[发明专利]一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法

说明书

本发明公开了一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法；利用高频感应加热器作为热源，对双腔石墨坩埚进行感应加热，以热传导形式快速熔化双腔石墨坩埚内的金属形成金属熔融液。采用气压驱动法，将两个石墨腔内的金属熔融液从其侧端喷嘴射出；通过控制电磁阀和驱动气压生成两个不同粒径和速度的熔融液滴，通过改变喷嘴方向实现不同角度的液滴碰撞，整个碰撞过程采用高速摄影仪拍摄。熔融金属液滴碰撞的粒径、速度、角度、温度和环境压力均可调节；双腔石墨坩埚结构简单、加工方便，有利于分别控制液滴生成；采用感应加热器和高压气瓶模拟固体火箭发动机内的高温高压环境，实现不同角度的液滴碰撞，降低了实验成本，且装置可重复使用。

技术领域

本发明涉及航天应用试验技术领域，具体地说，涉及一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法，用于研究高温高压环境下微小熔融金属液滴之间的碰撞规律。

背景技术

在固体火箭发动机工作过程中，燃烧室内含铝推进剂中铝颗粒在高温2800～3800K、高压1～6MPa燃气环境下，经熔化、蒸发及化学反应等过程，生成粒径为0.2～500μm的Al/Al₂O₃熔融微液滴。固体火箭发动机内熔融液滴碰撞会发生聚合、分离和破碎等现象，而液滴的运动变化过程对燃烧室内的两相流动状态非常重要。以往的液滴碰撞实验主要集中在常温常压下的非金属液滴碰撞，而针对高温高压环境下的金属熔融液滴碰撞实验尚未见文献报道。

目前，液滴喷射最常使用的装置是压电陶瓷液滴发生器。专利CN204870075U公开了“一种挤压式压电陶瓷致动的液滴喷射单元及喷射装置”，该装置利用压电陶瓷挤压收缩喷射液滴。但典型的压电陶瓷居里点温度通常为120℃～360℃，无法用于高温熔融金属液滴，如铝、镁的喷射。此外，还有采用气压驱动来生成液滴，例如，专利CN106092506A公开了“高速小液滴/壁面液膜斜碰撞试验装置”，该试验装置利用高压气体挤压润滑油生成液滴，但该试验装置也是在常温常压下进行，仍然不能实现高温高压下的金属熔融液滴碰撞。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种高温熔融微液滴碰撞装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:高温熔融微液滴碰撞装置，其特征在于包括高压气瓶、计算机、电磁感应加热器、真空泵、闭密容器、高速摄影仪、水冷式冷凝管、热电偶、双腔石墨坩埚，所述闭密容器为上下两部份扣合连接的中空长方体，闭密容器连接法兰部位装有密封圈，闭密容器顶部中间有通孔，用于安装双腔石墨坩埚，闭密容器顶部位于中间通孔两侧分别连接有进气手阀、第三压力传感器和排气手阀，密闭容器侧壁下部设有抽真空口与真空泵相连通，真空泵位于密闭容器旁侧，高速摄影仪位于密闭容器另一侧，且与密闭容器侧壁上的透明窗相对；高压气瓶与闭密容器通过气体管路连接，气体管路上分别连接有密闭容器减压阀、第一进气电磁阀、第二进气电磁阀、第二排气电磁阀、第一排气电磁阀，并通过计算机控制；高压气瓶供气作为生成金属熔融液滴的驱动气和用于模拟液滴碰撞的环境压强；第二压力传感器、第一压力传感器、第三压力传感器、热电偶和高速摄影仪的数据和信号传输至计算机；

所述双腔石墨坩埚通过坩埚安装支架固定在密闭容器内顶部通孔处，坩埚盖板位于密闭容器上部，坩埚安装支架与坩埚盖板通过紧固螺栓固连，且坩埚盖板与密闭容器上部通孔处加装石墨密封圈；热电偶位于双腔石墨坩埚的上部；感应加热器铜管嵌套在双腔石墨坩埚外部并与电磁感应加热器连接，感应加热器铜管与密闭容器采用耐高温胶密封，电磁感应加热器通过感应加热器铜管对石墨坩埚加热，同时控制水冷式冷凝管循环冷却；

所述双腔石墨坩埚底部为两个半圆腔结构，相对的侧壁上依石墨坩埚中轴线等半径分别设有喷嘴，且两个喷嘴轴线位于同一水平面，对应角度可调。

一种采用所述的高温熔融微液滴碰撞装置进行熔融微液滴碰撞的方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.称重两块同质量的高熔点金属，分别放入双腔石墨坩埚的腔室内，并通过坩埚安装支架和螺栓将双腔石墨坩埚固定在密闭容器内顶部；