CN110404701A - 一种射流破碎的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射流破碎的控制方法及装置，其中，该方法包括以下步骤：获取射流破碎的目标频率，并根据目标频率确定脉冲激光的加热频率；根据加热频率控制脉冲激光投射到射流喷口外的液体射流上，使液体射流按照目标频率发生破碎，得到多个液滴。该方法可以对射流温度分布直接调控，从而达到对射流破碎频率的高精度、高效率、非接触式控制。

Description

一种射流破碎的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及液体射流技术领域，特别涉及一种射流破碎的控制方法及装置。

背景技术

液体射流通常是不稳定的并且会破碎成液滴。正是基于此不稳定性，液体射流的破碎被广泛地应用在射流喷涂及清洗、喷墨打印、燃油喷雾控制、医药制造等各种领域。射流破碎问题的定量研究可追溯到19世纪，并直接促使Rayleigh开创了线性稳定性分析这一重要工具。长期以来的理论分析、数值模拟以及实验观测表明射流破碎是射流表面的初始扰动波发展导致。由于初始扰动包含广泛的频率(或波数)，最终的破碎是这些扰动频率之间相互竞争的结果，除非极小的射流雷诺数(一个用来表征射流强弱的无量纲参数，定义为射流速度与射流直径的乘积除以流体粘性系数)，否则射流破碎都会出现粒径大小不一的液滴。一个常见的例子是射流雾化，所产生的液滴直径分布相当广泛，存在很多不希望出现的较大液滴。

为了控制射流的破碎以及破碎后液滴的粒径大小，人们提出了采用机械振动的方法将一定频率的外加扰动添加到射流上，人为提高这一频率的初始扰动，使之主导射流破碎，从而产生大小一致的液滴。通常而言，振动频率越高，破碎后液滴直径越小。虽然这种机械振动方法已经得到了商业化，但这种机械振动的控制方法存在着一些局限：首先受制于材料强度，机械振动的频率上限通常仅有数百赫兹，这也就决定了利用这种方法控制液滴大小的范围受到很大限制；其次，这种方法需要至少将整个喷嘴部分一起振动，这会给装置的安全及稳定运行带来困难。

近些年，一种利用电脉冲对喷嘴进行断续加热以实现对射流破碎控制的方法被提了出来。这种方法是利用电脉冲加热喷嘴，当射流通过喷嘴时也被断续加热，这样运动射流表面产生间隔式的温度高低分布，而温度的间隔式高低分布会促使液体表面张力的间隔式高低分布，从而诱发出射流上的Marangoni流动。具体来说，这种Marangoni流动是指在射流整体运动的同时，射流中低表面张力区域的流体会流向射流中高表面张力的区域，导致高表面张力区域膨胀而低表面张力区域则会相应地收缩，从而促使射流破碎与液滴的形成。美国柯达公司的Furlani对此种温控方法进行了线性不稳定性分析并利用MEMS等电加热手段进行了实验。但这种电加热方法是间接的接触式加热，通过对喷嘴加热来实现当射流经过时接触到喷嘴内壁而被加热。这种方式不可避免地遇到热延迟、热惯性、以及热扩散等一系列问题。这些问题都会影响到对射流温度间隔分布的构造效果并进一步影响对射流破碎的控制效果，尤其是当需要较高调制频率时。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种射流破碎的控制方法。

本发明的另一个目的在于提出一种射流破碎的控制装置。

为达到上述目的，本发明一方面提出了射流破碎的控制方法，包括以下步骤：获取射流破碎的目标频率，并根据所述目标频率确定脉冲激光的加热频率；根据所述加热频率控制所述脉冲激光投射到射流喷口外的液体射流上，使所述液体射流按照所述目标频率发生破碎，得到多个液滴。

本发明实施例的射流破碎的控制方法，可以对射流温度分布直接调控，并使射流表面的温度高低分布更为明显，从而达到对射流破碎频率的高精度、高效率、非接触式控制，同时，利用激光加热控制方法具有很高的控制频率上限，仅受激光器脉冲频率的限制。

另外，根据本发明上述实施例的射流破碎的控制方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：接收调节指令；根据所述调节指令调节所述加热频率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述脉冲激光为单束或多束。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个液滴的粒径相等，且分布均匀。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如还需定量控制射流破碎后生成液滴的粒径、间隔距离、运动速度和液体射流的破碎长度，还包括：获取所述多个液滴的目标粒径、目标间隔距离、目标运动速度和所述液体射流的目标破碎长度；根据所述目标粒径、所述目标间隔距离、所述目标运动速度和所述目标破碎长度调节所述脉冲激光的频率、射流喷口的尺寸和/或射流流量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：检测所述多个液滴的当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或所述液体射流的当前破碎长度；若所述当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或当前破碎长度满足报警条件，则生成报警信号进行报警，并调节激光加热频率和/或射流流量。

为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种射流破碎的控制装置，包括：获取模块，用于获取射流破碎的目标频率，并根据所述目标频率确定脉冲激光的加热频率；投射模块，用于根据所述加热频率控制所述脉冲激光投射到射流喷口外的液体射流上，使所述液体射流按照所述目标频率发生破碎，得到多个液滴。

本发明实施例的射流破碎的控制装置，可以对射流温度分布直接调控，并使射流表面的温度高低分布更为明显，从而达到对射流破碎频率的高精度、高效率、非接触式控制，同时，利用激光加热控制方法具有很高的控制频率上限，仅受激光器脉冲频率的限制。

另外，根据本发明上述实施例的射流破碎的控制装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个液滴的粒径相等，且分布均匀。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：获取单元，用于所述多个液滴的获取目标粒径、目标间隔距离、目标运动速度和所述液体射流的目标破碎长度；调节单元，用于根据所述目标粒径、所述目标间隔距离、所述目标运动速度和所述目标破碎长度调节所述脉冲激光的频率、射流喷口的尺寸和/或射流流量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：检测单元，用于所述多个液滴的检测当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或当前破碎长度；报警单元，用于若所述当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或所述液体射流的当前破碎长度满足报警条件，则生成报警信号进行报警，并反馈给调节单元进行调节控制。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的射流破碎的控制方法流程图；

图2是本发明一个实施例的脉冲激光加热控制射流破碎方法执行过程示意图；

图3是4000Hz脉冲激光控制射流破碎效果图；

图4是5500Hz脉冲激光控制射流破碎效果图；

图5是本发明一个实施例的射流破碎的控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的射流破碎的控制方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的射流破碎的控制方法。

图1是本发明一个实施例的射流破碎的控制方法流程图。

如图1所示，该射流破碎的控制方法包括以下步骤：

在步骤S101中，获取射流破碎的目标频率，并根据目标频率确定脉冲激光的加热频率。

进一步地，本发明实施例还包括：接收调节指令；根据调节指令调节加热频率。

也就是说，本发明实施例接收到操作者的调节指令，根据所述调节指令对脉冲激光的加热频率进行调整。

在步骤S102中，根据加热频率控制脉冲激光投射到射流喷口外的液体射流上，使液体射流按照目标频率发生破碎，得到多个液滴。

进一步地，在本发明的一个实施例中，多个液滴的粒径相等，且分布均匀。

进一步地，如需定量控制射流破碎后液滴直径、间隔距离、运动速度、以及液体射流的破碎长度，本发明实施例还包括：获取多个液滴的目标粒径、目标间隔距离、目标运动速度和液体射流的目标破碎长度；根据目标粒径、目标间隔距离、目标运动速度和目标破碎长度调节脉冲激光的频率、射流喷口的尺寸和/或射流流量。

也就是说，获取到目标的粒径、间隔距离、运动速度和破碎长度后，根据目标数据调节脉冲激光的频率、射流喷口的尺寸和/或射流流量，射流喷口进而喷射出与预期的粒径相等和分布均匀的多个液滴。

进一步地，本发明实施例还包括：检测多个液滴的当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或液体射流的当前破碎长度；若当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或当前破碎长度满足报警条件，则生成报警信号进行报警。

也就是说，为避免出现意外状况，当检测到当前的数据已不满足目标要求时，也即当当前各项数据满足报警条件时，则进行报警提醒操作者，并进行反馈控制。

具体而言，如图2所示，本发明实施例将一束或者多束脉冲激光投射到喷口外的液体射流上，通过调节脉冲激光的频率便可以实现射流破碎的控制，从而获得一系列粒径相等、分布均匀的微小液滴。在一定的频率调节范围内，射流破碎的频率与脉冲激光加热的频率是完全锁频的，并且该控制频率是连续可调的。根据质量守恒与动量守恒等基本物理方程，本发明实施例可以通过改变脉冲激光的频率、射流喷口的尺寸以及射流的流量等参数来精确控制射流破碎后产生的一系列微小液滴的粒径大小、间隔距离、运动速度以及液体射流的破碎长度。

如图3和4所示，由工作效果图可以看出，在同样的流量和喷口尺寸下，当脉冲激光的频率较高，则获得的一系列微小液滴的粒径与间隔距离均会更小，并且这些物理量均是可以通过事先选定射流参数及激光脉冲频率来精确控制的。

另外，基于上述功能以及其高精度、高效率、非接触性、高控制频率上限等特点，本发明实施例还可以为射流喷涂及清洗、喷墨打印、燃油喷雾控制、医药制造等领域的发展带来很大帮助。

综上，根据本发明实施例提出的射流破碎的控制方法，可以通过脉冲激光的频率来控制射流破碎的频率，从而获得一系列粒径相等、分布均匀的微小液滴，并且可以通过改变脉冲激光的频率、射流喷口的尺寸以及射流的流量来精确定量控制微小液滴的粒径大小、间隔距离、运动速度以及液体射流的破碎长度。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的射流破碎的控制装置。

图5是本发明一个实施例的射流破碎的控制方法结构示意图。

如图5所示，该射流破碎的控制装置10包括：获取模块100和投射模块200。

其中，获取模块100用于获取射流破碎的目标频率，并根据所述目标频率确定脉冲激光的加热频率。投射模块200用于根据加热频率控制脉冲激光投射到射流喷口外的液体射流上，使液体射流按照目标频率发生破碎，得到多个液滴。

进一步地，在本发明的一个实施例中，多个液滴的粒径相等，且分布均匀。

可选地，本发明实施例还包括：获取单元用于多个液滴的获取目标粒径、目标间隔距离、目标运动速度和液体射流的目标破碎长度；调节单元用于根据目标粒径、目标间隔距离、目标运动速度和目标破碎长度调节脉冲激光的频率、射流喷口的尺寸和/或射流流量。

其中，本发明实施例还包括：检测单元多个液滴的用于检测当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或当前破碎长度。报警单元用于若当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或液体射流的当前破碎长度满足报警条件，则生成报警信号进行报警。

需要说明的是，前述对射流破碎的控制方法实施例的解释说明也适用于该装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的射流破碎的控制装置，可以通过脉冲激光的频率来控制射流破碎的频率，从而获得一系列粒径相等、分布均匀的微小液滴，并且可以通过改变脉冲激光的频率、射流喷口的尺寸以及射流的流量来精确定量控制微小液滴的粒径大小、间隔距离、运动速度以及液体射流的破碎长度。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种射流破碎的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取射流破碎的目标频率，并根据所述目标频率确定脉冲激光的加热频率；

根据所述加热频率控制所述脉冲激光投射到射流喷口外的液体射流上，使所述液体射流按照所述目标频率发生破碎，得到多个液滴。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

接收调节指令；

根据所述调节指令调节所述加热频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光为单束或多束。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个液滴的粒径相等，且分布均匀。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

获取所述多个液滴的目标粒径、目标间隔距离、目标运动速度和所述液体射流的目标破碎长度；

根据所述目标粒径、所述目标间隔距离、所述目标运动速度和所述目标破碎长度调节所述脉冲激光的频率、射流喷口的尺寸和/或射流流量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

检测所述多个液滴的当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或所述液体射流的当前破碎长度；

若所述当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或当前破碎长度满足报警条件，则生成报警信号进行报警。

7.一种射流破碎的控制装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取射流破碎的目标频率，并根据所述目标频率确定脉冲激光的加热频率；

投射模块，用于根据所述加热频率控制所述脉冲激光投射到射流喷口外的液体射流上，使所述液体射流按照所述目标频率发生破碎，得到多个液滴。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述多个液滴的粒径相等，且分布均匀。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述投射模块还包括：

获取单元，用于所述多个液滴的获取目标粒径、目标间隔距离、目标运动速度和所述液体射流的目标破碎长度；

调节单元，用于根据所述目标粒径、所述目标间隔距离、所述目标运动速度和所述目标破碎长度调节所述脉冲激光的频率、射流喷口的尺寸和/或射流流量。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：

检测单元，用于所述多个液滴的检测当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或当前破碎长度；

报警单元，用于若所述当前粒径、当前间隔距离、当前运动速度和/或所述液体射流的当前破碎长度满足报警条件，则生成报警信号进行报警。