一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置及其试验方法

1.本发明涉及结覆冰试验技术领域，尤其是涉及一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置及其试验方法。


背景技术：

2.飞机结冰是指飞行过程中过冷水滴撞击飞机表面发生结冰并造成冰层堆积的现象。特别是在机翼前缘的积冰会破坏飞机的气动外形，危害航行安全，严重时造成事故。为解决飞机结冰问题，学者们开展了大量过冷大水滴(supercooled large droplet，sld)高速撞击结冰的研究工作。然而，绝大部分实验和理论研究偏离实际设定工况：(1)液滴静置或在重力驱动下低速撞击结冰；(2)固面过冷而非液滴过冷；(3)只能观测微液滴群聚集积冰效应，无法明确单液滴撞击成冰机制。例如，静置液滴和重力驱动液滴低速撞击结冰不满足实际航行中飞机高速撞击大气中悬浮过冷水滴的工况；室温液滴与过冷液滴的很多撞击结冰特性有明显差异；大液滴的撞击结冰行为不能等效于等体量的微小液滴的“集群”，撞击动力学和结冰动力学耦合性更强，结冰覆冰结果更加复杂。
3.因此亟需一种符合实际情况的模拟过冷大水滴撞击结冰装置，为解决飞机结冰问题提供可靠的技术支撑。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的液滴静置或在重力驱动下低速撞击结冰等偏离实际设定工况的缺陷而提供一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置及其试验方法。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.本发明的技术方案之一为提供一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置，包括反应箱，设于所述反应箱内的液滴发生器、撞击组件和光学组件；
7.所述液滴发生器设于所述反应箱顶部，用于提供过冷大水滴；
8.所述撞击组件包括垂直设于所述反应箱一侧壁上的撞击杆，所述撞击杆沿其轴向直线运动，所述撞击杆的撞击端设有用于撞击所述过冷大水滴的撞击物；
9.所述光学组件包括高速摄像机、高速红外摄像机，分别沿所述撞击杆轴向的延长线上下设置。
10.进一步地，所述撞击杆的运动方向与液滴发生器释放的过冷大水滴的运动方向相交。
11.进一步地，所述反应箱内的温度为-40℃～20℃，相对湿度为5％～98％。
12.进一步地，所述液滴发生器的端部设有利用压电信号调节开度的喷头，从而产生不同粒径的过冷大水滴。
13.进一步地，所述撞击组件为kolsky杆，所述kolsky杆还包括缓冲杆，所述缓冲杆与所述撞击杆相对设于所述反应箱的另一侧壁上。
14.进一步地，所述撞击杆的运动速度为4.9～116.5m/s。
15.进一步地，所述撞击物的表面为疏水性界面或疏水性涂层。该表面即为与过冷大水滴撞击的固面。
16.更进一步地，所述撞击物的疏水性界面或疏水性涂层表通过激光刻蚀、干湿蚀法或气相/液相化学沉积制备得到。
17.进一步地，所述撞击物与所述过冷大水滴发生撞击时，所述过冷大水滴的速度低于0.05m/s。
18.进一步地，所述光学组件还包括提供光源的强光源。
19.进一步地，所述反应箱内还设有与所述液滴发生器、撞击组件和光学组件连接的同步信号发生器，所述同步信号发生器用于同步控制所述撞击物与所述过冷大水滴的撞击以及拍摄记录过程。
20.更进一步地，所述同步信号发生器的同步控制方式为：所述液滴发生器先接收到所述同步信号发生器发布的信号，释放过冷大水滴，然后所述kolsky杆接收到所述同步信号发生器发布的信号，驱动所述撞击杆沿其轴向直线运动，使得所述撞击杆撞击端的撞击物与过冷大水滴发生撞击，此时所述光学组件接收到所述同步信号发生器发布的信号，高速摄像机和高速红外摄像机拍摄记录撞击物与过冷大水滴的撞击结冰全过程。
21.本发明的技术方案之二为提供一种如技术方案之一所述装置的试验方法，包括如下步骤：
22.s1调节反应箱内的温度、相对湿度以及光学组件参数，将撞击物安装在撞击杆的撞击端；
23.s2驱动撞击杆从而带动撞击物与从液滴发生器滴落的过冷大水滴发生碰撞；
24.s3高速摄像机和高速红外摄像机拍摄记录撞击物与过冷大水滴的撞击结冰全过程。
25.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
26.(1)本发明装置驱动撞击物高速运动而非液滴运动，实现撞击物固面高速撞击液滴结冰。
27.(2)本发明装置通过高速摄像机和高速红外摄像机从不同角度纪录撞击物固面高速撞击过冷大水滴结冰的全过程。
28.(3)本发明装置通过反应箱调节低温环境，使得撞击物和水滴都能达到过冷状态。
附图说明
29.图1为本发明装置的结构示意图。
30.图中标识如下：
31.1为反应箱；2为撞击杆；3为撞击端；4为撞击物；5为缓冲杆；6为液滴发生器；7为喷嘴；8为过冷大水滴；9为高速摄像机；10为高速红外摄像机；11为强光源；12为同步信号发生器。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
33.以下各实施例中，若无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。
34.实施例1：
35.如图1所示，为一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置，包括反应箱1，反应箱1内的温度调节范围为-35℃～20℃，相对湿度调节范围为5％～98％，设于反应箱1内的液滴发生器6、撞击组件、光学组件和同步信号发生器12。液滴发生器6设于反应箱1顶部，液滴发生器6的端部设有利用压电信号调节开度的喷头7，通过喷头7产生不同粒径的过冷大水滴8。撞击组件为kolsky杆，包括相对且垂直设于反应箱1两侧壁上的撞击杆2和缓冲杆5，撞击杆2还沿其轴向直线运动，撞击杆2的撞击端3设有用于撞击过冷大水滴8的撞击物4。撞击杆2的运动速度为4.9～116.5m/s，当撞击物4与过冷大水滴8发生撞击时，过冷大水滴8的速度低于0.05m/s。撞击物4的表面为疏水性界面或疏水性涂层，撞击物4的疏水性界面或疏水性涂层通过激光刻蚀、干湿蚀法或气相/液相化学沉积制备得到，此表面即为与过冷大水滴8撞击的固面。光学组件包括高速摄像机9、高速红外摄像机10和强光源11，分别沿撞击杆2和缓冲杆5之间轴向所在水平面的延长线上下设置。同步信号发生器12与液滴发生器6、撞击组件和光学组件连接，同步信号发生器12用于同步控制撞击物4与过冷大水滴8的撞击以及拍摄记录过程。同步信号发生器12的同步控制方式为：液滴发生器6先接收到同步信号发生器12发布的信号，释放过冷大水滴8，然后kolsky杆接收到同步信号发生器12发布的信号，驱动撞击杆2沿其轴向直线运动，使得撞击杆2撞击端3的撞击物4与过冷大水滴8发生撞击，此时光学组件接收到同步信号发生器12发布的信号，高速摄像机9和高速红外摄像机10拍摄记录撞击物4与过冷大水滴8的撞击结冰全过程。
36.本实施例装置的试验方法，包括如下步骤：
37.s1调节反应箱1内的温度至-40℃～0℃、相对湿度至40％以及光学组件参数，将具有超疏水性表面的撞击物4安装在撞击杆2的撞击端3；
38.s2打开同步信号发生器12，设定同步控制指令；
39.s3液滴发生器6接收到同步控制指令，将喷嘴7打开到一定的开度，滴落直径为2.6mm的过冷大水滴8；
40.s4 kolsky杆接收到同步控制指令，驱动撞击杆2以4.9～116.5m/s的速度沿其轴向直线运动，从而带动撞击端3上的撞击物4直线运动，撞击物4与过冷大水滴8在第一撞击位置13发生撞击；
41.s5光学组件接收到同步控制指令，打开强光源11，在撞击物4与过冷大水滴8发生撞击的同时，聚焦于第一撞击位置13的高速摄像机9和高速红外摄像机10开始拍摄，分别以不同的相对位置记录在第一撞击位置13的撞击物4固面发生结冰现象；
42.s6撞击杆2带动撞击物4继续运动，与过冷大水滴8于第二撞击位置14发生撞击；
43.s7在撞击物4与过冷大水滴8发生撞击的同时，聚焦于第二撞击位置14的高速摄像机9和高速红外摄像机10开始拍摄，分别以不同的相对位置记录在第二撞击位置14的撞击物4固面发生结冰现象；
44.s9撞击杆2带动撞击物4继续运动至缓冲杆5，其剩余动能被缓冲杆5吸收，且更换撞击物4表面完成复位，进行再一轮的试验。
45.本发明的工作原理为：在低温反应箱1设定的温度湿度条件下，固定在kolsky杆撞
击杆2撞击端3的低温撞击物4被高速驱动，撞击由液滴发生器6产生的过冷大水滴8，此撞击结冰过程由高速摄像机9和高速红外摄像机10全程记录。此完整的实验过程由同步信号发生器12的同步控制指令调整各部件的配合。
46.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置，其特征在于，包括反应箱(1)，设于所述反应箱(1)内的液滴发生器(6)、撞击组件和光学组件；所述液滴发生器(6)设于所述反应箱(1)顶部，用于提供过冷大水滴(8)；所述撞击组件包括垂直设于所述反应箱(1)一侧壁上的撞击杆(2)，所述撞击杆(2)沿其轴向直线运动，所述撞击杆(2)的撞击端(3)设有用于撞击所述过冷大水滴(8)的撞击物(4)；所述光学组件包括高速摄像机(9)、高速红外摄像机(10)，分别沿所述撞击杆(2)轴向的延长线上下设置。2.根据权利要求1所述的一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置，其特征在于，所述反应箱(1)内的温度为-35℃～20℃，相对湿度为5％～98％。3.根据权利要求1所述的一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置，其特征在于，所述液滴发生器(6)的端部设有利用压电信号调节开度的喷头(7)。4.根据权利要求1所述的一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置，其特征在于，所述撞击组件为kolsky杆，所述kolsky杆还包括缓冲杆(5)，所述缓冲杆(5)与所述撞击杆(2)相对设于所述反应箱(1)的另一侧壁上。5.根据权利要求1所述的一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置，其特征在于，所述撞击杆(2)的运动速度为4.9～116.5m/s。6.根据权利要求1所述的一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置，其特征在于，所述撞击物(4)的表面为疏水性界面或疏水性涂层。7.根据权利要求1所述的一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置，其特征在于，所述撞击物(4)与所述过冷大水滴(8)发生撞击时，所述过冷大水滴(8)的速度低于0.05m/s。8.根据权利要求1所述的一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置，其特征在于，所述光学组件还包括提供光源的强光源(11)。9.根据权利要求1所述的一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置，其特征在于，所述反应箱(1)内还设有与所述液滴发生器(6)、撞击组件和光学组件连接的同步信号发生器(12)，所述同步信号发生器(12)用于同步控制所述撞击物(4)与所述过冷大水滴(8)的撞击以及拍摄记录过程。10.一种如权利要求1-9任一所述装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：s1调节反应箱(1)内的温度、相对湿度以及光学组件参数，将撞击物(4)安装在撞击杆(2)的撞击端(3)；s2驱动撞击杆(2)从而带动撞击物(4)与从液滴发生器(6)滴落的过冷大水滴(8)发生碰撞；s3高速摄像机(9)和高速红外摄像机(10)拍摄记录撞击物(4)与过冷大水滴(8)的撞击结冰全过程。

技术总结
本发明涉及一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置及其试验方法，该装置包括反应箱，设于所述反应箱内的液滴发生器、撞击组件和光学组件；所述液滴发生器设于所述反应箱顶部，用于提供过冷大水滴；所述撞击组件包括垂直设于所述反应箱一侧壁上的撞击杆，所述撞击杆沿其轴向直线运动，所述撞击杆的撞击端设有用于撞击所述过冷大水滴的撞击物；所述光学组件包括高速摄像机、高速红外摄像机，分别沿所述撞击杆轴向的延长线上下设置。与现有技术相比，本发明装置使得撞击物与水滴都能达到过冷状态，且驱动撞击物固面高速撞击过冷大水滴结冰，并通过高速摄像机和高速红外摄像机全程不同角度的拍摄记录撞击结冰过程。同角度的拍摄记录撞击结冰过程。同角度的拍摄记录撞击结冰过程。


技术研发人员：赵玉刚 左自超 罗鹏 王东民
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：2023.02.10
技术公布日：2023/3/27