[发明专利]一种固面高速撞击过冷大水滴结冰的装置及其试验方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

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；

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。

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。

进一步地，所述反应箱内的温度为-40℃～20℃，相对湿度为5％～98％。

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。

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。

进一步地，所述撞击杆的运动速度为4.9～116.5m/s。

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。

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。

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。

进一步地，所述光学组件还包括提供光源的强光源。