本發(fā)明涉及一種溫濕度可控的微米級顆粒與不同表面碰撞的實驗系統(tǒng)及實驗方法，屬于氣固兩相流實驗裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

細(xì)顆粒物沉積現(xiàn)象存在于能源、環(huán)境工程、化工、微電子和機(jī)械工程等眾多領(lǐng)域。一方面，細(xì)顆粒沉積一般具有負(fù)面作用，如鍋爐內(nèi)換熱管表面積灰導(dǎo)致傳熱惡化、透光元件上積灰會造成光通量下降（如太陽能光伏電池由于表面積灰而輸出功率降低）、細(xì)顆粒在微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)的沉積可能會引起機(jī)械故障或造成流動阻塞、大氣細(xì)顆粒在人體呼吸道/肺泡部位沉積造成疾病等。另一方面，細(xì)顆粒沉積可以在實踐中加以增強(qiáng)，以能源動力領(lǐng)域為例，通過外加聲場、磁場、電場、化學(xué)團(tuán)聚過程（亦稱聚集過程）將細(xì)顆粒團(tuán)聚成較大顆粒，從而在傳統(tǒng)布袋或靜電除塵器內(nèi)有效沉積并脫除。

上述主要從宏觀應(yīng)用角度涉及多相流中細(xì)顆粒的沉積問題，為揭示這些過程背后物理本質(zhì)，從表征微觀尺度顆粒間相互作用的力-位移關(guān)系式出發(fā)，研究細(xì)顆粒間相互作用機(jī)理。兩個相近粒徑細(xì)顆粒相互接觸的實驗相對較難，因此設(shè)計實驗溫度和濕度可控的微米尺度顆粒與不同表面碰撞的實驗裝置是建立濕顆粒動力學(xué)理論必須的實驗依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種溫濕度可控的微米級顆粒與不同表面碰撞的實驗系統(tǒng)及實驗方法，為揭示多相流中細(xì)顆粒的沉積的物理本質(zhì)，從表征微顆粒間相互作用的力-位移關(guān)系式出發(fā)，研究細(xì)顆粒間相互作用機(jī)理。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種溫濕度可控的微米級顆粒與不同表面碰撞的實驗系統(tǒng)，它包括一個實驗艙、光源、高速攝像機(jī)和計算機(jī)，所述實驗艙包含上蓋、實驗艙體和下蓋，在實驗艙體上設(shè)有兩個相對的石英玻璃視窗；它還包括一個微米級顆粒供給單元和一個設(shè)置在實驗艙中的撞擊單元，所述微米級顆粒供給單元包含載氣瓶、兩個質(zhì)量流量計、一個濕顆粒發(fā)生器和一個混合器，載氣瓶通過兩路管道，一路經(jīng)一個質(zhì)量流量計、濕顆粒發(fā)生器連接混合器，另一路經(jīng)另一個質(zhì)量流量計連接混合器，從混合器流出的載氣與微米級顆?；旌蠚饨?jīng)繞有傳熱帶的蛇形管道連接撞擊單元；所述撞擊單元包含撞擊平臺和微粒供給管，固定在上蓋上的微粒供給管與繞有傳熱帶的蛇形管道連接，在微粒供給管出氣口的外壁上設(shè)有連接溫度控制器的第一熱電偶，撞擊平臺采用下端連接電熱棒的圓柱體結(jié)構(gòu)，在撞擊平臺的外壁上設(shè)有連接另一溫度控制器的第二熱電偶，連接調(diào)壓器的電熱棒位于固定在連接體中的陶瓷管中，連接體與下蓋之間采用螺栓連接；所述光源、石英玻璃視窗、撞擊單元和高速攝像機(jī)安裝在一條直線上，高速攝像機(jī)電連接計算機(jī)。

所述實驗艙體的下側(cè)壁上設(shè)有開孔。

所述第一熱電偶設(shè)置在微粒供給管出氣口外壁的0.5-1.5mm處，溫度控制器控制微粒供給管的出氣溫度為220-240℃。

所述第二熱電偶設(shè)置在撞擊平臺的外壁上0.5-1.5mm處，所述調(diào)壓器控制電熱棒的加熱功率，由溫度控制器控制撞擊平臺的溫度為190-210℃。

所述撞擊平臺的圓柱體直徑為1.8-2.2mm。

所述的一種溫濕度可控的微米級顆粒與不同表面碰撞的實驗方法采用如下步驟：

（1）將微量已干燥的煤灰顆粒放入濕顆粒發(fā)生器內(nèi)；

（2）將高速攝像機(jī)與計算機(jī)連接，更改計算機(jī)ip地址；

（3）用安裝在計算機(jī)上的高速攝像機(jī)自帶控制軟件設(shè)置攝像機(jī)參數(shù)，如分辨率、采樣率和曝光時間，攝像機(jī)觸發(fā)方式為延遲觸發(fā)；

（4）調(diào)整高速攝像機(jī)的焦距，使拍攝區(qū)域內(nèi)成像清晰，準(zhǔn)備拍攝；

（5）檢查第一熱電偶、第二熱電偶已達(dá)到設(shè)定溫度值；

（6）打開氣閥，迅速調(diào)整氣流流量后，待氣流穩(wěn)定后，點擊拍攝按鈕，進(jìn)行拍攝；

（7）觀察計算機(jī)上顯示的實時圖像，待適當(dāng)時間后，點擊停拍按鈕，結(jié)束記錄；

（8）點擊回放按鈕，觀察已記錄的圖片，如果圖片顯示顆粒不清晰或未捕捉到顆粒，則重新拍攝，直至捕捉到成像清晰的顆粒撞擊平板表面過程；

（9）將拍攝的視頻保存至計算機(jī)中，以供后續(xù)圖像處理。

本發(fā)明的有益效果是：這種溫濕度可控的微米級顆粒與不同表面碰撞的實驗系統(tǒng)主要包括微米級顆粒供給單元和設(shè)置在實驗艙中的撞擊單元，微米級顆粒供給單元包含載氣瓶、兩個質(zhì)量流量計、一個濕顆粒發(fā)生器和一個混合器，為撞擊單元提供一定速度的載氣和微?；旌蠚狻Ｗ矒魡卧矒羝脚_和微粒供給管，在微粒供給管出氣口的外壁上設(shè)有第一熱電偶；撞擊平臺的外壁上設(shè)有連接第二熱電偶。光源、石英玻璃視窗、撞擊單元和高速攝像機(jī)安裝在一條直線上，高速攝像機(jī)電連接計算機(jī)。該實驗裝置可以研究的主要內(nèi)容為：可獲得微米級顆粒與不同表面撞擊時的入射速度、反彈速度和臨界捕集速度；研究不同濕度、不同溫度、不同顆粒材料和不同粒徑顆粒環(huán)境下，微米級顆粒與不同表面撞擊時能量耗散機(jī)制；研究結(jié)果可為氣固兩相流及涉及工業(yè)領(lǐng)域中（如：除塵、積灰、過濾）的顆粒碰撞、顆粒沉積等方面提供基礎(chǔ)實驗驗證。

附圖說明

圖1是一種溫濕度可控的微米級顆粒與不同表面碰撞的實驗系統(tǒng)圖。

圖2是實驗艙的結(jié)構(gòu)圖。

圖中：1、載氣瓶，2、質(zhì)量流量計，3、濕顆粒發(fā)生器，4、混合器，5、傳熱帶，6、溫度控制器，7、第一熱電偶，7a、第二熱電偶，8、光源，9、電熱棒，10、調(diào)壓器，11、高速攝像機(jī)，12、計算機(jī)，13、上蓋，14、實驗艙體，14a、開孔，15、石英玻璃，16、端蓋，17、下蓋，18、連接體，19、陶瓷管，20、撞擊平臺，21、微粒供給管。

具體實施方式

以下參照附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步描述。

圖1、2示出了一種溫濕度可控的微米級顆粒與不同表面碰撞的實驗系統(tǒng)圖和實驗艙的結(jié)構(gòu)圖。

圖中，這種溫濕度可控的微米級顆粒與不同表面碰撞的實驗系統(tǒng)包括一個實驗艙、光源8、高速攝像機(jī)11、計算機(jī)12、一個微米級顆粒供給單元和一個設(shè)置在實驗艙中的撞擊單元。實驗艙包含上蓋13、實驗艙體14和下蓋17，在實驗艙體14上設(shè)有兩個相對的石英玻璃視窗和開孔14a。

微米級顆粒供給單元包含載氣瓶1、兩個質(zhì)量流量計2、一個濕顆粒發(fā)生器3和一個混合器4，載氣瓶1通過兩路管道，一路經(jīng)一個質(zhì)量流量計2、濕顆粒發(fā)生器3連接混合器4，另一路經(jīng)另一個質(zhì)量流量計2連接混合器4，從混合器4流出的載氣與微米級顆?；旌蠚饨?jīng)繞有傳熱帶5的蛇形管道連接撞擊單元。

撞擊單元包含撞擊平臺20和微粒供給管21，固定在上蓋13上的微粒供給管21與繞有傳熱帶5的蛇形管道連接，在微粒供給管21出氣口的外壁上設(shè)有連接溫度控制器6的第一熱電偶7，第一熱電偶7設(shè)置在微粒供給管21出氣口外壁的1.0mm處，溫度控制器6控制微粒供給管21的出氣溫度為230℃。

撞擊平臺20采用下端連接電熱棒9的直徑為2.0mm的圓柱體結(jié)構(gòu)，在撞擊平臺20的外壁上設(shè)有連接另一溫度控制器6的第二熱電偶7a，第二熱電偶7a設(shè)置在撞擊平臺20的外壁上1.0mm處，所述調(diào)壓器10控制電熱棒9的加熱功率，由溫度控制器6控制撞擊平臺20的溫度為200℃。

連接調(diào)壓器10的電熱棒9位于固定在連接體18中的陶瓷管19中，連接體18與下蓋17之間采用螺栓連接。光源8、石英玻璃視窗、撞擊單元和高速攝像機(jī)11安裝在一條直線上，高速攝像機(jī)11電連接計算機(jī)12。

這種溫濕度可控的微米級顆粒與不同表面碰撞的實驗方法采用如下步驟：

（1）將微量已干燥的煤灰顆粒放入濕顆粒發(fā)生器內(nèi)；

（2）將高速攝像機(jī)11與計算機(jī)12連接，更改計算機(jī)ip地址；

（3）用安裝在計算機(jī)12上的高速攝像機(jī)11自帶控制軟件設(shè)置攝像機(jī)參數(shù)，如分辨率、采樣率和曝光時間，攝像機(jī)觸發(fā)方式為延遲觸發(fā)；

（4）調(diào)整高速攝像機(jī)11的焦距，使拍攝區(qū)域內(nèi)成像清晰，準(zhǔn)備拍攝；

（5）檢查第一熱電偶7、第二熱電偶7a已達(dá)到設(shè)定溫度值；

（6）打開氣閥，迅速調(diào)整氣流流量后，待氣流穩(wěn)定后，點擊拍攝按鈕，進(jìn)行拍攝；

（7）觀察計算機(jī)12上顯示的實時圖像，待適當(dāng)時間后，點擊停拍按鈕，結(jié)束記錄；

（8）點擊回放按鈕，觀察已記錄的圖片，如果圖片顯示顆粒不清晰或未捕捉到顆粒，則重新拍攝，直至捕捉到成像清晰的顆粒撞擊平板表面過程；

（9）將拍攝的視頻保存至計算機(jī)12中，以供后續(xù)圖像處理。

采用上述的技術(shù)方案，實驗系統(tǒng)由微米級顆粒供給單元和設(shè)置在實驗艙中的撞擊單元組成。微米級顆粒的載氣可以是氮氣、二氧化碳、空氣或一種以上氣體的混合氣，載氣分為兩路，分別由質(zhì)量流量計精確控制其流量。一路為干氣體，另一路安裝由美國bgi公司研制的濕顆粒發(fā)生器3，產(chǎn)生濕氣體；兩路氣體進(jìn)入一個安裝濕度儀（量程為0-100%）的混合容器，通過質(zhì)量流量計可有效地控制兩路氣體的流量，從而實現(xiàn)混合容器內(nèi)氣體的濕度得到有效控制，撞擊單元氣體出口流速最高可達(dá)20m/s。此外，對混合氣后段氣流系統(tǒng)采用伴熱帶可以進(jìn)行加熱，撞擊單元氣體出口附近安裝高精度熱電偶測量氣流的溫度，通過溫度控制器、調(diào)壓器調(diào)節(jié)傳熱帶的功率，氣流最高加熱溫度可達(dá)230℃，從而實現(xiàn)有效地控制氣流的溫度。

撞擊單元的核心部分是撞擊平臺，為考慮平臺表面特性和平臺材質(zhì)都會對顆粒碰撞機(jī)理產(chǎn)生影響，將撞擊平臺設(shè)計成可拆卸、更換、直徑為2mm的圓柱體，采用加熱棒對圓柱體進(jìn)行加熱，從而將熱量傳遞給直徑為2mm的撞擊平臺。距離撞擊平臺表面1mm處安裝熱電偶檢測其溫度，通過溫度控制器、調(diào)壓器調(diào)節(jié)電加熱棒的功率，撞擊平臺最高溫度可達(dá)200℃，從而實現(xiàn)有效地控制撞擊平臺溫度。

高速攝像系統(tǒng)由高速攝像機(jī)、點光源、定焦顯微鏡頭及計算機(jī)組成，將攝像機(jī)與計算機(jī)相連，以存儲拍攝視頻。高速攝像系統(tǒng)可清晰地拍攝粒徑為2μm以上顆粒撞擊平板的過程。

實驗系統(tǒng)的溫度和濕度通過數(shù)采裝置在電腦上實時儲存并顯示，可實現(xiàn)氣流速度控制在0.5m/s-20m/s，氣流溫度控制在230℃，撞擊平臺溫度控制在200℃，可更換不同材質(zhì)的平臺，從而實現(xiàn)在溫濕度可控條件下，微米級顆粒與不同表面撞擊的實驗研究工作，可有效地模擬煙氣管道內(nèi)顆粒沉積過程、靜電除塵器內(nèi)顆粒到達(dá)集塵板時的沉積過程、換熱管表面積灰等實際的工業(yè)過程，同時為顆粒與平板撞擊過程的理論研究提供有效的支撐。