CN102175423A

CN102175423A - 高压调节阀内部迷宫流道可视化研究的装置及实验方法

Info

Publication number: CN102175423A
Application number: CN 201110031909
Authority: CN
Inventors: 王海民; 周裁民; 黄雄; 蒋旭平
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-09-07

Abstract

高压调节阀内部迷宫流道可视化研究装置，由水流量-压力调节系统、测试系统、粒子释放与回收装置、可视化迷宫流道、成像系统五部分组成；钢管一端浸入循环水池，另一端依次连接离心泵、涡轮流量计、进口压力表、粒子释放装置、可视化迷宫流道、出口压力表、流量调节阀，钢管末端与设置在循环水池上方的示踪粒子回收装置对接，循环水池内设置温度计。可视化迷宫流道水平放置，其上方水平放置高速摄像机，并在高速摄像机光圈前部安装了90°的反光镜。本发明运用高速摄影技术记录流场中示踪粒子的运动轨迹，可以获得流体在流道内流动的清晰图像，信息全面，不仅可以用于验证其他研究方法的可靠性，而且有利于进行流道结构优化设计。

Description

高压调节阀内部迷宫流道可视化研究的装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种利用高速摄影对高压调节阀内部迷宫流道进行可视化研究的装置及实验方法，属于流体动态测试技术领域。

背景技术

提高电厂煤炭利用效率的途径，主要是提高发电设备的蒸汽参数。随着科技的进步，煤电的蒸汽参数已经发展到超临界和高温超超临界。高压调节阀是锅炉给水泵再循环系统的重要流量控制设备，它的可靠运行将直接关系到整个机组的安全。高压调节阀在高温高压条件下节流降压时，极易产生闪蒸和汽蚀问题，并由此带来的噪音和振动等问题，一直是高压调节阀应用过程中难以解决的课题。闪蒸的发生使液体出现阻塞流，同时还造成汽液两相流，气体和液体同时流过阀芯和下游管道，造成冲刷，使阀芯产生外表面磨损。而汽蚀是流体通过调节阀节流时，缩流断面的静压降低到等于或者小于该流体在阀入口温度下的饱和蒸汽压时，部分液体汽化成气泡，继而静压又恢复到饱和蒸汽压之上，气泡破裂回复到液相的现象，这种气泡产生和破裂的全过程称为汽蚀。当气泡破灭时，会产生瞬时的高温和高压。气泡附近经过液体而辐射出的合成冲击波，其破坏力是相当大的。汽蚀的发生能对控制阀的阀芯产生更为严重的冲刷破坏，单纯靠提高阀芯、阀座材料的表面硬度是无法从根本上解决汽蚀问题的，必须改善调节阀内流体的流动状态。

而对高压调节阀最易汽蚀部件-迷宫式流道进行研究，探明流道中的流动特性，进而对流道的结构设计进行优化避免振动、噪声和冲蚀的出现，则是高压调节阀结构设计的关键。因此，建立一个完整的实验装置，利用高速摄影和流动显示技术相结合，对采集的流动图谱进行处理和分析，得到在不同压力和流量条件下流道内压力和速度分布，探明流道内易汽蚀部位，并对典型漩涡区进行整体效果分析，探讨流道结构的最佳匹配方案。为修正结构设计方案和数据，避免或减少振动、噪声和冲蚀，进一步优化调节阀的结构设计等方面具有十分重要的工程意义。

但是到目前为止，利用高速摄影对高压调节阀内部迷宫流道进行可视化研究的装置及实验方法，以及相关技术内容未见报道。

发明内容

本发明公开了一种利用高速摄影对高压调节阀内部迷宫流道可视化研究的装置及实验方法，其目的在于填补该项研究的空白，建立一个完整的实验装置，利用高速摄影和流动显示技术相结合，对采集的流动图谱进行处理和分析，得到在不同压力和流量条件下流道内压力和速度分布，探明流道内易汽蚀部位，并对典型漩涡区进行整体效果分析，探讨流道结构的最佳匹配方案。为修正结构设计方案和数据，避免或减少振动、噪声和冲蚀，进一步优化调节阀的结构设计等方面具有十分重要的工程意义。

一种高压调节阀内部迷宫流道可视化研究装置，由水流量-压力调节系统、测试系统、粒子释放与回收装置、可视化迷宫流道，成像系统五部分组成；

所述水流量-压力调节系统由多级离心泵、循环水池和流量调节阀组成；其中多级离心泵通过循环水提供测试流量并提高流体的压强，通过流量调节阀来根据测试工况需要进行流量和压力调节。

所述测试系统由进口压力表和出口压力表、涡轮流量计和用于测量温度的热电偶温度计组成；通过进口和出口的压力降来测量迷宫流道的降压性能，通过涡轮流量计来检测实验过程中的流量，利用热电偶温度计来测量流体的稳定，确定工作流体热物性参数。

所述粒子释放与回收装置由粒子释放装置、示踪粒子回收装置和示踪粒子组成；

所述成像系统由用于亮度照明的左镝灯，右镝灯，高速摄像机以及用于图像处理的电脑终端组成；

所述的可视化迷宫流道，是在迷宫式流道上方加盖钢化玻璃，钢化玻璃与流道本体之间由密封圈密封；

本发明装置整体结构如下：钢管一端浸入循环水池内，另一端依次连接离心泵、涡轮流量计、进口压力表、粒子释放装置、可视化迷宫流道、出口压力表、流量调节阀，钢管末端与设置在循环水池上方的示踪粒子回收装置对接，循环水池内设置温度计；

所述的可视化迷宫流道水平放置，在可视化迷宫流道的两边分别设置左镝灯和右镝灯，在可视化迷宫流道的上方水平放置高速摄像机，为了获得清晰的流动图谱，在高速摄像机光圈前部安装90°的反光镜。

所述的粒子释放装置包括粒子释放装置壳体，柱塞，密封圈，所述的粒子释放装置壳体内置空腔，柱塞与空腔内壁吻接，柱塞下部连接密封圈，粒子释放装置下端通过截止阀与钢管连接，示踪粒子与流体的混合物由密封圈封装在柱塞的下部。通过活塞的运动来改变其压力，从而使示踪粒子的压力高于管道内部压力，保证粒子的顺利释放。

所述的左镝灯和右镝灯，采用亮域照明方式，即将一只光源布置在另一光源的反射光线上，以避免光线直接反射入高速摄像机镜头。同时结合高速摄像机的成像效果，适当调整光路，将整个视场清晰地显示，并通过调节光源功率来控制光的照度以达到最佳的照明效果。

所述示踪粒子的直径为0.4mm，密度为1.04×10³kg/m³，以保证其在流动过程中与水具有很好的跟随性。

所述示踪粒子回收装置采用0.1mm标准筛对示踪粒子进行过滤，并加围栏防止示踪粒子进入循环水池。

所述的高压调节阀内部流道可视化研究装置的实验方法如下：

将高压调节阀内部迷宫流道按照一定比例进行放大后，通过测量迷宫式流道内示踪粒子的流动速度来反映流体的运动速度；

通过粒子释放装置中柱塞的上、下运动来改变示踪粒子的压力，使示踪粒子的压力高于管道内部压力并顺利进入流道；

通过调节光源功率来控制光的照度以达到最佳的照明效果。

由电脑终端内置软件触发高速摄像机的快门对示流道内踪粒子的运动进行摄像，图像的处理也是由电脑终端完成。

本发明对流道进行可视化处理，运用高速摄影技术记录流场中示踪粒子的运动轨迹，可以获得流体在流道内流动的清晰图像，记录的流场图像直观、信息全面，它可以用于流道内部各处的流场参数分析，采用本发明装置及实验方法获得的结果，不仅可以用于验证其他研究方法的可靠性，而且有利于进行流道结构优化设计。

附图说明

图1是本发明装置整体结构式意图；

图2是本发明中可视化迷宫流道一个串联流道模型的实物图片；

图3是本发明中可视化迷宫流道一个并联流道模型的实物图片；

图4是本发明中可视化迷宫流道的纵向剖视示意图；

图5是本发明中的粒子释放装置的结构示意图；

图6是高速摄像机记录的串联流道内部示踪粒子的瞬时位置；

图7是高速摄像机记录的并联流道内部示踪粒子的瞬时位置。

1、多级离心泵，2、电脑终端，3、涡轮流量计，4、进口压力表，5、粒子释放装置，6、左镝灯，7、高速摄像机，8、可视化迷宫流道，9、右镝灯，10、出口压力表，11、流量调节阀，12、循环水池，13、示踪粒子回收装置，14、温度计，15、钢化玻璃，16、密封圈，17、迷宫式流道，18、流道本体，19、粒子释放装置壳体，20、柱塞，21、密封圈。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示：利用高速摄影对高压调节阀内部流道可视化研究的装置，钢管一端浸入循环水池12内，另一端依次连接多级离心泵1、涡轮流量计3、进口压力表4、粒子释放装置5、可视化迷宫流道8、出口压力表10、流量调节阀11，钢管末端与设置在循环水池12上方的示踪粒子回收装置13对接；循环水池12内设置温度计14。

如图4所示：可视化迷宫流道8，是在迷宫式流道17上方加盖钢化玻璃15，钢化玻璃与流道本体18之间由密封圈16密封。

如图5所示：粒子释放装置5包括粒子释放装置壳体19，柱塞20，密封圈21，所述的粒子释放装置壳体19内设置空腔，柱塞20与空腔内壁吻接，柱塞下部连接密封圈21，粒子释放装置下端通过截止阀与钢管连接，示踪粒子与流体的混合物由密封圈21封装在柱塞20的下部。

本实施例的迷宫式流道17分别采用串联模型如图2所示，和并联模型如图3所示。

具体实验方法如下：

1)由于实际流道十分狭小，不便于研究和分析。本发明将高压调节阀中的一个迷宫流道按照一定的比例进行放大，以便得到较宽的流场，然后对其进行可视化处理，在表面覆盖透明钢化玻璃15(见图2和图3)，形成可视化迷宫流道8，根据工况确定流道进口的流量及压力范围。

2)根据可视化迷宫流道8的安装位置，布置成像系统，调整左镝灯6和右镝灯9的方向和角度，通过侧光和补光的照明方式，并将一光源尽量布置在另一光源的反射光线上，以避免光线直接反射入高速摄像机镜头。同时结合高速摄像机的成像效果，适当调整光路，将整个视场清晰地显示，并通过调节光源功率来控制光的照度以达到最佳的照明效果。

3)安装高速摄像机7，调整好光圈，设定拍摄速度和曝光时间等参数，确保采集的图像清晰，并将图像传输到计算机终端。对于各个流速工况，其拍摄速度和曝光时间见表1和表2.

表1 流道全流场摄像参数

表2 流道局部流场摄像参数

4)全开流量调节阀11，启动多级离心泵1，当进口压力表4、出口压力表10以及涡轮流量计3显示的读数稳定后，给粒子释放装置5加压，按要求释放粒子的数量和速度，然后通过电脑终端2触发高速摄像机7的快门，开始图像采集。示踪粒子经示踪粒子回收装置13回收，循环水流入循环水池12，记录进口压力表4、出口压力表10以及涡轮流量计3显示的读数，并记录温度计14的读数，用于计算水的密度和粘性系数。

5)依照上述步骤，得到流道中粒子在某一瞬时的空间位置，串联流道内部示踪粒子的瞬时位置如图6所示，并联流道内部示踪粒子的瞬时位置如图7所示。

6)根据高速摄像机7所采集的图谱分析流道内流场的速度分布和压力分布。

逐渐减小流量调节阀的开度，重复上述步骤3)，可以得到在全流量范围内的流场分布特性。

实验证明：本发明对迷宫流道进行可视化处理，运用高速摄影技术记录流场中示踪粒子的运动轨迹，可以获得流体在流道内流动的清晰图像，记录的流场图像直观、信息全面，它可以用于流道内部各处的流场参数分析，采用本发明装置及实验方法获得的结果，不仅可以用于验证其他研究方法的可靠性，而且有利于进行流道结构优化设计。

Claims

1.一种高压调节阀内部迷宫流道可视化研究装置，其特征在于：由水流量-压力调节系统、测试系统、粒子释放与回收装置、可视化迷宫流道、成像系统五部分组成；

A)所述水流量-压力调节系统由多级离心泵(1)、循环水池(12)和流量调节阀(11)组成；

B)所述测试系统由进口压力表(4)和出口压力表(10)，涡轮流量计(3)和用于测量温度的热电偶温度计(14)组成；

C)所述粒子释放与回收装置由粒子释放装置(5)、示踪粒子回收装置(13)和示踪粒子组成；

D)所述的可视化迷宫流道(8)，是在迷宫式流道(17)上方加盖钢化玻璃(15)，钢化玻璃与流道本体(18)之间由密封圈(16)密封；

E)所述成像系统由左镝灯(6)，右镝灯(9)，高速摄像机(7)，以及用于图像处理的电脑终端(2)组成；

F)钢管一端浸入循环水池(12)内，另一端依次连接多级离心泵(1)、涡轮流量计(3)、进口压力表(4)、粒子释放装置(5)、可视化迷宫流道(8)、出口压力表(10)、流量调节阀(11)，钢管末端与设置在循环水池(12)上方的示踪粒子回收装置(13)对接；循环水池(12)内设置温度计(14)；

G)所述的可视化迷宫流道(8)水平放置，在可视化迷宫流道(8)的两边分别设置左镝灯(6)和右镝灯(9)，在可视化迷宫流道(8)的上方水平放置高速摄像机(7)，并在高速摄像机光圈前部安装90°的反光镜。

2.根据权利要求1所述的高压调节阀内部迷宫流道可视化研究装置，其特征在于：所述的粒子释放装置(5)包括粒子释放装置壳体(19)，柱塞(20)，密封圈(21)，所述的粒子释放装置壳体(19)内设置空腔，柱塞(20)与空腔内壁吻接，柱塞下部连接密封圈(21)，粒子释放装置(5)下端通过截止阀与钢管连接，示踪粒子与流体的混合物由密封圈(21)封装在柱塞的下部。

3.根据权利要求1所述的高压调节阀内部迷宫流道可视化研究装置，其特征在于：所述的左镝灯(6)和右镝灯(9)，采用亮域照明方式，即将一光源布置在另一光源的反射光线上。

4.根据权利要求1所述的高压调节阀内部迷宫流道可视化研究装置，其特征在于：所述示踪粒子回收装置(13)采用0.1mm标准筛对示踪粒子进行过滤，并加围栏。

5.根据权利要求1或2所述的高压调节阀内部迷宫流道可视化研究装置，其特征在于：所述示踪粒子的直径为0.4mm，密度为1.04×10³kg/m³，以保证示踪粒子在流动过程中与水具有很好的跟随性。

6.根据权利要求1所述的高压调节阀内部迷宫流道可视化研究装置的实验方法，其特征在于：

H)将高压调节阀内部迷宫流道按比例进行放大，得到迷宫式流道(17)，通过测量迷宫式流道(17)内示踪粒子的流动速度来反映流体的运动速度；

I)通过粒子释放装置中柱塞(20)的上、下运动来改变示踪粒子的压力，使示踪粒子的压力高于管道内部压力并顺利进入流道；

J)通过调节光源功率来控制光的照度以达到最佳的照明效果；

K)由电脑终端(2)内置软件触发高速摄像机(7)的快门，对示流道内踪粒子的运动进行摄像，图像的处理也是由电脑终端(2)完成。