專利名稱：納米級固體粉末制備裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及納米級固體粉末的制備裝置，利用該裝置制備的固體粉末顆?？勺鳛楦叱曀倭Ｗ訄D像測速實驗的示蹤粒子，屬于航空航天實驗技術領域。
背景技術：
風洞實驗中的流動顯示和流動測量技術性能的優(yōu)劣直接影響到實驗現(xiàn)象的觀測和實驗數(shù)據(jù)的獲取，粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry,以下簡稱PIV)作為一種非接觸式的全場測量技術，將流動顯示和流動測量技術相結(jié)合，其基本工作過程是在被測流場中均勻播撒特定濃度的示蹤粒子，用脈沖激光器和片光源生成的片光照明流場，使用相機拍攝兩次或多次曝光的流場圖像，采用互相關法計算每個判讀區(qū)內(nèi)粒子群的統(tǒng)計平均位移，再根據(jù)激光器曝光時間間隔計算流場的二維速度。對于PIV技術而言，被研究的流體中示蹤粒子的存在是必不可少的，這是因為示蹤粒子會跟隨流場一起運動，其運動情況能夠反映出真實的流場信息。影響示蹤粒子跟隨性的主要參數(shù)是粒子的直徑和密度，由于在粒子對流場的響應時間表達式中，密度為一次因子而直徑為二次因子，因此獲得低至微米量級甚至納米量級的示蹤粒子是粒子制備過程中的重點，同時也是難點?，F(xiàn)階段風洞實驗中常用的示蹤粒子有兩類，一類是油霧示蹤粒子，多采用將粘性較大脂類液體霧化成微小液滴的方法獲得。這類粒子由于密度較低，直徑較小，在低速和亞跨聲速實驗條件下跟隨性較好，但對于高超聲速風洞實驗，其微米量級的粒徑相對較大，經(jīng)常在噴管喉道處附著到風洞壁面，對風洞造成污染，并且在強剪切氣流、通過激波時其跟隨性差，導致其在高超聲速風洞實驗中的使用受到限制。另一類是納米固體粉末示蹤粒子，為通過化學合成法和液相合成法生成的氧化物粉末顆粒，其原生粒徑在十幾到幾十納米的范圍內(nèi)，跟隨性極好，適合于高超聲速風洞實驗。但是由于納米固體粉末比表面能較大，極性較強，很容易團聚，難以分散，團聚后的固體粉末微團直徑在微米量級，還有可能更大。如果采用普通流化床法不經(jīng)過粉碎過程將團聚后的固體粉末微團直接向風洞中播撒，由于微團直徑過高，會導致固體粉末微團的慣性較大和跟隨性較差，引起一系列問題。比如，固體粉末微團無法進入邊界層，在強剪切氣流中存在滑移，在穿越激波結(jié)構時存在滯后現(xiàn)象而抹平激波結(jié)構，PIV測量結(jié)果將產(chǎn)生不可避免的誤差等。因此如何通過一定方法使團聚后固體粉末微團足夠粉碎并注入到實驗段中，是納米固體粉末不蹤粒子應用到聞超聲速風洞PIV實驗中的關鍵。

實用新型內(nèi)容本實用新型提出納米級固體粉末的制備裝置，該裝置可以對由原生納米固體粉末顆粒團聚形成的固體粉末微團(以下稱固體粉末)進行沖擊和粉碎，得到納米級固體粉末示蹤粒子。本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的。[0008]本實用新型的納米級固體粉末制備裝置，包括固體粉末與氣流混合及初步?jīng)_擊裝置和氣流粉碎及漩渦分離篩選裝置；固體粉末與氣流混合及初步?jīng)_擊裝置包括圓柱罐體、圓盤頂蓋、入口管道A和出口管道，入口管道A的末端帶有噴嘴；入口管道A的入口處有調(diào)壓閥，用于調(diào)節(jié)進入到圓柱罐體內(nèi)的氣流壓力；圓柱罐體內(nèi)的底層裝有待粉碎的固體粉末；入口管道A穿過圓盤頂蓋后其上的噴嘴進入到待粉碎的固體粉末中；出口管道的氣流入口部位位于待粉碎的固體粉末的上方，出口管道穿過圓盤頂蓋，出口管道的出口位于圓盤頂蓋的上方；在出口管道上位于其出口部位和圓盤頂蓋之間的部位可以安裝沖擊裝置，沖擊裝置包括外套和內(nèi)芯；外套為中空圓柱體，內(nèi)芯為帶有底面的中空圓柱體，其中空部分為中心通道；外套的內(nèi)表面和內(nèi)芯的外表面之間有縫隙，在內(nèi)芯的底面上有入口 ；外套和內(nèi)芯通過上螺紋固定連接；氣流與固體粉末混合物流經(jīng)沖擊裝置時會與內(nèi)芯的底面外表面發(fā)生撞擊，然后氣流與固體粉末混合物沿縫隙流動，通過入口進入到中心通道，從中心通道流出沖擊裝置，最后從出口管道的出口流出；出口管道與外套通過下螺紋固定連接；圓柱罐體和圓盤頂蓋通過螺栓固定連接，并用O型銅圈進行密封；四個入口管道A和三個出口管道分布在圓盤頂蓋上；圓盤頂蓋上設置有壓力表接口 ；氣流粉碎及漩渦分離篩選裝置包括一級氣流粉碎和漩渦分離裝置和二級氣流粉碎裝置；一級氣流粉碎和漩渦分離裝置為帶有回流通道的圓柱罐體，其中心空腔為一級氣流粉碎和漩渦分離腔；入口管道B從一級氣流粉碎和漩渦分離裝置的底部穿過回流通道進入到一級氣流粉碎和漩渦分離腔中，入口管道B的末端帶有超音速噴嘴B ;入口管道B有三個，圓周均布在一級氣流粉碎和漩渦分離裝置的底部；在回流通道頂部設置回流入口，回流入口均布在一級氣流粉碎和漩渦分離腔的上部的側(cè)壁中，在回流通道底部設置回流出口，與三個超音速噴嘴B均布在一級氣流粉碎和漩渦分離腔的下部的側(cè)壁中；一級氣流粉碎和漩渦分離裝置底部外側(cè)對稱設置清潔窗口并裝有清潔窗口封蓋，一級氣流粉碎和漩渦分離腔出口部分為固體粉末排出通道，經(jīng)過粉碎和漩渦分離的固體粉末與氣流混合物由此排出進入一級氣流粉碎和漩渦分離裝置和二級氣流粉碎裝置之間的中轉(zhuǎn)通道；二級氣流粉碎裝置的上面部分為帶有支座的空心罐體，其中心空腔為二級氣流粉碎腔，二級氣流粉碎腔的氣流入口為音速噴嘴C，在二級氣流粉碎裝置側(cè)壁的頂端為排出通道B，二級氣流粉碎裝置的下面部分為連接支座；一級氣流粉碎和漩渦分離裝置和二級氣流粉碎裝置是通過連接支座使用螺栓固定連接，使用O型銅圈進行密封。本實用新型的納米級固體粉末制備裝置具有成本可控、穩(wěn)定可靠和工藝簡單等特點，其工作流程如下來流從入口管道A進入，在氣流的帶動下，待粉碎的固體粉末跟隨氣流從出口管道進入沖擊裝置，攜帶固體粉末的氣流會與沖擊裝置發(fā)生碰撞，初步解決固體粉末團聚的問題；接下來攜帶固體粉末的氣流進入入口管道B后經(jīng)過超音速噴嘴B加速達到超音速，高速氣流使固體粉末進一步粉碎；然后混合氣流進入一級氣流粉碎和漩渦分離腔內(nèi)，固體粉末撞擊分離腔內(nèi)壁而更充分粉碎，同時在圓周均布的超音速噴嘴B的布局條件下會在一級氣流粉碎和漩渦分離腔內(nèi)形成強烈的漩渦，較大的固體粉末由于離心作用經(jīng)過回流入口后通過回流通道從回流出口回到一級氣流粉碎和漩渦分離腔的底部，再在入口管道B入口處的氣流的作用下重新參與氣流的粉碎和篩選；較小的固體粉末經(jīng)過排出通道A后經(jīng)中轉(zhuǎn)通道從音速噴嘴C進入到二級氣流粉碎腔，再次經(jīng)過氣流的粉碎，從排出通道B排出，得到符合高超聲速PIV實驗要求的固體粉末顆粒。有益效果本實用新型裝置成本低、穩(wěn)定可靠、工藝簡單；且為分塊、分級和局部循環(huán)的結(jié)構形式，輸入與輸出之間形成了完全封閉式的結(jié)構，保證攜帶示蹤粒子的氣流能夠穩(wěn)定和流暢的運行。

圖1-1為固體粉末與氣流混合及初步?jīng)_擊裝置示意圖；圖1-2為固體粉末與氣流混合及初步?jīng)_擊裝置俯視圖；圖2-1為氣流粉碎及漩渦分離篩選裝置示意圖；圖2-2為氣流粉碎及漩渦分離篩選裝置俯視圖；圖2-3為圖2-1的B-B截面圖；圖2-4為圖2-1的C-C截面圖；圖2-5為圖2-1的D-D截面圖；圖3為沖擊裝置結(jié)構示意圖；其中，1-入口管道A，2-出口管道，3-圓柱罐體，4-噴嘴A，5-待粉碎的固體粉末，6-沖擊裝置，7-調(diào)節(jié)閥，8-圓盤頂蓋，9-壓力表接口，10-回流通道，11-一級氣流粉碎和漩渦分離腔，12-入口管道B，13-超音速噴嘴B，14-排出通道A，15-回流入口，16-回流出口，17-圓柱罐體，18-中轉(zhuǎn)通道，19- 二級氣流粉碎腔，20-音速噴嘴C，21-排出通道B，22-連接支座，23-清潔窗口，24-清潔窗口封蓋，25-空心罐體。26-外套，27-內(nèi)芯，28-上螺紋，29-下螺紋，30-縫隙，31-入口，32-中心通道。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的詳細說明。納米級固體粉末制備裝置，包括固體粉末與氣流混合及初步?jīng)_擊裝置和氣流粉碎及漩渦分離篩選裝置；如圖1-1所示，固體粉末與氣流混合及初步?jīng)_擊裝置包括圓柱罐體3、圓盤頂蓋8、入口管道Al和出口管道2，入口管道Al的末端帶有噴嘴4 ；入口管道Al的入口處有調(diào)壓閥7，用于調(diào)節(jié)進入到圓柱罐體3內(nèi)的氣流壓力；圓柱罐體3內(nèi)的底層裝有待粉碎的固體粉末5 ;入口管道Al穿過圓盤頂蓋8后其上的噴嘴4進入到待粉碎的固體粉末5中；出口管道2的氣流入口部位位于待粉碎的固體粉末5的上方，出口管道2穿過圓盤頂蓋8，出口管道2的出口部位位于圓盤頂蓋8的上方；在出口管道2上位于其出口部位和圓盤頂蓋8之間的部位安裝有沖擊裝置6，沖擊裝置6示意圖如圖3所示，沖擊裝置6包括外套26和內(nèi)芯27 ;外套26為中空圓柱體，內(nèi)芯27為帶有底面的中空圓柱體，其中空部分為中心通道32 ;外套26的內(nèi)表面和內(nèi)芯27的外表面之間有縫隙30，在內(nèi)芯27的底面上有入口 31 ;外套26的內(nèi)側(cè)壁下面部分有下螺紋29，外套26的內(nèi)側(cè)壁上面部分有上螺紋28 ;外套26和內(nèi)芯27通過上螺紋28固定連接；氣流與固體粉末混合物流經(jīng)沖擊裝置6時會與內(nèi)芯27的底面外表面發(fā)生撞擊，然后氣流與固體粉末混合物沿縫隙30流動，通過入口 31進入到中心通道32，從中心通道32流出沖擊裝置6，最后從出口管道2的出口流出；出口管道2與外套26通過下螺紋29固定連接；圓柱罐體3和圓盤頂蓋8通過螺栓固定連接，并用O型銅圈進行密封；如圖1-2所示，四個入口管道Al和三個出口管道2分布在圓盤頂蓋8上；圓盤頂蓋8上設置有壓力表接口 9 ；如圖2-1所示，氣流粉碎及漩渦分離篩選裝置包括一級氣流粉碎和漩渦分離裝置和二級氣流粉碎裝置；一級氣流粉碎和漩渦分離裝置為帶有回流通道10的圓柱罐體17，其中心空腔為一級氣流粉碎和漩渦分離腔11 ;入口管道B12從一級氣流粉碎和漩渦分離裝置的底部穿過回流通道10進入到一級氣流粉碎和漩渦分離腔11中，入口管道B12的末端帶有超音速噴嘴B13，如圖2-3所示；如圖2-2所示，入口管道B12有三個，圓周均布在一級氣流粉碎和漩渦分離裝置的底部；在回流通道10頂部設置回流入口 15，如圖2-4所示，回流入口 15均布在一級氣流粉碎和漩渦分離腔11的上部的側(cè)壁中，在回流通道10底部設置回流出口 16，與三個超音速噴嘴B13均布在一級氣流粉碎和漩渦分離腔11的下部的側(cè)壁中；一級氣流粉碎和漩渦分離裝置底部外側(cè)對稱設置清潔窗口 23并裝有清潔窗口封蓋24，一級氣流粉碎和漩渦分離腔11出口部分為固體粉末排出通道14，經(jīng)過粉碎和漩渦分離的固體粉末與氣流混合物由此排出進入一級氣流粉碎和漩渦分離裝置和二級氣流粉碎裝置之間的中轉(zhuǎn)通道18;二級氣流粉碎裝置的上面部分為帶有支座的空心罐體25，其中心空腔為二級氣流粉碎腔19，二級氣流粉碎腔19的氣流入口為音速噴嘴C20，如圖2-5，在二級氣流粉碎裝置側(cè)壁的頂端為排出通道B21，二級氣流粉碎裝置的下面部分為連接支座22 ；一級氣流粉碎和漩渦分離裝置和二級氣流粉碎裝置是通過連接支座22使用螺栓固定連接，使用O型銅圈進行密封。本實用新型的納米級固體粉末制備裝置具有成本可控、穩(wěn)定可靠和工藝簡單等特點，其工作流程如下來流從入口管道Al進入，在氣流的帶動下，待粉碎的固體粉末5跟隨氣流從出口管道2進入沖擊裝置6，攜帶固體粉末的氣流會與沖擊裝置6發(fā)生碰撞，初步解決固體粉末團聚的問題；接下來攜帶固體粉末的氣流進入入口管道B12后經(jīng)過超音速噴嘴B13加速達到超音速，高速氣流使固體粉末進一步粉碎；然后混合氣流進入一級氣流粉碎和漩渦分離腔11內(nèi)，固體粉末撞擊分離腔內(nèi)壁而更充分粉碎，同時在圓周均布的超音速噴嘴B13的布局條件下會在一級氣流粉碎和漩渦分離腔11內(nèi)形成強烈的漩渦，較大的固體粉末由于離心作用經(jīng)過回流入口 15后通過回流通道10從回流出口 16回到一級氣流粉碎和漩渦分離腔11的底部，再在入口管道B12入口處的氣流的作用下重新參與氣流的粉碎和篩選；較小的固體粉末經(jīng)過排出通道A14后經(jīng)中轉(zhuǎn)通道18從音速噴嘴C20進入到二級氣流粉碎腔19，再次經(jīng)過氣流的粉碎，從排出通道B21排出，得到符合高超聲速PIV實驗要求的固體粉末顆粒。本實用新型的納米級固體粉末制備裝置使用不銹鋼加工制成；圓柱罐體3和圓盤頂蓋8之間、排出通道A14與帶有回流通道10的圓柱罐體17之間以及連接支座22和帶有回流通道10的圓柱罐體17均通過法蘭固定連接，需要密封的位置使用O型銅圈進行密封；圓柱罐體3、一級氣流粉碎和漩渦分離腔11和二級氣流粉碎腔19可以承受的最大壓力均為15Mpa。本實用新型的納米級固體粉末制備裝置使用二氧化鈦(TiO2)或三氧化二鋁(Al2O3)粉末作為原料，可以處理的原生納米固體粉末顆粒直徑在15-90nm范圍內(nèi)。本實用新型的納米級固體粉末制備裝置具體工作過程如下經(jīng)過干燥和過濾得空氣氣流通過入口管道Al入口處的調(diào)節(jié)閥7經(jīng)過加速噴嘴A4，獲得高速氣流，進入圓柱罐體3，該氣流經(jīng)過待粉碎的二氧化鈦粉末5時會攜帶大量二氧化鈦粉末，在圓柱罐體3內(nèi)形成大量的二氧化鈦粉末與氣體的混合物；在氣流的帶動下，待粉碎的二氧化鈦粉末與氣流混合物經(jīng)過沖擊裝置6時將與該裝置發(fā)生碰撞，發(fā)生團聚的二氧化鈦粉末由于撞擊和剪切作用將會被初步粉碎。初步?jīng)_擊粉碎后的二氧化鈦粉末從出口管道2排出后進入氣流粉碎及漩渦分離篩選裝置的入口管道B12經(jīng)超音速噴嘴B13加速達到超音速，在氣流加速過程中，氣流對二氧化鈦粉末的沖擊和剪切作用、二氧化鈦粉末之間以及二氧化鈦粉末和噴管內(nèi)壁之間發(fā)生的更強烈的碰撞都會使二氧化鈦粉末進一步粉碎，由于噴嘴與分離腔的半徑成一銳角，故二氧化鈦粉末會在由噴嘴噴射出高速的氣流帶動下，二氧化鈦粉末間、二氧化鈦粉末與分離腔內(nèi)壁間產(chǎn)生相互沖擊、碰撞、摩擦而更充分粉碎；從圓周均布的三個超音速噴嘴B13流出的二氧化鈦粉末和氣流混合物進入一級氣流粉碎和漩渦分離腔11并在其內(nèi)形成強烈的漩渦同時整體向上移動，較大的二氧化鈦粉末由于離心作用會運動至一級氣流粉碎和漩渦分離腔11外側(cè)，當?shù)竭_一級氣流粉碎和漩渦分離腔11頂部時會沿回流入口 15進入回流通道10，然后通過回流出口 16再次回到一級氣流粉碎和漩渦分離腔11內(nèi)繼續(xù)參與氣流沖擊粉碎和分離篩選；較小的二氧化鈦粉末與空氣混合物經(jīng)過排出通道A14后經(jīng)過中轉(zhuǎn)通道18進入音速噴嘴C20進行第二次的加速和粉碎，二氧化鈦粉末從音速噴嘴C20流出口進入二級粉碎腔19內(nèi)做漩渦運動并進一步氣流粉碎，經(jīng)由排出管道21輸出到實驗位置。根據(jù)動態(tài)光散射原理和光子相關光譜技術，采用納米粒度儀對排出管道21排出的二氧化鈦粉末顆粒直徑分布進行分析的結(jié)果表明，顆粒直徑基本分布在100nm-300nm之間。納米固體粉末制備裝置制備得到的二氧化鈦粉末顆粒其直徑可以接近原生二氧化鈦粉末顆粒直徑，適用于高超聲速風洞PIV實驗。在高超聲速風洞噴管前端穩(wěn)定段設置二氧化鈦粉末示蹤粒子播撒入口，將排出通道B21與播撒入口相連接，待風洞流場穩(wěn)定后即可向風洞中播撒納米二氧化鈦粉末示蹤粒子。
權利要求1.納米級固體粉末制備裝置，其特征在于包括固體粉末與氣流混合及初步?jīng)_擊裝置和氣流粉碎及漩渦分離篩選裝置； 固體粉末與氣流混合及初步?jīng)_擊裝置包括圓柱罐體(3)、圓盤頂蓋(8)、入口管道A(I)和出口管道(2)，入口管道A(I)的末端帶有噴嘴⑷； 圓柱罐體⑶內(nèi)的底層裝有待粉碎的固體粉末(5);入口管道A(I)穿過圓盤頂蓋(8)后其上的噴嘴(4)進入到待粉碎的固體粉末(5)中；出口管道(2)的氣流入口部位位于待粉碎的固體粉末(5)的上方，出口管道(2)穿過圓盤頂蓋(8)，出口管道(2)的出口部位位于圓盤頂蓋(8)的上方； 圓柱罐體(3)和圓盤頂蓋(8)通過螺栓固定連接，并用O型銅圈進行密封；四個入口管道A(I)和三個出口管道⑵分布在圓盤頂蓋⑶上； 氣流粉碎及漩渦分離篩選裝置包括一級氣流粉碎和漩渦分離裝置和二級氣流粉碎裝置；一級氣流粉碎和漩渦分離裝置為帶有回流通道(10)的圓柱罐體(17)，其中心空腔為一級氣流粉碎和漩渦分離腔(11);入口管道B (12)從一級氣流粉碎和漩渦分離裝置的底部穿過回流通道(10)進入到一級氣流粉碎和漩渦分離腔(11)中，入口管道B (12)的末端帶有超音速噴嘴B(13);入口管道B(12)有三個，圓周均布在一級氣流粉碎和漩渦分離裝置的底部；在回流通道(10)頂部設置回流入口(15)，回流入口(15)均布在一級氣流粉碎和漩渦分離腔(11)的上部的側(cè)壁中，在回流通道(10)底部設置回流出口(16)，與三個超音速噴嘴B(13)均布在一級氣流粉碎和漩渦分離腔(11)的下部的側(cè)壁中； 一級氣流粉碎和漩渦分離腔(11)出口部分為固體粉末排出通道(14)，經(jīng)過粉碎和漩渦分離的固體粉末與氣流混合物由此排出進入一級氣流粉碎和漩渦分離裝置和二級氣流粉碎裝置之間的中轉(zhuǎn)通道(18)； 二級氣流粉碎裝置的上面部分為帶有支座的空心罐體(25)，其中心空腔為二級氣流粉碎腔(19)，二級氣流粉碎腔(19)的氣流入口為音速噴嘴C (20)，在二級氣流粉碎裝置側(cè)壁的頂端為排出通道B (21)，二級氣流粉碎裝置的下面部分為連接支座(22)； 一級氣流粉碎和漩渦分離裝置和二級氣流粉碎裝置是通過連接支座(22)使用螺栓固定連接，使用O型銅圈進行密封。
2.根據(jù)權利要求1所述的納米級固體粉末制備裝置，其特征在于在出口管道(2)上位于其出口部位和圓盤頂蓋(8)之間的部位安裝沖擊裝置￠)，沖擊裝置(6)包括外套(26)和內(nèi)芯(27);外套(26)為中空圓柱體，內(nèi)芯(27)為帶有底面的中空圓柱體，其中空部分為中心通道(32);外套(26)的內(nèi)表面和內(nèi)芯(27)的外表面之間有縫隙(30)，在內(nèi)芯(27)的底面上有入口(31);外套(26)和內(nèi)芯(27)固定連接；氣流與固體粉末混合物流經(jīng)沖擊裝置(6)時會與內(nèi)芯(27)的底面外表面發(fā)生撞擊，然后氣流與固體粉末混合物沿縫隙(30)流動，通過入口(31)進入到中心通道(32)，從中心通道(32)流出沖擊裝置￠)，最后從出口管道(2)的出口流出；出口管道(2)與外套(26)固定連接。
專利摘要本實用新型涉及納米級固體粉末的制備裝置，利用該裝置制備的固體粉末顆?？勺鳛楦叱曀倭Ｗ訄D像測速實驗的示蹤粒子，屬于航空航天實驗技術領域。包括固體粉末與氣流混合及初步?jīng)_擊裝置和氣流粉碎及漩渦分離篩選裝置；氣流粉碎及漩渦分離篩選裝置包括一級氣流粉碎和漩渦分離裝置和二級氣流粉碎裝置。本實用新型裝置成本低、穩(wěn)定可靠、工藝簡單；且為分塊、分級和局部循環(huán)的結(jié)構形式，輸入與輸出之間形成了完全封閉式的結(jié)構，保證攜帶示蹤粒子的氣流能夠穩(wěn)定和流暢的運行。
文檔編號B02C19/06GK202845136SQ2012205050
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權日2012年9月29日
發(fā)明者黃湛, 王宏偉, 陳丁, 郭孝國 申請人:中國航天空氣動力技術研究院