CN100389442C - 小型化的自循环空化机理实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化的自循环空化机理实验仪。它具有自循环供水箱、在自循环供水箱内设有潜水泵，自循环供水箱上布置流道显示柜，流道显示柜内设有文氏型空化显示流道、渐缩空化显示流道、矩形闸门槽空化显示流道、流线型闸门槽空化流动显示流道，各流道上部设有排气阀，潜水泵出水口通过多个上水管分别连接流道显示柜内各流道，上水管上设置流量调节阀，流道显示柜尾部设置下水管连接自循环供水箱，渐缩空化显示流道缩窄处设有测压点，测压点与空化杯上的管嘴用连通管连接，空化杯上的另一个管嘴与真空表用连通管连接，空化杯顶部装有连接短管。本发明结构简单，能耗低，操作简便直观，易于掌握，且适合于现代教学要求。

Description

小型化的自循环空化机理实验仪

技术领域

本发明涉及教学实验仪器，尤其涉及一种小型化的自循环空化机理实验仪。

背景技术

在液体流动的局部地区，或由于流速过高，或边界层分离，均会导致压强降低，以致于降低到液流内部出现气体(或蒸气)空泡或空穴，这种现象称为空化(也叫气穴)。空化现象发生以后，由于其空穴里不是液体而是气体，这就破坏了液流连续性的前提，空化区的压强变化不再服从一般的能量定律。空化机理实验仪是专门用于演示空化机理现象的实验仪器。

传统的空化实验需用减压箱或循环水槽等大型设备。为此需建造近百平方米的楼房，其电功率在50KW以上。这种装置一般均为生产科研专设，不适于教学实验。用于实验演示教学存在着一定弊端：其一，基础设施建设工程庞大，占地面积动辄数百上千平米，投入巨大；其二，设备庞大由此带来的设备运行维护也复杂，运行成本也较高；其三，设备庞大，工作噪声大，对周围环境产生噪声污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种小型化的自循环空化机理实验仪。

一种小型化的自循环空化机理实验仪，其特征在于它具有自循环供水箱、在自循环供水箱内设有潜水泵，自循环供水箱上布置流道显示柜，流道显示柜内设有文氏型空化显示流道、渐缩空化显示流道、矩形闸门槽空化显示流道、流线型闸门槽空化流动显示流道，各流道上部设有排气阀，潜水泵出水口通过多个上水管分别连接流道显示柜内各流道，上水管上设置流量调节阀，流道显示柜尾部设置下水管连接自循环供水箱，渐缩空化显示流道缩窄处设有测压点，测压点与空化杯上的管嘴用连通管连接，空化杯上的另一个管嘴与真空表用连通管连接，空化杯顶部装有连接短管。

本发明的优点：

1)一改以往系统庞大的作法，专门针对教学设计，将其整个实验系统缩小简化，免去了专门实验建设用地；

2)操作简便直观，易于掌握，且适合于现代教学要求；

3)采用了小型独立自循环供水系统，其用电功率仅为几百瓦，且可重复利用实验水体，故极大地节约水和电力资源。

附图说明

附图是自循环空化机理实验仪结构示意图。

具体实施方式

小型化的自循环空化机理实验仪具有自循环供水箱11、在自循环供水箱11内设有潜水泵14，自循环供水箱11上布置流道显示柜5，流道显示柜5内设有文氏型空化显示流道1、渐缩空化显示流道2、矩形闸门槽空化显示流道3、流线型闸门槽空化流动显示流道4，各流道上部设有排气阀12，潜水泵14出水口通过多个上水管分别连接流道显示柜5内各流道，上水管上设置流量调节阀10，流道显示柜5尾部设置下水管连接自循环供水箱11，渐缩空化显示流道2缩窄处设有测压点6，测压点6与空化杯9上的管嘴8用连通管连接，空化杯9上的另一个管嘴8与真空表13用连通管连接，空化杯9顶部装有连接短管7。

本发明的工作过程是：启动空化机理实验仪，自循环供水箱内水体经潜水泵提压通过多个上水管分别进入流道显示柜内文氏型空化显示流道、渐缩空化显示流道、矩形闸门槽空化显示流道、流线型闸门槽空化流动显示流道四个流道，再经四个流道两侧的下水管回到自循环供水箱。高速水流经过各流到缩窄处时，造成相当大真空，其真空度可由连接渐缩空化显示流道喉颈处测压点的真空表读出。根据流道形状不同分别形成游移型、边界分离型和漩涡型等三种空化。

实验内容

本仪器可用以演示空化发生原理、典型工程空化现象、流道体型对空化的影响以及初生空穴数的定量量测等。

1、空化现象的演示

在四个流道的三个阀门全开的条件下启动水泵，可看到在文氏型空化显示流道、渐缩空化显示流道的喉部和矩形闸门槽空化显示流道流道的闸门槽处出现乳白色雾状空化云，这就是空化现象，同时还可听到由空化区发生的空化噪声。根据仪器显示的空化区域分析可知，容易发生空化的部位是：高速液流边界突变的流动分离处，如水利工程中的深孔进口、溢流坝面、闸门槽、分叉管、施工不平整处，及动力机械中的水轮机、涡轮机、水泵和螺旋桨叶片的背面以及鱼雷的尾部等。

2、空化机理

流动液体(以水为例)在标准大气压下，当温度升到100℃，沸腾时水体内所产生大小不一的气泡，就是空化。相应此时温度(100℃)，水的蒸汽压强(标准大气压)被称为汽化压强(p_v)，这种现象亦可在水温不高，压强较低时得以发生。

本仪器可清晰演示此现象的发生。先向空化杯中注入半杯温水(水温40℃左右)，压紧橡皮塞盖，然后与管嘴(杯两侧各1只)接通。在喉管负压作用下，空化杯内的空气被吸出，真空表读数随之增大。当真空度接近(-10)m水柱时，杯中水就开始沸腾。这是常温水在低压下发生空化的现象。改变杯中水温，汽化压强(p_v)也各不相同。不同水温的p_v值如下表所列。

表1 水的汽化压强

水温(℃)	100	90	80	70	60	50
							汽化压强p<sub>v</sub>(KPa)	101.33	70.10	47.34	31.16	19.92	12.16
p<sub>v</sub>/γ(m水柱)	10.33	7.15	4.83	3.18	2.03	1.24
							水温(℃)	40	30	20	10	5	0
汽化压强p<sub>v</sub>(KPa)	7.38	4.24	2.34	1.18	0.88	0.59
							p<sub>v</sub>/γ(m水柱)	0.75	0.43	0.24	0.12	0.09	0.06

空化形成的原因，可用“气核理论”说明。该理论认为，常压下的普通水里总含有气体，以肉眼察觉不到的微核状态存在于水体。这种微核称作气核，直径大约在10^-5～10^-6cm。当压强降到一定程度时，气核就膨胀、积聚组成空泡。可用实验验证气核的存在。启动实验仪，使之出现空化云，注意观测流经空化区的水体。在空化区前不见水中气核，而流经空化区后，则可见水中出现许多小气泡。这些气泡就是水体流经空化区时，由其所挟带的气核积聚而成。

从以上观察分析可知，气核的存在是形成空化的基础，负压的出现是产生空化的条件。

3、空穴数的量测

工程上，常以下列无量纲参数σ，作为衡量实际水流是否发生空化的指标：

$\mathrm{\σ}=\frac{p_0-p_v}{\mathrm{\ρ}{u}_0^2/2}=\frac{(p_0-p_v)/\mathrm{\γ}}{u_0^2/2g}$

式中，p₀、u₀分别为测点上游未受扰动的压强(绝对)和流速；p_v为液体的汽化压强。

当流道某处σ低至某值σ₀时开始发生空化(σ₀称为初生空穴数或临界空穴数)。σ₀随边界条件而异。

本仪器可测定σ₀，其量测方法，以渐缩空化显示流道为例说明如下：

首先在停机时，接长渐缩空化显示流道软管，使之可将出水口移至箱外，以便量测流量用。然后，全关阀，启动水泵，渐开流道阀门，真空表读数随之增大，同时表针摆动加剧(表明脉压增强)，当真空增至一定值时，喉道开始出现时隐时现的空泡，这就是初生空化。初生空化亦可借助空化发出的噪声加以判别，空化初生时可听到气泡爆裂发出的细小噪声。

量得初生空化时的有关物理量就可计得σ₀，包括流道的下泄流量Q₀，及喉道真空表读数p₀(相对压强)。

例，本仪器渐缩空化显示流道喉部过水断面面积A’＝0.6cm×0.4cm，侧收缩系数ε＝0.95，实际过流面积A＝0.228cm²，实测Q₀＝335cm³/s，p₀/γ＝-6.73m及其水温29℃(p_v/γ＝0.408m水柱)，于是有：

${\mathrm{\σ}}_0=\frac{(p_0+p_a-p_v)/\mathrm{\γ}}{{(Q/A)}^2/2g}=\frac{3.192\×100}{1101}\≈0.3$

即实测临界空穴数为0.3。本仪器渐缩空化显示流道实际最大真空度可达10m水柱，流速高达18.8m/s。在3个阀门全开时，测得最小空穴数可达σ_min＝-0.004。因σ_min＜＜σ₀，故产生强烈空化。

成果分析

1、流道体型对空化的影响

这种影响可从文氏型空化显示流道、渐缩空化显示流道的空化对比看出。在阀门开关相同的条件下，文氏型空化显示流道的空化比渐缩空化显示流道严重。表明前者初生空化数大于后者。

这也可从两种体型闸槽的空化看出，矩形闸门槽空化显示流道、流线型闸门槽空化流动显示流道分别设有矩形槽和下游具有斜坡的流线形槽。实验表明，在同等流量条件下，前者空化程度大于后者。正如国内一些单位对门槽所做空蚀试验研究表明的那样，矩形槽的初生空穴数σ_c1＝2.0，而下游1∶2边坡的流线化门槽，其初生空穴数σ_c2＝0.6。流线化门槽前流速即使高达25m/s，断面压强水头30m时，仍能防止空蚀破坏。

由此可知，流道体型对空化影响极大，是引发空化的重要条件之一。在高速流条件下，有时溢流坝面残留的钢筋头，就可造成坝面大面积的空蚀破坏。因此，为防止空化发生，应使坝面尽量光滑平整，流道体型尽量流线型化。

2、空化管节流装置原理的演示

应指出的是，空化不仅有有害的一面，亦具有可利用的一面。空化管节流装置就是一例。液体火箭发动机的液体燃料供应，要求不受大气压波动的影响。换言之，火箭即使在太空中，其背压比地面低于一个大气压的情况下，仍要求燃料供应量保持不变。为此，在火箭发动机输液管中，设有一种文氏空化管的节流装置，用以实现恒定量供给燃料的要求。本仪器可演示此工作原理。方法是，在3个阀门全开时，测出两种尾水位下渐缩空化显示流道的出流量：一是抬高尾水位(尾压增高)，以空化云不消退为限(例实测得426cm³/s)；二是降低尾水位(尾压降低)落差1m，再测出流量(例实测得为430cm³/s)。两者几乎相等。表明尾压变化不影响空化管过流能力。其原因在于：文氏管喉部产生了高度空化，压强接近绝对真空。空化破坏了液流的连续性，能量方程在此已不适用。这时，即使尾部背压再降低，喉部压强也不可能再降(因已接近绝对真空)。因而，此时喉道过流量完全取决于喉道前压强(供压)。若供压恒定，即使尾压有变，流量仍恒定。

空化管在其它领域亦有广泛的应用。例如，制冷液体在压缩机驱动下高速流过文氏管时，因压力骤降而发生空化，由液态变为气态。液体汽化时需从周围吸取大量热能，从而达到制冷效果。之后，压缩机再把气体压缩成液体，并释放出大量热，通过散热片排至大气，从而完成了热量交换。

Claims (1)

1.一种小型化的自循环空化机理实验仪，其特征在于它具有自循环供水箱(11)、在自循环供水箱(11)内设有潜水泵(14)，自循环供水箱(11)上布置流道显示柜(5)，流道显示柜(5)内设有文氏型空化显示流道(1)、渐缩空化显示流道(2)、矩形闸门槽空化显示流道(3)、流线型闸门槽空化流动显示流道(4)，流道显示柜(5)上部设有排气阀(12)，潜水泵(14)出水口通过多个上水管分别连接流道显示柜(5)内各流道，上水管上设置流量调节阀(10)，流道显示柜(5)尾部设置下水管连接自循环供水箱(11)，渐缩空化显示流道(2)缩窄处设有测压点(6)，测压点(6)与空化杯(9)上的管嘴(8)用连通管连接，空化杯(9)上的另一个管嘴(8)与真空表(13)用连通管连接，空化杯(9)顶部装有连接短管(7)。