[发明专利]一种研究液滴运动与碰撞过程变化规律的实验装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种研究液滴运动以及与壁面碰撞过程变化规律的实验装置，主要涉及液滴在外界辐射、壁面温度、碰撞速度、碰撞角度等多种参数的运动与碰撞过程。

背景技术

水喷淋灭火技术因其无污染、灭火效率高已广泛用于消防安全系统。但对于一些特定场合如高层建筑外立面火灾、航天飞机火灾等，由于水流量、水泵压力所限，其灭火难度大，即如何实现最小的水量扑救火灾显得尤为重要。液滴在由火灾产生的辐射场中蒸发及在燃烧材料壁面碰撞均有质量损失，需对水喷淋系统进行优化，优化喷淋系统的基本出发点是掌握液滴喷出后运动变化及液滴与材料壁面碰撞规律。液滴与材料壁面碰撞规律与液滴碰撞速度、入射角度及材料壁面温度有关。目前许多国内外学者在研究不同粒径液滴碰撞水平放置固体表面后形态变化，其实验装置实现方式：将液滴置于一定高度，固体材料水平放置并正对液滴，用高速摄像机记录碰撞过程。因其液滴自由下落距离有限，导致液滴运动速度可变范围减少，该实验装置不能研究不同液滴速度、液滴与固体碰撞角度、固体材料壁面温度等参数下碰撞规律。此外，目前主要通过数值模拟方法研究液滴在空气中运动规律及形态变化，开展模拟火场辐射场强度对液滴运动规律的实验研究则较少涉及。

发明内容

为了研究液滴在模拟火场中运动规律及微观研究液滴与材料壁面碰撞规律，本发明提供了一种研究液滴运动与碰撞过程变化规律的实验装置，主要实现以下功能：研究液滴在热辐射场中的运动规律，微观研究液滴与材料壁面以不同速度碰撞规律，微观研究液滴与材料壁面以不同入射角度的碰撞规律以及微观研究液滴与不同温度的材料壁面碰撞规律。

本发明所采用的技术方案是：一种研究液滴运动与碰撞过程变化规律的实验装置，包括单个液滴发生系统、液滴辐射场中运动研究系统、液滴碰撞规律研究系统以及参数测量记录系统。其中，液滴碰撞规律研究系统包括材料壁面升温模块、碰撞速度调节模块、碰撞角度调节模块。

所述的单个液滴发生系统包括支架与液滴发生器，所述支架可通过上下调节实现改变液滴自由下落距离功能。所述液滴发生器可以产生均一的单个液滴。

所述的辐射系统包括计算机、上部弧形腔体、温度控制器、电热丝与辐射系统线路；所述电热丝均匀镶嵌在弧形腔体中间位置，通过辐射系统线路连至温度控制器，所述弧形腔体由钢板外加3mm厚耐火板焊接而成，弧形前端为开口，供测量系统采集数据；实验事先标定液滴不同位置的辐射强度与电流、电热丝温度关系并通过所述计算机软件实时监控电热丝温度变化。所述温度控制器可实现在达到预设温度后自动断电、低于预设温度自动通电加热的功能。

所述的材料壁面升温模块包括计算机、材料板、温度控制器、电热棒、热电偶与升温模块线路。所述材料板与飞轮相连，所述材料板为方体，其前表面钻有7个插孔，第3个插孔与第5个插孔是热电偶插孔，所述热电偶插孔从材料板前表面中间斜向上至材料碰撞壁面，所述热电偶可实时测量材料壁面温度；所述电热棒沿其余5个插孔水平插入材料板内部，实现对材料板加热功能；并通过所述材料壁面升温模块线路连至温度控制器，实验事先标定电流与电热棒温度、材料壁面温度间关系并通过所述计算机实时监控材料壁面温度，所述温度控制器可实现在达到预设温度值后自动断电、低于预设温度自动通电加热功能。

所述的碰撞速度调节模块包括电动机、飞轮、材料板。所述电动机与所述飞轮通过连动杆相连，所述连动杆末端焊接呈片状钢板，所述钢板各角落钻有小孔并通过螺栓连接；所述材料板安装在飞轮右侧面水平位置，即保持所述飞轮左侧0°刻度线水平，并通过螺栓将其与飞轮固定。

所述碰撞角度模块包括飞轮，材料板。所述飞轮表面左侧标有刻度，通过旋转所需刻度至水平位置即可实现改变碰撞角度，假设刻度显示α，则液滴碰撞入射角度为：θ＝90°-α。液滴与材料碰撞点上升了为保证液滴自由下落时间一致，以排除碰撞速度带来的干扰，可调节液滴发生系统支架高度，支架高度应调节所述飞轮表面刻度线下钻有供固定飞轮的小孔，通过螺栓连至石膏板墙体使飞轮固定。

所述的参数测量记录系统包括高速摄像机及高速显微摄像机。所述高速摄像机用于测量记录液滴在模拟火场中运动规律，所述高速显微摄像机微观记录液滴碰撞材料液滴铺展、飞溅及回弹等规律。