本發(fā)明屬于液滴產生和分離技術領域，特別涉及一種粒徑可控的粘彈流體液滴發(fā)生裝置。

背景技術：

液滴發(fā)生裝置可用于液滴的變形、破碎、碰撞、沉降等性能測試實驗。這類實驗是研究和檢測液體霧化噴涂機理和特性的重要組成部分。粘彈性流體其粘度依賴于剪切率，兼具粘性和彈性，如絕大多數聚合物溶液，懸浮溶液，生物流體就屬于粘彈性流體。粘彈性流體的破碎機理及其液滴的變形，碰撞特性在噴涂，醫(yī)藥，航空，新材料等領域有著重要的應用背景。

針對于粘彈性流體液滴的發(fā)生裝置目前尚無成熟的結構，已有的液滴發(fā)生器對形成的液滴大小和初始速度沒有穩(wěn)定、精準、直觀的控制方法，也未考慮到粘彈性流體具有高黏性和彈性容易堵塞管路和出口，同時其液絲易發(fā)生粘連。

公開號為CN103182113A的在先申請，公開了一種液滴發(fā)生器及其工作方法，利用液滴自重懸掛在低頭處，并利用堵頭開關甩出液滴，這個方法對粘彈性流體會產生明顯的粘連液絲，也無法直觀準確的量化控制液滴大小，因而有其局限性。

技術實現要素：

針對上訴不足，本發(fā)明提供一種粒徑可控的粘彈流體液滴發(fā)生裝置。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種粒徑可控的粘彈流體液滴發(fā)生裝置，包括液滴發(fā)生器、供氣裝置、供液裝置、控制系統(tǒng)；所述液滴發(fā)生器包括腔體，所述腔體的材料為導電性材料，所述腔體上開有滴液通道和供氣通道，所述滴液通道和供氣通道相連通，滴液通道與供液裝置相連，供氣通道與供氣裝置相連，腔體的下端出液口處從上至下依次設置第一測速裝置、第一控速電場板、第二控速電場板和第二測速裝置，第一控速電場板和第二控速電場板均與腔體之間隔有絕緣材料；所述控制系統(tǒng)包括單片機和電流信號發(fā)生器，所述單片機與電流信號發(fā)生器相連，所述第一測速裝置、第二測速裝置、供氣裝置和供液裝置均與單片機相連，所述腔體的側壁、第一控速電場板和第二控速電場板均與電流信號發(fā)生器相連。

進一步的，所述供氣裝置和供液裝置結構相同，包括基座和注射器腔體，所述注射器腔體通過固定塊固定在基座上，固定塊之間鉸接有驅動絲桿，驅動絲桿上套設有驅動滑塊，驅動滑塊與驅動絲桿嚙合傳動，固定塊之間固定連接有固定滑桿，固定滑桿穿過驅動滑塊，注射器腔體內設置有注射器活塞，注射器活塞與驅動滑塊固定相連，注射器腔體出口處連接有軟管；基座上安裝有步進電機，步進電機驅動驅動絲桿轉動，步進電機與單片機相連；供氣裝置的軟管與供氣通道相連，供液裝置的軟管與滴液通道相連。

進一步的，所述控制系統(tǒng)還包括輸入裝置和輸出裝置，所述輸入裝置用于輸入需液滴大小、初速度和液滴滴落頻率、液體粘度和張力，輸出裝置為顯示器，用于顯示輸入數值和最終液滴速度。

進一步的，所述第一測速裝置和第二測速裝置均為測速傳感器。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明根據液滴破碎機理對形成的液滴大小預測和液滴的速度控制更為精準。本發(fā)明利用氣體將液滴間隔并壓出，避免了液體粘連與堵頭，對形成液滴的大小控制更為精準。產生的液滴大小、初速度和液滴滴落頻率可以精準控制并顯示在顯示屏上，節(jié)省了實驗中計算的時間，使液滴參數更直觀的呈現，有利于對液滴的研究。

附圖說明

圖1為本發(fā)明液滴發(fā)生裝置的結構連接示意圖；

圖2為本發(fā)明液滴發(fā)生裝置的出口處結構放大圖；

圖3為本發(fā)明液滴發(fā)生裝置的供氣裝置和供液裝置的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明液滴發(fā)生裝置工作流程圖；

圖中：液滴發(fā)生器1、供氣裝置2、供液裝置3、控制系統(tǒng)4、腔體5、滴液通道6、供氣通道7、第一控速電場板8、第一測速裝置9、絕緣材料10、基座11、注射器腔體12、固定塊13、驅動絲桿14、驅動滑塊15、固定滑桿16、注射器活塞17、軟管18、步進電機19、第二測速裝置20、第二控速電場板21。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步地說明。

如圖1-2所示，一種粒徑可控的粘彈流體液滴發(fā)生裝置，包括液滴發(fā)生器1、供氣裝置2、供液裝置3、控制系統(tǒng)4；所述液滴發(fā)生器1包括腔體5，所述腔體5的材料為導電性材料，所述腔體5上開有滴液通道6和偶數個供氣通道7，偶數個供氣通道7相對于滴液通道6呈中心對稱布置，使得供氣通道7流出的氣體能夠均勻的剪切滴液通道6流出的液體，本實施例中供氣通道7取兩個，所述兩個供氣通道7在滴液通道6上交匯于一處，滴液通道6與供液裝置3相連，供氣通道7與供氣裝置2相連，腔體5的下端出液口處從上至下依次設置第一測速裝置9、第一控速電場板8、第二控速電場板21和第二測速裝置20，第一控速電場板8和第二控速電場板21均與腔體5之間隔有絕緣材料10；所述控制系統(tǒng)4包括單片機和電流信號發(fā)生器，所述單片機與電流信號發(fā)生器相連，所述第一測速裝置9、第二測速裝置20、供氣裝置2和供液裝置3均與單片機相連，所述腔體5的側壁、第一控速電場板8和第二控速電場板21均與電流信號發(fā)生器相連。

如圖3所示，所述供氣裝置2和供液裝置3結構相同，包括基座11和注射器腔體12，所述注射器腔體12通過固定塊13固定在基座11上，固定塊13之間鉸接有驅動絲桿14，驅動絲桿14上套設有驅動滑塊15，驅動滑塊15與驅動絲桿14嚙合傳動，固定塊13之間固定連接有固定滑桿16，固定滑桿16穿過驅動滑塊15，注射器腔體12內設置有注射器活塞17，注射器活塞17與驅動滑塊15固定相連，注射器腔體12出口處連接有軟管18；基座11上安裝有步進電機19，步進電機19驅動驅動絲桿14轉動，步進電機19與單片機相連；供氣裝置2的軟管分成兩個支管，兩個支管與兩個供氣通道7相連，供液裝置3的軟管與滴液通道6相連。

所述控制系統(tǒng)3還包括輸入裝置和輸出裝置，所述輸入裝置可以為鍵盤，用于輸入需液滴大小、初速度和液滴滴落頻率、液體粘度和張力，輸出裝置可以為顯示器，用于顯示輸入數值和最終液滴速度。

所述第一測速裝置9和第二測速裝置20均為測速傳感器，可以采用上海翰西電氣科技有限公司的激光對射電容式接近開關傳感器，但不限于此。所述單片機可以采用51單片機，但不限于此。

本實施例液滴通道6直徑為2mm，本裝置可形成的液滴直徑范圍為：0.5mm-6mm，大于上述最大值噴出的液滴不再是液滴，變?yōu)槎鄠€液滴合成的液柱。液滴破碎機理的研究普遍表明，當韋伯數小于某一臨界值時，液滴不會發(fā)生破碎，韋伯數的定義為We＝ρ_gu²d/σ，表征的是氣動力和表面張力之比，對于粘彈流體液滴破碎還需考慮液體粘性的影響，根據Brodkey的相關研究(R.S.Brodkey,The phenomena of fluid motions,Addison-Wesley series in Chemical engineering.Addison-Wesley Pub.Co.,New York,NY,USA.,1967.)，對于粘彈流體，韋伯數可加入另一無量綱參數歐森數加以修正：其中We＝ρ_gu²d/σ，為歐森數，可表征粘性力和表面張力之比，ρ_g＝1.29kg/m³，ρ_l為液體密度，r為液滴半徑，u為氣液相對速度、d為液滴直徑，σ為液滴表面張力，μ_l為液體粘度，對于粘彈流體，液體的粘度隨剪切速率的變化而變化，其粘度可寫為：λ₁是松弛時間，λ₂是滯后時間，μ₀是液體剪切速率為0時的粘度，為剪切速率，當剪切速率很小時μ_l趨近于μ₀。根據產生液滴尺寸的范圍可控制為0.5mm-6mm，根據相關機理性研究We＜6時，才能保證液滴不破碎，可得出氣液相對速度的最大值為其中氣液相對速度的最大值即為液滴臨界破碎速度u_s。本實施例中兩個氣體通道圓形截面積為液體通道圓形截面積的1/2；液滴驅動速度v_l＝0.25u₀d_l，其中u₀為液滴初速度，d_l為供氣裝置2中注射腔體直徑；氣體驅動速度v_g＝0.25u₀d_g，d_g為供液裝置3中注射腔體直徑，液體注射時間氣體注射時間其中f為液滴頻率。

首先通過輸入裝置輸入所需液滴直徑d、液滴初速度u₀、液滴頻率f、液體張力σ、松弛時間λ₁、滯后時間λ₂、剪切速率零剪切粘度μ₀和液體密度ρ_l，輸入的數據傳遞給單片機，通過單片機獲得該液滴的臨界破碎速度u_s，將輸入的液滴初速度u₀與該臨界破碎速度u_s相比較，若u₀大于u_s，則重新輸入液滴初速度u₀，直到u₀小于等于u_s；接著，單片機控制供液裝置3中的步進電機實現液體不同速度的高精度、平穩(wěn)間斷傳輸，控制供氣裝置2中的步進電機實現氣體不同頻率和不同速度的間斷傳輸，由于此裝置注入液滴尺寸較小，注氣壓力穩(wěn)定且較低，兩端氣體管道同時壓入氣體從兩端包裹分離的液滴向下緩慢輸送，此時液滴通道6內流速較低不會形成氣液兩相湍流或氣泡流，實現液體和氣體間隔匯聚于液滴通道6，從而實現對液滴不同尺寸大小和滴落頻率的控制。

由于腔體5的材料為導電性材料，腔體5的側壁、第一控速電場板8和第二控速電場板21均與電流信號發(fā)生器相連；這是因為導電性材料上可生成由外部靜電力而感應的電流，結果會使流體表面形成靜電場，詳細來說，所述電流信號發(fā)生器產生的交流性信號是正和負交替重復的正弦波信號，當所述導電腔體5上施加正交流性信號時，液滴通道6內的液滴集中被感應成負電荷；當所述導電腔體5上施加負交流性信號時，液滴通道6內的液滴集中被感應成正電荷。供氣裝置2輸出的氣體將帶電液滴壓入液滴通道6，腔體5的下端出液口處從上至下依次設置第一測速裝置9、第一控速電場板8、第二控速電場板21和第二測速裝置20，第一測速裝置9將測得的數據轉化為電信號反饋給單片機，單片機再根據輸入的初速度通過電流信號發(fā)生器發(fā)出直流高壓電信號控制第一控速電場板8和第二控速電場板21帶有不同性質的電荷形成加速或者減速電場(當液滴帶有正電荷時第一控速電場板8帶正電、第二控速電場板21帶負電形成液滴的加速電場，反之第一控速電場板8帶負電、第二控速電場板21帶正電形成液滴的減速電場，通過電流信號發(fā)生器使第一控速電場板8和第二控速電場板21帶電量的多少，來控制加速/減速電場的強度)，使帶電液滴受到庫侖力，實現液滴速度的調節(jié)，出口末端同時安裝第二測速裝置20，第二測速裝置20將測得的數據轉化為電信號反饋給單片機，單片機反饋再控制電流信號發(fā)生器，使得第二測速裝置20檢測到的液滴速度趨近于初始設定的速度，將最終速度顯現與顯示屏上，實現了對液滴初速度的控制。

實施例：

如圖4所示，將液體注入到供液裝置3上的注射器腔體12內，通過輸入裝置將所需參數液滴直徑d、液滴初速度u₀、液滴頻率f，輸入液體的物性參數σ、λ₁、λ₂、μ₀和ρ_l，輸入到單片機中，通過單片機計算獲得該液滴的臨界破碎速度u_s，將u₀與u_s相比較，若u₀大于u_s，則重新輸入u₀，直到u₀小于等于u_s；通過輸入液滴初速度u₀、液滴頻率f計算出步進電機的驅動輸出參數液滴驅動速度v_l、氣體驅動速度v_g和液體注射時間t_l、氣體注射時間t_g，氣體液體同時壓入流道于支路匯合處氣體將液體擠壓成段向下運動，第一測速裝置9測得此時液滴的速度為u₁，并將該速度反饋給單片機，單片機再根據輸入的初速度u₀，判斷u₁是否與u₀相等，若相等，則直接輸出液滴速度；若不相等，則單片機控制電流信號發(fā)生器向腔體5發(fā)出交流電信號，此時液滴被氣體壓出液體通道6，單片機處理后控制電流信號發(fā)生器向第一控速電場板8和第二控速電場板21發(fā)射直流信號，使帶電液滴受到庫侖力，調整液滴速度，第二測速裝置20測得此時液滴的速度為u₂，將該速度反饋給單片機，單片機再根據輸入的初速度u₀，判斷u₂是否與u₀相等，若相等，則輸出液滴；，若不相等，則單片機再次控制電流信號發(fā)生器，直到u₂趨近于初始設定的液滴初速度u₀，最終液滴參數顯示于顯示屏上，實現對液滴初速度、直徑、頻率的控制。

上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。