一种高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置及方法

本发明属于液滴碰撞实验，具体涉及一种高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置及方法。

背景技术：

1、液滴碰撞是自然界和工程领域各种流体动力学过程中常见的一种现象，关于液滴碰撞及其融合过程的研究，对深化液滴碰撞和融合物理过程的理解有重要的学术意义，并对指导相关工业过程具有实际应用价值。液滴碰撞现象普遍存在于自然界及工业领域，在喷雾燃烧、生物制药、航空航天以及乳制品加工等化工工程中有着更加广泛的应用，深入开展液滴碰撞的研究具有重要的理论和现实意义。而液滴种类、液滴直径、液滴碰撞速度及角度等对液滴碰撞结果具有重要影响。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非金属熔融液滴碰撞实验尚未见文献报道。

2、目前，液滴喷射最常使用的装置是压电陶瓷液滴发生器。如公开号为cn204870075u的中国专利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℃，无法用于高温熔融非金属液滴，如无机非金属材料空心玻璃微珠的喷射。此外，还有采用气压驱动来生成液滴，如公开号为cn106092506a的中国专利公开了高速小液滴/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非金属熔融液滴碰撞。

3、空心玻璃微珠是一类微米级轻质材料，其具有轻质、低导热、高强度和良好化学稳定性等优点，其密度一般在0.1～0.7g/cm3，远低于各类塑胶材料。空心玻璃微珠是一种空心微米级玻璃球形材料，具有密度低、强度高、隔音隔热、化学稳定性好、分散性好等特点，被广泛应用于石油勘探、航空航天、新能源汽车、乳化炸药等众多行业。玻璃微珠是近年来发展起来的一种用途广泛、性能特殊的新型无机非金属材料。玻璃微珠是具有强度高、流动性好、光学性能优异等显著特点的特殊材料，因此被广泛应用于军事、航空、建材及其他高科技领域作光反射材料、净化抛光材料、填充材料、载体材料等。

4、随着科学技术的不断发展和用户对产品性能的要求不断提高，玻璃微珠的直径越来越小，范围可达到数微米到数百微米，品种也越来越丰富，有实心玻璃微珠、空心玻璃微珠、多孔玻璃微珠等。玻璃微珠的生产方法分为物理法和化学法，采用物理法制备玻璃微珠的技术发展较为成熟。生产中常用的固相玻璃粉末法就是一种物理法，该方法常将玻璃粉料和燃料喷入球化炉内，使玻璃粉末颗粒充分受热熔化，获得熔融的玻璃微珠液滴，在此过程中玻璃微珠液滴之间大多发生碰撞分离现象，但由于炉内温度过高此微观运动过程难以捕捉。空心玻璃微珠粒径分布一般在20μm以下，因此其具有很高的强度和抗张强度。

5、由于空心玻璃微珠各方面性能优异，因此研究高温高压下熔融状态的空心玻璃微珠液滴碰撞在相关工业领域具有重要研究价值，以及液滴碰撞壁面的形态也具有十分重要的意义。现有技术中缺乏高温高压下的非金属液滴碰撞的装置，在基于此技术基础上也缺乏可以调节碰撞角度的装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置及方法。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、本发明提供一种高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置，包括碰撞实验箱，所述碰撞实验箱分为上腔室和下腔室，上腔室的顶端设有能够打开的箱盖，所述碰撞实验箱位于上腔室中安装有双腔石英坩埚，所述双腔石英坩埚的外部安装有用于对其进行加热的加热系统，所述双腔石英坩埚的内部设有两个底面带开孔的腔室，每个腔室位于底面开孔处安装有伸入下腔室的机械喷嘴，两个所述机械喷嘴各自的折弯角度能够调节；所述碰撞实验箱位于上腔室处安装有用于监测上腔室内腔温度的测温系统，以及用于控制上腔室内腔温度的水冷温控系统，所述碰撞实验箱位于上腔室处外接有能够产生压差来驱动机械喷嘴进行喷射的供气系统。

4、进一步地，上述高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置中，所述加热系统包括电磁感应加热控制器、电磁感应加热线圈和陶瓷加热套，所述双腔石英坩埚的外侧通过陶瓷加热套安装有电磁感应加热线圈，所述电磁感应加热线圈与位于碰撞实验箱外的电磁感应加热控制器连接，所述陶瓷加热套由能够被电磁感应加热的导电陶瓷材料制成，所述陶瓷加热套被加热后，通过热传导的方式对双腔石英坩埚进行加热。

5、进一步地，上述高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置中，所述机械喷嘴由耐高温材料制造，采用plc控制，在输入角度变化命令后，于同一轴线上调节角度变化；两个所述机械喷嘴能够以相同角度在同一轴线上喷射高温熔融液滴，实现液滴碰撞。

6、进一步地，上述高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置中，所述测温系统包括热电偶和无纸液晶记录仪，所述热电偶的感温端位于碰撞实验箱的内部，所述热电偶的引线端连接有无纸液晶记录仪。

7、进一步地，上述高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置中，所述热电偶由测温点、刚玉管、不锈钢紧固件、护线弹簧、测温线圈、保护线套和扁插组成；所述刚玉管的一端设有由刚玉组成的测温点，所述刚玉管的另一端经测温线圈与扁插连接；所述刚玉管的被不锈钢紧固件包围，防止温度过高损坏；所述测温线圈被保护线套包裹，所述扁插与位于无纸液晶记录仪后方的插座相配合。

8、进一步地，上述高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置中，所述水冷温控系统包括水箱、工业风冷冷水机和冷凝管，所述水箱和碰撞实验箱的上腔室之间共同连接有冷凝管，所述冷凝管由工业风冷冷水机循环供水冷却。

9、进一步地，上述高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置中，所述供气系统包括高压气瓶、高压气管和进气阀门，所述碰撞实验箱的上腔室两侧分别接有带进气阀门的高压气管，所述高压气瓶的输出端经一侧的高压气管与碰撞实验箱的上腔室连通，所述高压气瓶中充入有二氧化碳气体；另一侧的所述高压气管伸入水箱，且该位于高压气管位于水箱内的管体安装有监测压力变化用的气压计。

10、进一步地，上述高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置中，所述碰撞实验箱位于下腔室的至少一侧面设为透明观察面，所述透明观察面的外侧安装有高速摄影机。

11、本发明还提供一种高温熔融玻璃微珠液滴碰撞方法，基于上述的高温熔融玻璃微珠液滴碰撞装置实现，包括如下步骤：

12、1)在实验室测量选择两份相同粒径大小的空心玻璃微珠样本，对玻璃微珠样本进行称种，测量完毕统一后再将两份样品放入双腔石英坩埚的两个腔室内；

13、2)调试高压气瓶，观察碰撞实验箱的气密性，保证在进行实验过程中的安全与气密性问题；

14、3)调试电磁感应加热控制器，先上升一段温度进行预热，防止温度骤然升高，内部的双腔石英坩埚发生破裂，预热完成后逐步上升到合适的温度，待达到设定的温度；

15、4)打开位于高压气瓶一侧的进气阀门，充入高压气体，充入一分钟后打开另一侧的进气阀门，高压气体通过高压管通过水冷装置使用气压计测的气压，待设定压力充入后关闭高压气瓶一侧的进气阀门；

16、5)调节机械喷嘴角度，由于机械喷嘴采用plc控制，只需发出角度指令即可，待调节好角度后；

17、6)打开工业风冷冷水机，进行水循环控制碰撞实验箱内的温度，待设定条件满足；

18、7)在透明观察面上测量记录两个机械喷嘴的距离，测量数据，调整高速摄影机的焦距，对焦结束后打开高速摄影机进行拍摄，通过plc控制机械喷嘴开始喷射高温熔融玻璃微珠液滴，并使用高速摄影机记录，全程拍摄；

19、8)先将工业风冷冷水机开到最大功率进行降温处理，同时关闭电磁感应加热控制器，拔去电磁电热控制器的电源，待温度降到室温后关闭工业冷水机，拆卸实验装置，清理双腔石英坩埚，上传所有数据到计算机中，保存数据方便后续分析使用。

20、本发明的有益效果是：

21、本发明结构设计合理，其利用电磁感应作为热源，对双腔石英坩埚进行感应加热，以热传导形式能快速熔化双腔石英坩埚内的金属形成金属熔融液；采用压差驱动，分别将两个石英腔内的玻璃微珠熔融液滴从其末端的喷嘴口射出，通过控制电磁感应加热控制器和不同的气压生成两个不同粒径和速度的熔融液滴，并通过改变机械喷嘴方向实现不同角度的液滴碰撞，整个碰撞过程利用高速摄影仪拍摄，模拟高温高压环境，实现不同角度的液滴碰撞。

22、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。