本發(fā)明涉及液體微粒化及液滴制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于極端環(huán)境的液滴發(fā)生器及其工作方法。

背景技術(shù)：

液體燃料噴霧的霧化及蒸發(fā)特性對(duì)例如噴涂、制藥、粉末冶金、農(nóng)藥噴灑，特別是各種發(fā)動(dòng)機(jī)(液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等)設(shè)備性能的影響至關(guān)重要。例如，對(duì)于高壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)來說，噴霧霧化后產(chǎn)生的小液滴在高溫高壓的環(huán)境條件下隨高速旋流氣流的運(yùn)動(dòng)、二次破碎、蒸發(fā)及與周圍環(huán)境氣體的混合特性直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒與排放性能，對(duì)其進(jìn)行可視化的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)有非常重要的指導(dǎo)意義。

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外最前沿相關(guān)探索也從對(duì)宏觀噴霧特性的研究逐步向微觀單個(gè)液滴特性，例如：運(yùn)動(dòng)、形變、二次破碎及蒸發(fā)等特性的研究轉(zhuǎn)移。然而目前單液滴的可視化研究主要集中在高溫常壓環(huán)境中且周圍環(huán)境氣體處于層流狀態(tài)，所以獲得的數(shù)據(jù)往往無法直接運(yùn)用在實(shí)際小型增壓化的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)(高溫高壓、湍流流場(chǎng)等復(fù)合極端環(huán)境套件)的開發(fā)過程中。開發(fā)適用于極端條件下的單液滴發(fā)生器難點(diǎn)在于：1.液滴發(fā)生器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要能承受極端環(huán)境條件(e.g.高溫高壓條件、強(qiáng)湍流)；2.液體的物性在高溫高壓條件下會(huì)產(chǎn)生變化(e.g.接近燃料的超臨界條件時(shí)溫度壓力微小的改變都會(huì)極大改變液體的表面張力)，所以導(dǎo)致在非極端條件下適用的裝置及液滴產(chǎn)生方法并不適用；3.液滴的產(chǎn)生和下落過程會(huì)受到環(huán)境強(qiáng)湍流的影響而變得極不穩(wěn)定，常規(guī)方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力不足。

現(xiàn)有的液滴產(chǎn)生器，例如中國(guó)專利文獻(xiàn)cn104028393a記載了一種液滴發(fā)生器及其工作方法，通過馬達(dá)控制可伸縮凸輪，帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)堵頭開關(guān)的開閉，從而擠出產(chǎn)生單個(gè)液滴。該設(shè)備可以指定液滴的尺寸及初始液滴的溫度和速度。然而該設(shè)備只能應(yīng)用于常溫常壓條件，無法在高溫高壓環(huán)境條件下模擬產(chǎn)生的單個(gè)液滴，且采用普通馬達(dá)控制凸輪的方式也無法在極端條件下實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，從而穩(wěn)定產(chǎn)生單個(gè)液滴。再比如，中國(guó)專利文獻(xiàn)cn1404993a記載了一種用于產(chǎn)生微小液滴的液滴發(fā)生器，該技術(shù)具有一些布置在外殼中的壓電彎曲換能器組群，所述彎曲換能器在部件長(zhǎng)度上相互間隔，通過壁厚彼此分開地橫向設(shè)置在一些凹槽中，所述液滴發(fā)生器還具有在彎曲指下面的液體-縱向通道和帶有噴嘴的液體腔室，在不允許有變形的腔室壁足夠厚的情況下，可以保持一個(gè)高的液體流。此液滴發(fā)生器主要用于噴墨打印機(jī)噴頭而無法在極端的環(huán)境條件下應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可適用于極端環(huán)境條件下的液滴發(fā)生器及其液滴制造方法。本發(fā)明的液滴發(fā)生器及方法可以實(shí)現(xiàn)在不同極端環(huán)境條件(作為舉例而非限制，比如高溫高壓條件、強(qiáng)湍流條件等)下控制產(chǎn)生單個(gè)液滴，可以用于研究極端環(huán)境條件下液滴的運(yùn)動(dòng)、形變、二次破碎及蒸發(fā)特性。

以下為本發(fā)明具體的技術(shù)方案：

一種液滴發(fā)生器，包括液滴發(fā)生器主體，常亮點(diǎn)光源，光電探測(cè)器，電極板和脈沖高壓電源；所述液滴發(fā)生器主體包括接地的不銹鋼毛細(xì)管，所述不銹鋼毛細(xì)管周圍設(shè)有密封的水浴槽，所述電極板通過絕緣接桿安裝在不銹鋼毛細(xì)管出口兩側(cè)；所述常亮點(diǎn)光源、不銹鋼毛細(xì)管出口和光電探測(cè)器三者共線設(shè)置；所述脈沖高壓電源與光電探測(cè)器連接；通過光電探測(cè)器的外觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)脈沖高壓電源發(fā)出瞬間脈沖電壓并同時(shí)傳遞給兩塊電極板，使不銹鋼毛細(xì)管出口處的極性液滴快速下落。

具體設(shè)置時(shí)，作為優(yōu)選，所述液滴發(fā)生器主體可以包括不銹鋼毛細(xì)管、不銹鋼壓蓋、不銹鋼底座、不銹鋼轉(zhuǎn)接頭、密封圈和密封墊片。所述不銹鋼毛細(xì)管與所述壓蓋密封連接，所述壓蓋和底座通過密封圈和密封墊片密封并在不銹鋼毛細(xì)管周圍形成中空水槽，中空水槽通過孔外接循環(huán)水裝置；所述轉(zhuǎn)接頭與壓蓋密封連接并與高壓液源相通，不銹鋼毛細(xì)管入口與轉(zhuǎn)接頭連通。

高壓液體通過不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)流道在不銹鋼毛細(xì)管底部出口處形成液滴；通過調(diào)節(jié)不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)外徑調(diào)節(jié)液滴初始大小，和/或通過調(diào)節(jié)高壓液源壓力調(diào)節(jié)液滴形成速度。

所述的絕緣接桿，優(yōu)選采用陶瓷等絕緣性能良好，能忍受極端環(huán)境條件且易加工的材料；所述的電極板，優(yōu)選采用銅或不銹鋼等導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)體；而所述的脈沖高壓電源輸出電壓大小可調(diào)。

本發(fā)明還提供了一種液滴制造方法，包括如下步驟：

1)將常亮點(diǎn)光源、液滴發(fā)生器主體中的不銹鋼毛細(xì)管出口和光電探測(cè)器三者共線設(shè)置；

2)不銹鋼毛細(xì)管出口處形成液滴并增長(zhǎng)，常亮點(diǎn)光源發(fā)出的光束被阻擋，無法全部透射達(dá)到光電探測(cè)器；

3)光電探測(cè)器探測(cè)的光信號(hào)低于閾值，輸出信號(hào)從高電平信號(hào)突變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)，將下降沿信號(hào)通過信號(hào)線傳輸至脈沖高壓電源；

4)脈沖高壓電源接收到所述下降沿信號(hào)，給電極板釋放脈沖高壓電；

5)液滴在均勻電場(chǎng)作用下表面張力降低，加速下落；

6)液滴下落后，常亮點(diǎn)光源發(fā)出的光束重新直射到光電探測(cè)器上，光電探測(cè)器輸出信號(hào)重回高電平信號(hào)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

所述不銹鋼毛細(xì)管接地設(shè)置，其上部周圍設(shè)有水浴槽，水浴槽外接循環(huán)水裝置，通過外接循環(huán)水裝置調(diào)節(jié)液滴發(fā)生器主體的溫度，并通過后續(xù)溫度標(biāo)定控制液滴溫度。

所述不銹鋼毛細(xì)管的入口與高壓液源相連，高壓液體通過不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)流道在不銹鋼毛細(xì)管底部出口處形成液滴，產(chǎn)生液滴尺寸范圍為300μm～10mm；通過水浴循環(huán)和后續(xù)標(biāo)定獲得理想初始溫度的液滴，調(diào)節(jié)溫度范圍為-20℃～200℃。所述的脈沖高壓電源在接收到所述下降沿信號(hào)后，在100μs內(nèi)輸出千伏級(jí)高壓并傳遞給兩塊電極板。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，可以具有如下有益效果：本發(fā)明中液滴發(fā)生器可以通過改變不銹鋼毛細(xì)管的內(nèi)外徑在指定的高溫高壓或強(qiáng)湍流等極端環(huán)境條件中產(chǎn)生初始大小及下落運(yùn)動(dòng)規(guī)律、液滴溫度可控的單個(gè)液滴。結(jié)合先進(jìn)的光學(xué)診斷技術(shù)，可用于研究一系列工況條件下液滴運(yùn)動(dòng)、形變、二次破碎及蒸發(fā)特性，由此首次實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境條件下單個(gè)液滴的可控制造與特性研究，研究工況及液滴尺寸具有普適性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的液滴發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的液滴發(fā)生器主體與電極板的裝配截面示意圖。

圖3a至3c為本發(fā)明實(shí)施例提供的液滴發(fā)生器的工作示意圖，其中，

圖3a為懸掛液滴尚未形成時(shí)的工作示意圖；

圖3b為懸掛液滴形成時(shí)的工作示意圖；

圖3c是液滴離開液滴發(fā)生器時(shí)的工作示意圖。

圖4a至4b為本發(fā)明實(shí)施例提供的液滴發(fā)生器用于光學(xué)測(cè)試研究系統(tǒng)示意圖，其中，

圖4a為背光高速成像測(cè)試研究系統(tǒng)示意圖；

圖4b為平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)試研究系統(tǒng)示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

1-液滴發(fā)生器主體；1a-不銹鋼毛細(xì)管；1b-不銹鋼壓蓋；1c-不銹鋼底座；1d-不銹鋼轉(zhuǎn)接頭；1e-水槽；1f-密封圈；1g，1h-密封墊片；1i-螺紋孔；2-常亮點(diǎn)光源；3-光電探測(cè)器；4-絕緣接桿；5-電極板；6-脈沖高壓電源；7-液滴；8a-背光光源；8b-高速相機(jī)；9a-激光器；9b-透鏡組；9c-iccd相機(jī)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的液滴發(fā)生器及液滴制造方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)注意的是，下述實(shí)施例中描述的技術(shù)特征或者技術(shù)特征的組合不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是孤立的，它們可以被相互組合從而達(dá)到更好的技術(shù)效果。

需說明的是，本說明書所附圖中所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定發(fā)明可實(shí)施的限定條件，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在不影響發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)落在發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容所能涵蓋的范圍內(nèi)。

對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不作詳細(xì)討論，但在適當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)被視為授權(quán)說明書的一部分。在這里示出和討論的所有示例中，任何具體值應(yīng)被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實(shí)施例的其它示例可以具有不同的值。

實(shí)施例1

參加圖1所示，公開了一種液滴發(fā)生器的。所述液滴發(fā)生器包括液滴發(fā)生器主體1，常亮點(diǎn)光源2，光電探測(cè)器3，電極板5和脈沖高壓電源6。所述液滴發(fā)生器1包括接地的不銹鋼毛細(xì)管，所述不銹鋼毛細(xì)管上部周圍設(shè)有密封的水浴槽。所述的電極板5通電后帶電屬性相同且可以通過絕緣接桿4與液滴發(fā)生器主體1連接，電極板5放置在液滴出口處兩側(cè)，所述的脈沖高壓電源6可以通過時(shí)序控制按需給予電極板瞬間kv級(jí)高壓。所述的常量點(diǎn)光源2照射在液滴發(fā)生器主體1毛細(xì)管底部即懸掛液滴出口處，所述常亮點(diǎn)光源2、不銹鋼毛細(xì)管出口處和光電探測(cè)器3三者共線設(shè)置；所述脈沖高壓電源6與光電探測(cè)器3連接；通過光電探測(cè)器3的外觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)脈沖高壓電源6發(fā)出瞬間脈沖電壓并同時(shí)傳遞給兩塊電極板5，能夠使不銹鋼毛細(xì)管出口處的極性液滴7快速下落。

參見圖2所示，所述液滴發(fā)生器主體1由不銹鋼毛細(xì)管1a，不銹鋼壓蓋1b，不銹鋼底座1c，不銹鋼轉(zhuǎn)接頭1d，密封圈1f和密封墊片1g、封墊片1h構(gòu)成。所述不銹鋼毛細(xì)管1a可以通過焊接和不銹鋼壓蓋1b密封連接，不銹鋼壓蓋1b和不銹鋼底座1c可以通過密封圈1f和密封墊片1h密封，內(nèi)部形成中空水槽1e，水槽1e通過孔1i與外界進(jìn)行水循環(huán)。通過外接循環(huán)水裝置調(diào)節(jié)液滴發(fā)生器主體溫度并通過后續(xù)溫度標(biāo)定作為液滴溫度的控制手段。不銹鋼轉(zhuǎn)接頭1d的一端與不銹鋼壓蓋通過密封墊片1g連接，不銹鋼轉(zhuǎn)接頭1d的另一端可以直接與高壓液源相連。所述的液滴發(fā)生器主體1可置于極端環(huán)境條件氛圍中。

不銹鋼毛細(xì)管入口1a與不銹鋼轉(zhuǎn)接頭1d相通，高壓液體充滿不銹鋼轉(zhuǎn)接頭1d后，進(jìn)入不銹鋼毛細(xì)管1a內(nèi)流道，高壓液體通過不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)流道在不銹鋼毛細(xì)管底部出口處可以形成懸掛液滴7，液滴7初始大小可以通過調(diào)節(jié)不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)外徑實(shí)現(xiàn)，液滴7形成速度可以通過調(diào)節(jié)高壓液源壓力來實(shí)現(xiàn)。

在不銹鋼毛細(xì)管1a底部?jī)蓚?cè)的絕緣接桿4一端與不銹鋼底座1c連接，另一端與電極板5連接。

當(dāng)液滴還未產(chǎn)生時(shí)，常亮點(diǎn)光源2產(chǎn)生的光斑直接照射到光電探測(cè)器3上，通過電路板轉(zhuǎn)換為高電平的電壓信號(hào)，在液體從不銹鋼毛細(xì)管1a中滲出附著在不銹鋼毛細(xì)管1a外壁并逐漸形成液滴過程中，常亮點(diǎn)光源2產(chǎn)生的光斑在液滴的作用下逐漸偏折，當(dāng)液滴7達(dá)到適當(dāng)大小時(shí)，光電探測(cè)器3上探測(cè)的光信號(hào)低于閾值，并使得高電平的電壓信號(hào)突變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)。該下降沿可以通過信號(hào)線傳輸作為脈沖高壓電源6的輸入信號(hào)，從而在瞬間輸出高電壓并施加在兩塊電極板5上，使得液滴7周圍產(chǎn)生均勻的電場(chǎng)并改變液滴表面張力，加速其下落過程。

所述的不銹鋼毛細(xì)管1a接地，所述的不銹鋼毛細(xì)管1a可以根據(jù)所需液滴尺寸及極端環(huán)境條件確定，其內(nèi)部及其出口最好擁有較高的光滑度，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，其內(nèi)部及其出口過于粗糙會(huì)影響液滴的穩(wěn)定產(chǎn)生。

所述的常亮點(diǎn)光源2發(fā)出的光線在單個(gè)液滴的作用下無法按原路徑繼續(xù)透射，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，設(shè)置常亮點(diǎn)光源2光強(qiáng)在設(shè)置時(shí)最好不宜過高。

所述的光電探測(cè)器3具有較高的靈敏度。優(yōu)選的，當(dāng)入射光低于閾值后的100μs內(nèi)輸出可以由高電平降為低電平，電壓的下降沿足夠陡，滿足脈沖高壓電源6的外觸發(fā)要求。

本實(shí)施例中，優(yōu)選的，常亮點(diǎn)光源2和光電探測(cè)器3位置可進(jìn)行上下微調(diào)。

所述的絕緣接桿4采用陶瓷等絕緣性能良好，能忍受極端環(huán)境條件且易加工的材料。所述的電極板5采用銅或不銹鋼等導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)體材料。所述的脈沖高壓電源6輸出電壓大小可調(diào)，在接收到輸出的下降沿信號(hào)后100μs內(nèi)可以輸出kv級(jí)高壓并傳遞給兩塊電極板5；所述的液滴發(fā)生器中采用的液體為極性液體。

下面結(jié)合圖3a至圖3c進(jìn)一步描述本實(shí)施例的液滴發(fā)生器的工作方式。

參見圖3a所示，不銹鋼毛細(xì)管接地，當(dāng)液滴尚未產(chǎn)生時(shí)，常亮點(diǎn)光源發(fā)出的光束直射到光電探測(cè)器使其持續(xù)輸出高電平信號(hào)，此時(shí)脈沖高壓電源不工作。

參見圖3b所示，當(dāng)液滴逐漸產(chǎn)生并增長(zhǎng)到固定大小時(shí)，常亮點(diǎn)光源發(fā)出的光束被阻擋，無法全部透射并達(dá)到光電探測(cè)器，從而使得光電傳感器的輸入信號(hào)低于閾值，輸出信號(hào)也從高電平信號(hào)驟降為低電平信號(hào)。此時(shí)脈沖高壓電源接收到下降沿信號(hào)并給電極板釋放脈沖高壓電。極性液滴在均勻電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生極化，表面張力迅速降低并打破懸掛液滴表面張力與重力的平衡態(tài)，最終導(dǎo)致液滴快速下落。

參見圖3c所示，當(dāng)液滴下落后，常亮點(diǎn)光源發(fā)出的光束重新直射到光電探測(cè)器上，探測(cè)器輸出信號(hào)重新回到高電平信號(hào)，并進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖4a至圖4b為將本實(shí)施例的液滴發(fā)生器用于光學(xué)測(cè)試研究的示意圖。

參見圖4a所示，為背光高速成像測(cè)試研究系統(tǒng)示意圖。通過該液滴發(fā)生器制造液滴，通過背光光源8a和高速相機(jī)8b進(jìn)行高速成像測(cè)試，可以獲得單個(gè)液滴在極端環(huán)境條件下的宏觀形態(tài)并由此可以分析單個(gè)液滴的形變特性。

參見圖4b所示，為平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)試研究系統(tǒng)示意圖。通過該液滴發(fā)生器制造液滴，通過激光器9a、透鏡組9b、iccd相機(jī)9c進(jìn)行平面激光誘導(dǎo)熒光測(cè)試，可以獲得單個(gè)液滴的氣液兩相濃度濃度分布，由此可以研究單個(gè)液滴蒸發(fā)及與周圍氣體的混合特性。

本發(fā)明實(shí)施例提供的液滴發(fā)生器，可以通過改變不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)外徑及長(zhǎng)度來適應(yīng)不同的環(huán)境條件，產(chǎn)生液滴尺寸范圍在300μm～10mm，同時(shí)通過水浴循環(huán)和后續(xù)標(biāo)定，獲得理想初始溫度的液滴，調(diào)節(jié)溫度范圍在-20℃～200℃。而通過配合常亮點(diǎn)光源和光電探測(cè)器，能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地判斷液滴成形時(shí)機(jī)，在固定的溫度(室溫～1000k)、壓力(0.1～100bar)、流場(chǎng)下獲得穩(wěn)定的初始液滴尺寸，同時(shí)具有極高(>5000hz)的動(dòng)態(tài)分辨響應(yīng)能力；利用本發(fā)明的液滴發(fā)生器，可以模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工況條件產(chǎn)生初始大小及下落運(yùn)動(dòng)規(guī)律、液滴溫度可控的單個(gè)液滴。結(jié)合先進(jìn)的光學(xué)診斷技術(shù)，研究一系列極端條件下液滴運(yùn)動(dòng)、形變、二次破碎及蒸發(fā)特性，具有普適性。

上述描述僅是對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例的描述，并非對(duì)本發(fā)明范圍的任何限定，本公開內(nèi)容中像“包括”、“囊括”以及“具有”的術(shù)語應(yīng)當(dāng)默認(rèn)被解釋為包括性的或開放性的，而不是排他性的或封閉性，除非其被明確限定為相反的含義。所有技術(shù)、科技或其他方面的術(shù)語都符合本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的含義，除非其被限定為相反的含義。在詞典里找到的公共術(shù)語應(yīng)當(dāng)在相關(guān)技術(shù)文檔的背景下不被太理想化或太不實(shí)際地解釋，除非本公開內(nèi)容明確將其限定成那樣。本發(fā)明領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)上述揭示內(nèi)容做的任何變更、修飾，均屬于權(quán)利要求書的保護(hù)范圍。