一种液滴剪应力与变形试验装置及试验方法

1.本发明涉及气液分离过程微液滴受力分析技术领域，具体涉及一种液滴剪应力与变形试验装置及试验方法。

背景技术：

2.在多孔介质内部液滴运动过程之中，液滴在渗透压驱动下沿多孔介质内部运动，而液滴与多孔介质之间的表面张力是阻碍液滴运动的主要阻力。由于多孔介质内部结构复杂、尺寸狭小，直接测量液滴在多孔介质内部变形和表面张力十分困难，液滴所受剪应力与表面张力的试验方法尚不明确。

技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种液滴剪应力与变形试验装置。
4.本发明的技术方案如下：一种液滴剪应力与变形试验装置，包括高清工业相机、三轴位移平台、升降台、微距云台导轨、显微镜头、置物台、容器、纤维、蚌壳形液滴、底板、视觉光源和高度调节气囊，所述高清工业相机与显微镜头相连接，高清工业相机设置在微距云台导轨上，所述微距云台导轨设置在升降台上，升降台和置物台固定在底板上，所述置物台上设置有三轴位移平台，三轴位移平台上设置有容器，所述容器内置有纤维，所述蚌壳形液滴悬挂于纤维上，蚌壳形液滴的侧面设有视觉光源，所述底板的四角处设有高度调节气囊。
5.所述纤维水平放置，高度与高清工业相机镜头中心高度相同。所述蚌壳形液滴的正面设有正视图工业相机，侧面设有侧视图工业相机，正视图工业相机和侧视图工业相机对准蚌壳形液滴，蚌壳形液滴远离高清工业相机的一侧分别设有视觉光源。
6.一种基于液滴剪应力与变形试验装置的试验方法，两个高清工业相机的中心对准蚌壳形液滴，通过连接于高清工业相机上的显微镜头进行高清放大来测量液滴正视图与侧视图轮廓，通过微距云台导轨与升降台对高清工业相机的位置进行微调，通过容器下方的三轴位移平台调整液滴与显微镜头相对位置。
7.液滴横截面剪应力通过以下方式控制，改变高度调节气囊的压力调整底板倾斜角度，实现液滴相对于水平面倾斜，在重力与纤维毛细力共同作用下，液滴内部产生剪应力，在液滴变形的同时，保证液滴在高清工业相机中位置保持不变，即：
8.在纤维倾斜过程中，侧视图相机镜头始终与纤维轴线保持平行，液滴重心在侧视图平面内，避免了侧视图相机与纤维不平行引起的测量误差；
9.在纤维倾斜过程中，正视图相机镜头始终垂直于纤维轴线，液滴重心也始终在正视图平面内，准确测量液滴在剪应力作用下的变形。
10.液滴三维结构通过以下方式重构，根据液滴的正视图与侧视图，识别液滴轮廓曲线，以液滴重心为基准，建立液滴圆柱坐标系如图3所示。由于液滴水平横截面在表面张力作用下趋向表面积最小，液滴水平横截面轮廓均为椭圆形，该椭圆的长轴与短轴半径分别
为液滴正视图与侧视图轮廓宽度，
[0011][0012]
其中，r
x
为液滴正视图轮廓宽度；ry为液滴侧视图轮廓宽度；α为液滴相对于z轴转角。
[0013]
液滴3d离散坐标计算液滴任意一点上的横截面积、表面积与体积通过以下公式得出：
[0014][0015]
其中，δai在液滴i点处横截面积；δsi在液滴i点处离散表面积；δvi在液滴i点处离散体积。
[0016]
作用在液滴水平横截面的平均剪应力为：
[0017][0018]
其中，vi(i＝1～n)为水平横截面下方液滴体积；aj(j＝1～m)为液滴水平横截面积。
[0019]
作用在液滴上的表面张力为：
[0020][0021]
其中，σn液滴表面张力；γ表面张力系数；r液滴曲率半径；θ表面张力法向与水平方向夹角。
[0022]
根据液滴受力平衡，在静态条件下液体内部不承受剪应力，液滴所受剪应力只能由表面张力平衡，液滴水平截面上表面张力与剪应力的关系为：
[0023][0024]
本发明提出在倾斜纤维上测量液滴剪应力与表面张力试验方法，在相同材料与物性参数条件下，液滴在纤维上的表面张力与剪应力试验结果表征渗透压作用下液滴在多孔介质内部的变形过程。本发明使用方便，造价低廉，能准确得到液滴所受剪应力与表面张力。
附图说明
[0025]
图1为本发明的结构示意图；
[0026]
图2为本发明的局部放大示意图；
[0027]
图3为液滴三维重构图；
[0028]
图中：1-高清工业相机、2-三轴位移平台、3-升降台、4-微距云台导轨、5-显微镜头、6-置物台、7-容器、8-纤维、9-蚌壳形液滴、10-底板、11-视觉光源、12-高度调节气囊。
具体实施方式
[0029]
以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0030]
如图1-2所示，一种液滴剪应力与变形试验装置，包括高清工业相机1、三轴位移平台2、升降台3、微距云台导轨4、显微镜头5、置物台6、容器7、纤维8、蚌壳形液滴9、底板10、视觉光源11和高度调节气囊12，所述高清工业相机1与显微镜头5相连接，高清工业相机1设置在微距云台导轨4上，所述微距云台导轨4设置在升降台3上，升降台3和置物台6固定在底板10上，所述置物台6上设置有三轴位移平台2，三轴位移平台2上设置有容器7，所述容器7内置有纤维8，蚌壳形液滴9悬挂于纤维8上，蚌壳形液滴9的侧面共设有两个视觉光源11，所述底板10的四角处设有高度调节气囊12，用于支撑底板10。
[0031]
高清工业相机1的下部固定在微距云台导轨4的滑块上，工业相机1可沿微距云导轨4前后移动。升降台3包括壳体、螺杆、手轮、滑块，手轮与螺杆相连接，螺杆与滑块螺接，微距云台导轨4固定升降台3的滑块上，旋转手轮带动滑块升降，实现工业相机1上下移动。
[0032]
纤维8水平放置，高度与高清工业相机1镜头中心高度相同。蚌壳形液滴9的正面设有正视图工业相机，侧面设有侧视图工业相机，正视图工业相机和侧视图工业相机对准蚌壳形液滴9，正视图工业相机和侧视图工业相机相互垂直设置。蚌壳形液滴9远离高清工业相机的一侧分别设有视觉光源11。容器7内设有支架，纤维8的两端固定在支架上，蚌壳形液滴9悬挂于纤维8上
[0033]
一种基于液滴剪应力与变形试验装置的试验方法，两个高清工业相机1的中心对准蚌壳形液滴9，通过连接于高清工业相机1上的显微镜头5进行高清放大来测量液滴正视图与侧视图轮廓，通过微距云台导轨4与升降台3对高清工业相机1的位置进行微调，通过容器7下方的三轴位移平台2调整液滴与显微镜头相对位置。
[0034]
通过以下步骤可得到液滴所受剪应力与表面张力：1.调整平台倾斜角度和液滴质量，控制液滴横截面剪应力；2.构建基于液滴平面图像的三维模型；3.计算液滴横截面积与质量；4.测量液滴所受剪应力与表面张力。
[0035]
液滴横截面剪应力通过以下方式控制，改变高度调节气囊12的压力调整底板10倾斜角度，实现液滴9相对于水平面倾斜，在重力与纤维毛细力共同作用下，液滴内部产生剪应力，在液滴变形的同时，保证液滴9在高清工业相机1中位置保持不变，即：
[0036]
在纤维倾斜过程中，侧视图相机镜头始终与纤维轴线保持平行，液滴重心在侧视图平面内，避免了侧视图相机与纤维不平行引起的测量误差；
[0037]
在纤维倾斜过程中，正视图相机镜头始终垂直于纤维轴线，液滴重心也始终在正视图平面内，准确测量液滴在剪应力作用下的变形。
[0038]
液滴三维结构通过以下方式重构，根据液滴9的正视图与侧视图，识别液滴轮廓曲
线，以液滴重心为基准，建立液滴圆柱坐标系，由于液滴水平横截面在表面张力作用下趋向表面积最小，液滴水平横截面轮廓均为椭圆形，该椭圆的长轴与短轴半径分别为液滴正视图与侧视图轮廓宽度，
[0039][0040]
其中，r
x
为液滴正视图轮廓宽度；ry为液滴侧视图轮廓宽度；α为液滴相对于z轴转角。
[0041]
液滴3d离散坐标计算液滴任意一点上的横截面积、表面积与体积通过以下公式得出：
[0042][0043]
其中，δai在液滴i点处横截面积；δsi在液滴i点处离散表面积；δvi在液滴i点处离散体积。
[0044]
作用在液滴水平横截面的平均剪应力为：
[0045][0046]
其中，vi(i＝1～n)为水平横截面下方液滴体积；aj(j＝1～m)为液滴水平横截面积。作用在液滴上的表面张力为：
[0047][0048]
其中，σn液滴表面张力；γ表面张力系数；r液滴曲率半径；θ表面张力法向与水平方向夹角。
[0049]
根据液滴受力平衡，在静态条件下液体内部不承受剪应力，液滴所受剪应力只能由表面张力平衡，液滴水平截面上表面张力与剪应力的关系为：
[0050]

技术特征：

1.一种液滴剪应力与变形试验装置，包括高清工业相机(1)、三轴位移平台(2)、升降台(3)、微距云台导轨(4)、显微镜头(5)、置物台(6)、容器(7)、纤维(8)、蚌壳形液滴(9)、底板(10)、视觉光源(11)和高度调节气囊(12)，其特征在于：所述高清工业相机(1)与显微镜头(5)相连接，高清工业相机(1)设置在微距云台导轨(4)上，所述微距云台导轨(4)设置在升降台(3)上，升降台(3)和置物台(6)固定在底板(10)上，所述置物台(6)上设置有三轴位移平台(2)，三轴位移平台(2)上设置有容器(7)，所述容器(7)内置有纤维(8)，所述蚌壳形液滴(9)悬挂于纤维(8)上，蚌壳形液滴(9)的侧面设有视觉光源(11)，所述底板(10)的四角处设有高度调节气囊(12)。2.如权利要求1所述的一种液滴剪应力与变形试验装置，其特征在于：所述纤维(8)水平放置，高度与高清工业相机(1)镜头中心高度相同。3.如权利要求1所述的一种液滴剪应力与变形试验装置，其特征在于：所述蚌壳形液滴(9)的正面设有正视图工业相机，侧面设有侧视图工业相机，正视图工业相机和侧视图工业相机对准蚌壳形液滴(9)，蚌壳形液滴(9)远离高清工业相机的一侧分别设有视觉光源(11)。4.一种基于液滴剪应力与变形试验装置的试验方法，其特征在于：两个高清工业相机(1)的中心对准蚌壳形液滴(9)，通过连接于高清工业相机(1)上的显微镜头(5)进行高清放大来测量液滴正视图与侧视图轮廓，通过微距云台导轨(4)与升降台(3)对高清工业相机(1)的位置进行微调，通过容器(7)下方的三轴位移平台(2)调整液滴与显微镜头相对位置，通过以下步骤得到液滴所受剪应力与表面张力：1)调整平台倾斜角度和液滴质量，控制液滴横截面剪应力；2)构建基于液滴平面图像的三维模型；3)计算液滴横截面积与质量；4)测量液滴所受剪应力与表面张力。5.如权利要求4所述的一种基于液滴剪应力与变形试验装置的试验方法，其特征在于：液滴横截面剪应力通过以下方式控制，改变高度调节气囊(12)的压力调整底板(10)倾斜角度，实现液滴(9)相对于水平面倾斜，在重力与纤维毛细力共同作用下，液滴内部产生剪应力，在液滴变形的同时，保证液滴(9)在高清工业相机(1)中位置保持不变，即：在纤维倾斜过程中，侧视图相机镜头始终与纤维轴线保持平行，液滴重心在侧视图平面内，避免了侧视图相机与纤维不平行引起的测量误差；在纤维倾斜过程中，正视图相机镜头始终垂直于纤维轴线，液滴重心也始终在正视图平面内，准确测量液滴在剪应力作用下的变形。6.如权利要求4所述的一种基于液滴剪应力与变形试验装置的试验方法，其特征在于：液滴三维结构通过以下方式构建，根据液滴(9)的正视图与侧视图，识别液滴轮廓曲线，以液滴重心为基准，建立液滴圆柱坐标系，由于液滴水平横截面在表面张力作用下趋向表面积最小，液滴水平横截面轮廓均为椭圆形，该椭圆的长轴与短轴半径分别为液滴正视图与侧视图轮廓宽度，其中，r
x
为液滴正视图轮廓宽度；r
y
为液滴侧视图轮廓宽度；α为液滴相对于z轴转角。7.如权利要求6所述的一种基于液滴剪应力与变形试验装置的试验方法，其特征在于：
作用在液滴上的表面张力为：其中，σ
n
液滴表面张力；γ表面张力系数；r液滴曲率半径；θ表面张力法向与水平方向夹角。8.如权利要求4所述的一种基于液滴剪应力与变形试验装置的试验方法，其特征在于：液滴3d离散坐标计算液滴任意一点上的横截面积、表面积与体积通过以下公式得出：其中，δa
i
在液滴i点处横截面积；δs
i
在液滴i点处离散表面积；δv
i
在液滴i点处离散体积。9.如权利要求8所述的一种基于液滴剪应力与变形试验装置的试验方法，其特征在于：作用在液滴水平横截面的平均剪应力为：其中，v
i
(i＝1～n)为水平横截面下方液滴体积；a
j
(j＝1～m)为液滴水平横截面积。10.如权利要求7所述的一种基于液滴剪应力与变形试验装置的试验方法，其特征在于：根据液滴受力平衡，在静态条件下液体内部不承受剪应力，液滴所受剪应力只能由表面张力平衡，液滴水平截面上表面张力与剪应力的关系为：

技术总结

本发明公开了一种液滴剪应力与变形试验装置及试验方法，涉及微液滴受力分析技术领域，装置包括高清工业相机、三轴位移平台、升降台、微距云台导轨、显微镜头、置物台、容器、纤维、蚌壳形液滴、视觉光源，工业相机与显微镜头相连接，高清工业相机在微距云台导轨上，微距云台导轨在升降台上，三轴位移平台上设置有容器，容器内置纤维，蚌壳形液滴悬挂在纤维上，蚌壳形液滴侧面设有视觉光源。通过以下步骤得到液滴所受剪应力与表面张力：调整平台倾斜角度和液滴质量，控制液滴横截面剪应力；构建基于液滴平面图像的三维模型；计算液滴横截面积与质量；测量液滴所受剪应力与表面张力。本发明使用方便，造价低廉，能准确得到液滴所受剪应力与表面张力。力与表面张力。力与表面张力。