[发明专利]旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置及测量方法

权利要求书

1.一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置，其特征在于：包括制冷系统、机械驱动系统、喷水系统以及数据采集系统；所述，制冷系统包括保温箱（4）和通过供冷管道与保温箱（4）内部连通的供冷装置；实验件（5）放在保温箱（4）内部并与机械驱动系统相连接，机械驱动系统驱动实验件（5）作直线运动和旋转运动；喷水系统包括喷嘴、空气输送管道（17）和水输送管道（18），空气输送管道（17）和水输送管道（18）同时接入喷嘴，喷嘴安装在保温箱（4）壁上；数据采集系统包括拉压式力传感器（8）、温度传感器（15）、压力传感器（14）、智能采集模块（13）、计算机（12），拉压式力传感器（8）安装在机械驱动系统内，温度传感器（15）设置在保温箱（4）内部，压力传感器（14）分别安装在空气输送管道（17）和水输送管道（18）上，拉压式力传感器（8）、温度传感器（15）、压力传感器（14）均通过智能采集模块（13）连接到计算机（12）。

2.根据权利要求1所述的一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置，其特征在于：所述机械驱动系统包括实验件夹持机构（2）、联轴器（6）、轴（7）、螺杆（9）、锁紧螺母（10）、步进电机（11）以及电机驱动器；所述实验件（5）的一端与设置在保温箱（4）内一侧的夹持机构（2）相连接，另一端通过联轴器（6）连接到轴（7）上 ，从轴（7）向外又依次连接有拉压式力传感器（8）、螺杆（9）、锁紧螺母（10）、步进电机（11）。

3.根据权利要求2所述的一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置，其特征在于：所述供冷装置为液氮罐（1）。

4.根据权利要求3所述的一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置，其特征在于：所述喷嘴为双通道可调节液态水滴直径喷嘴（16），喷嘴内的水、气管道采用的是同心的双圆柱体管道，且内管路为水管道，外管路为气管道。

5.根据权利要求4所述的一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置，其特征在于：所述双通道可调节液态水滴直径喷嘴（16）的水压范围：                                                、气压范围： 、液态水滴直径MVD可调范围：。

6.根据权利要求5所述的一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置，其特征在于：所述喷嘴安装在保温箱（4）顶部壁上。

7.根据权利要求6所述的一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置，其特征在于：所述智能采集模块（13）包括温度信号采集模块、水路、气路压力信号采集模块、拉压式力传感器的压力信号采集模块。

8.根据权利要求7所述的一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置，其特征在于：所述拉压式力传感器（8）供桥电压为10VDC，精度为 ，灵敏度为2mV/V。

9. 根据权利要求8所述的一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置，其特征在于：所述温度传感器（15）为铂电阻温度传感器，数量为6个。

10.采用权利要求1至9任意一项权利要求所述的一种旋转圆柱结冰与冰层粘附力测量的实验装置进行结冰与冰层粘附力测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）将实验件（5）一端利用联轴器（6）与轴（7）相连接，另一端与夹持机构（2）相连接，实验件（5）可以在夹持机构（2）内自由旋转和滑动；

2）调节机械驱动系统，使实验件（5）只进行旋转运动而不进行直线运动；封闭保温箱（4），打开制冷系统开关和供气开关，调节供气压力为0.2MPa～0.6MPa，开始制冷； 

3) 当保温箱（4）内部温度达到实验的设定结冰温度值时，打开供水开关，调节供水压力为0.1MPa～0.3MPa，调节制冷系统开关使保温箱（4）保持温度恒定，使实验件（5）上结冰，开始记录结冰时间,结冰持续时间为8~10分钟； 

4）待结冰过程结束，停止供气和供水，调节制冷系统开关使温箱（4）内继续保持保步骤3）中的结冰温度，进行结冰后的冷冻，冷冻时间为4~6分钟；

5）调整机械驱动系统，使实验件（5）停止旋转运动开始单一直线运动，对冰层进行压缩，利用计算机（12）和智能采集模块（13）进行力学测试实验数据包括空气管路压力、水管路压力、保温箱内部温度、拉压式力传感器的压力值的采集和记录，拉压式力传感器的压力值即为冰的剪切粘附力；测量得到冰层的长度和实验件直径，通过计算处理得出相应的粘附强度数值，即首先通过实验件的直径和冰层的长度得到冰与实验件之间的接触面积，然后找出冰的剪切粘附力的最大值，则剪切粘附力的最大值同接触面积的比值即为冰的剪切粘附强度；

具体计算如下：

其中：为冰与实验件的接触面积，；为实验件直径，；为冰层的长度，；为冰的剪切粘附强度，；为冰的剪切粘附力的最大值，。