷片的冷端抵接所述实验板设置，所述第二半导体制冷片通过所述第三直流可调压电源控制冷端表面温度；

所述第二换热板抵接所述第二半导体制冷片的热端设置，所述第二换热板通过所述第二水泵与冷却水源连接，实现水冷换热。

可选地，所述第二半导体制冷片的冷端与所述实验板之间，以及所述第二半导体制冷片的热端与所述第二换热板之间均涂有导热硅脂。

可选地，所述数据采集模块包括热电偶、数据采集器以及控制计算机。

发明至少存在以下有益技术效果：

本申请的过冷水滴生成装置，可在地面常温环境下生成不同水滴直径、水滴温度、水滴过冷度以及水滴撞击速度的过冷水滴，为进行过冷水滴结冰机理研究提供了强有力的支撑。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的过冷水滴生成装置整体示意图；

图2是本申请一个实施方式的过冷水滴生成装置主要部分示意图；

图3是本申请一个实施方式的过冷水滴生成装置水滴发生模块示意图；

图4是本申请一个实施方式的过冷水滴生成装置水滴发生模块的位置调节部示意图；

图5是本申请一个实施方式的过冷水滴生成装置水滴预冷模块示意图；

图6是本申请一个实施方式的过冷水滴生成装置试验舱示意图。

其中：

1-液氮罐；2-水滴发生模块；201-试验水源；202-注射泵；203-针头固定座；204-第一半导体制冷片；205-第一换热板；206-第一直流可调压电源；207-针头；208-第一水泵；209-冷却水源；3-水滴预冷模块；301-保温棉；302-不锈钢管；303-加热电缆；304-铜管；305-温控单元；306-第二直流可调压电源；4-试验舱；401-第三直流可调压电源；402-有机玻璃外壳；403-实验板；404-第二半导体制冷片；405-第二换热板；406-第二水泵；5-数据采集模块；6-位置调节部；601-竖直丝杠；602-横向丝杠；7-支持固定架。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1至图6对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种过冷水滴生成装置，包括：水滴发生模块2、水滴预冷模块3、试验舱4以及数据采集模块5。

具体的，如图1-2所示，水滴发生模块2能够生成不同直径、温度的水滴；水滴预冷模块3位于水滴发生模块2的下侧，水滴预冷模块3具有冷却通道，水滴发生模块2产生的水滴经过水滴预冷模块3的冷却通道进行降温后形成过冷水滴；试验舱4设置在水滴预冷模块3的下端，用于为通过水滴预冷模块3后的过冷水滴提供撞击结冰的固体表面；数据采集模块5用于采集水滴发生模块2中水滴的温度、水滴预冷模块3的冷却通道内的温度以及试验舱4中固体表面的温度。

在本申请的一个优选实施例中，如图3所示，水滴发生模块2包括试验水源201、注射泵202、针头固定座203、第一半导体制冷片204、第一换热板205、第一直流可调压电源206、针头207、第一水泵208以及冷却水源209。其中，针头207采用可拆卸的方式安装在针头固定座203上，针头207与注射泵202连接，通过注射泵202从试验水源201汲取试验用水；第一半导体制冷片204的冷端抵接针头固定座203设置，第一半导体制冷片204通过第一直流可调压电源206控制冷端表面温度；第一换热板205抵接第一半导体制冷片204的热端设置，第一换热板205通过第一水泵208与冷却水源209连接，实现水冷换热。

本实施例中，试验水源201为纯净水，利用注射泵202从试验水源201汲取试验用水，通过控制排液量来控制水滴体积的大小，同时还可以通过更换不同孔径的针头207，达到精确控制水滴直径大小的目的。从针头207滴下的水滴温度在0℃以上，为了使水滴能够更容易变为温度在 0℃以下的过冷水滴，应使得进入水滴预冷模块3之前的水滴越接近0℃越好，因此，本实施例中采用第一半导体制冷片204获得并维持水滴进入水滴预冷模块3之前的温度，第一半导体制冷片204连接有第一直流可调压电源206，通过调节第一半导体制冷片204两端的电压大小，从而控制第一半导体制冷片204冷端表面温度，第一半导体制冷片204的热端采用水冷换热方式，用第一水泵208循环大容量常温水带走第一半导体制冷片204热端的热量。

有利的是，本实施例中，第一半导体制冷片204的冷端与针头固定座203之间、第一半导体制冷片 204的热端与第一换热板205之间均匀地涂满导热硅脂，以减小接触热阻，增强导热速率。

有利的是，本实施例中，如图4所示，水滴发生模块2还包括位置调节部6，位置调节部6包括竖直丝杠601以及横向丝杠602，横向丝杠602与竖直丝杠601相互垂直设置，针头固定座203可以采用焊接安装在竖直丝杠601或横向丝杠602上。位置调节部6的主要作用是调节针头207的前后位置以及所在高度，从而保证水滴能够进入水滴预冷模块3，并调节水滴最终的撞击速度。

在本申请的一个优选实施例中，如图5所示，水滴预冷模块3包括预冷保温筒以及液氮罐1，预冷保温筒包括铜管304、不锈钢管302、上端盖以及下端盖。其中，不锈钢管302同轴套设在铜管304的外侧，不锈钢管302与铜管304之间具有容纳腔，上端盖安装在铜管304与不锈钢管302构成的组件上端，下端盖安装在铜管304与不锈钢管302构成的组件下端，将容纳腔密封，上端盖上开设有进口以及出口，进口通过保温管与液氮罐1连接，通过液氮罐1阀门控制流入不锈钢管302内的液氮流量，将铜管304内的温度迅速冷却，从而实现对水滴的预冷，出口通过保温管与空气连通，以维持容纳腔内部的压力平衡。

有利的是，本实施例中，不锈钢管302的外侧包裹有保温棉301，能够减缓预冷保温筒与空气的热交换，增强预冷效果。

进一步，由于液氮制冷温度较低，为提高预冷温度调节效率，在不锈钢管302与铜管304之间的容纳腔中设置有加热电缆303，加热电缆303连接有温控单元305以及第二直流可调压电源306，如需升高预冷温度，则可打开第二直流可调压电源306，加热一段时间，就可较快速的达到所需水滴预冷模块3的设定温度。

在本申请的一个优选实施例中，如图6所示，试验舱4包括第三直流可调压电源401、有机玻璃外壳402、实验板403、第二半导体制冷片404、第二换热板405以及第二水泵406。其中，有机玻璃外壳402设置在预冷保温筒的下端，有机玻璃外壳402的顶部开孔，水滴经过预冷保温筒后，由有机玻璃外壳402顶部开孔进入试验舱4中；实验板403设置在有机玻璃外壳402中；第二半导体制冷片404的冷端抵接实验板403设置，第二半导体制冷片404通过第三直流可调压电源401控制冷端表面温度；第二换热板405抵接第二半导体制冷片404的热端设置，第二换热板405通过第二水泵406与冷却水源209连接，实现水冷换热。

有利的是，本实施例中，第二半导体制冷片404的冷端与实验板403之间，以及第二半导体制冷片404的热端与第二换热板405之间均匀涂满导热硅脂，加强导热效果。

本申请的过冷水滴生成装置，数据采集模块5包括热电偶、数据采集器以及控制计算机，用于实现各个模块的温度参数，包括水滴的初始温度、预冷温度、实验板表面温度等。

在本申请的一个优选实施例中，还包括支持固定架7，用于实现过冷水滴生成装置各个模块的支持固定。

本申请的过冷水滴生成装置，进行试验的操作过程，具体可包括以下步骤：

1、组装过冷水滴生成装置的各个模块；

2、通过位置调节部6调整针头207的高度及前后位置，保障水滴能顺利穿过水滴预冷模块3，并撞击在实验板403上；

3、打开数据采集模块5电源；

4、打开液氮罐1阀门，液氮流入不锈钢管302内，使铜管304内的温度达到要求的温度；

5、打开第一半导体制冷片204、第二半导体制冷片404的电源，以及对应的第一水泵208、第二水泵406，调节电压使水滴初始温度以及实验板403表面温度到达要求值；

6、打开注射泵202电源，输入注射泵202排液量，在针头207处形成水滴，并在重力作用下穿过水滴预冷模块3，进入试验舱4，碰撞在低温实验板403上冻结成冰；

7、通过高速摄像机记录过冷水滴撞击及结冰的过程；

8、通过不断调节注射泵202排液量、针头207规格、预冷温度、实验板403表面温度以及水滴下落高度，获取水滴直径、初始温度、过冷度、撞击速度对过冷水滴结冰的影响；

9、试验结束后关闭液氮罐1阀门、第一半导体制冷片204电源、第二半导体制冷片404电源、第一水泵208电源、第二水泵406电源、注射泵202电源、数据采集模块5电源。

本申请的过冷水滴生成装置，可在地面常温环境下生成不同水滴直径、水滴温度、水滴过冷度以及水滴撞击速度的过冷水滴，为进行过冷水滴结冰机理研究提供了强有力的支撑。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。