CN104504970B - 一种基于压力控制的小型空化实验装置 - Google Patents

一种基于压力控制的小型空化实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及空化实验及教学实验装置，尤其涉及一种基于压力控制的小型空化实验装置。属于流体机械工程、水利水电工程技术领域。该装置，总体分为四部分：工作罐部分、试验段部分、收集罐部分、辅助设备部分。工作罐的试验段入水口与涡轮流量计通过管路连接；试验控制阀通过管路与收集罐的入水口连接；工作罐的液体回流口与收集罐的出水口通过管路连接，管路上设置有回流控制阀；可视化试验段旁设有光源和连接计算机的高速摄像机用于采集图像；光源控制器与光源连接，用于控制光源的强度。该实验装置可以清晰观察到不同程度的空化现象，且设备简易、轻便，便于拆卸及搬运，占用空间小，节约实验用地，更便于教学使用。

Description

一种基于压力控制的小型空化实验装置
技术领域
本发明涉及空化实验及教学实验装置，尤其涉及一种基于压力控制的小型空化实验装置。属于流体机械工程、水利水电工程技术领域。
背景技术
温度一定的液体，当压力降低到液体饱和蒸汽压时，液体会产生汽化，同时溶解于液体中的气体析出，形成汽泡(又称空泡、空穴)，而当汽泡随水流运动到压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，汽泡溃灭。在液体流动的局部地区，或由于流速足够大、边界层分离等因素，导致压力变化，从而引起的液流内的空泡产生、发展、溃灭的过程，以及由此产生的一系列物理和化学变化称为空化。空泡的产生和发展，改变了流道内的速度分布，导致机器效率下降并引起振动，严重时会使机器完全不能正常工作。空泡溃灭过程如果发生在固体表面将会使其材料受到破坏。
传统的空化实验需要环形水槽等大型设备，占地面积很大，并且实验的设备及其他辅助装置很多，耗电量大，这样的实验设备比较适合于生产科研专用，并不适合小型实验及教学。这样的大型设备用于实验教学会产生以下几点不足：1、占地面积大，投入成本多；2、实验设备和实验构造复杂，如需进行其他实验，不方便更换试验段，且难以更换流动介质；3、设备多且大，使得维护方式复杂并且费用高；4、实验器材移动不便，给教学造成阻碍；5、使用过程中需要更多的资源并产生更多的噪音和废气污染。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，同时保证可以清晰观察到实验现象的问题，提供一种基于压力控制的小型空化实验装置。该装置在科研和教学中进行不同常温流体的空化流动展示，实现装配简易、设备轻便、便于移动和操作便捷的目的。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种基于压力控制的小型空化实验装置，总体分为四部分：工作罐部分、试验段部分、收集罐部分、辅助设备部分。
工作罐部分用于储存并提供实验液体；包括压力表、排水控制阀、工作罐、气体收集器，连接关系：工作罐上设置有压力表和气体收集器，工作罐下部开设有出水口、液体回流口与试验段入水口；工作罐通过气体收集器与大气连通，气体收集器可以防止工作罐内实验液体挥发污染环境，同时可以防止灰尘进入工作罐，卸下气体收集器后可从管道口加入实验液体。排水控制阀位于出水口处，用于排出实验液体。
试验段部分用于进行或停止实验且进行可视化观测；包括涡轮流量计、可视化试验段、试验控制阀，连接关系：涡轮流量计、可视化试验段与试验控制阀通过管道依次连接，可视化试验段可更换从而进行其他几何结构的空化实验。
所述可视化试验段采用透明材料；所述可视化试验段采用树脂玻璃；
收集罐部分用于暂时储存流经试验段部分的液体，实验完成后收集罐内液体将流回工作罐，通过真空泵减小收集罐内压力以实现实验液体的流动；包括：真空泵、空气控制阀、真空泵控制阀、压力表、收集罐、回流控制阀，连接关系：收集罐下部开设有出水口和入水口；收集罐上安装有压力表；收集罐通过管路与真空泵连接，管路上安装有真空泵控制阀；收集罐通过管路与大气连通，管路上安装有空气控制阀；
辅助设备部分对可视化试验段进行观测同时记录实验图像和数据，包括：涡轮流量计、光源控制器、光源、高速摄像机、计算机。
工作罐的试验段入水口与涡轮流量计通过管路连接；试验控制阀通过管路与收集罐的入水口连接；工作罐的液体回流口与收集罐的出水口通过管路连接，管路上设置有回流控制阀；可视化试验段旁设有光源和连接计算机的高速摄像机用于采集图像；光源控制器与光源连接，用于控制光源的强度。
具体工作过程如下：
实验前保证所有阀门均处于关闭状态，卸下气体收集器从管道口将实验液体注入工作罐内，工作罐通过气体收集器与大气连通以维持罐内压力恒定，工作罐装有压力表显示罐内压力；开启真空泵控制阀后，真空泵对收集罐内进行抽压，压力表显示收集罐内压力，真空泵将收集罐内的压力降到0.3个大气压以下后，真空泵控制阀关闭，真空泵停止工作，此时试验控制阀前后形成压力差；打开试验控制阀，实验随即开始，工作罐内的实验液体将经过试验段部分流向收集罐，并在可视化试验段喉口处发生空化现象，涡轮流量计测量液体来流流量，可视化试验段旁设有光源和连接计算机的高速摄像机用于采集图像；实验过程中试验控制阀前后的压力差逐渐减小，空化现象停止发生后即可关闭试验控制阀，收集罐安放在工作罐上方，用于收集实验液体，开启空气控制阀后收集罐与大气连通，开启回流控制阀，收集罐内的液体在重力作用下经回流控制阀流回工作罐，由此完成一次实验，关闭回流控制阀和空气控制阀后，可再次通过真空泵调节收集罐内的压力进行下一工况实验，并且可通过不同程度抽压进行多种工况实验，同时实现工作液体的循环使用。
若需要更换液体，工作罐下部出水口连接有管道及排水控制阀，打开排水控制阀，工作罐内液体(整个实验装置内的液体)即可排出，排水控制阀关闭后将气体收集器及管道拆下，即可装入新液体。
其他工作管道之间通过法兰实行连接。可视化试验段与管道亦为法兰连接，且布置空间小，拆卸方便，在进行其他空化管道实验时卸下本次所用试验段再安装其它实验段即可。
有益效果
1、本发明的一种基于压力控制的小型空化实验装置，不同于传统的空化实验设备，实验设备简易、轻便，便于拆卸及搬运，占用空间小，节约实验用地，更便于教学使用。
2、本发明的一种基于压力控制的小型空化实验装置，可应用不同类型的试验段，可以清晰观察到不同的空化现象。
3、本发明的一种基于压力控制的小型空化实验装置，它不需要连接水泵实现液体流动，只需要一个小型真空泵进行抽压，工作罐内的液体就可以在压差驱动下通过试验段最后流向收集罐。功率消耗降低及实验消耗液体量减少，液体可多次重复利用，节约资源，减少排放，并且可快速更换研究液体。
4、本发明的一种基于压力控制的小型空化实验装置，实验所需器材结构简单，不需过多精加工工件，构件少，维护方便，减少实验构造及维护成本；试验段法兰连接，更换方便，减少为更换试验段所消耗的不必要时间。
附图说明
图1为基于压力控制的小型空化实验装置示意图；
图2为工作罐部分主视示意图；
图3为工作罐部分三维示意图；
图4为试验段部分主视示意图；
图5为试验段部分三维示意图；
图6为可视化试验段尺寸示意图；
图7为收集罐部分主视示意图；
图8为收集罐部分三维示意图。
其中，1—压力表、2—排水控制阀、3—工作罐、4—气体收集器、5—涡轮流量计、6—光源控制器、7—光源、8—可视化试验段、9—试验控制阀、10—高速摄像机、11—计算机、12—真空泵、13—空气控制阀、14—真空泵控制阀、15—压力表、16—收集罐、17—回流控制阀。
具体实施方式
一种基于压力控制的小型空化实验装置，总体分为四部分：工作罐部分、试验段部分、收集罐部分、辅助设备部分。
工作罐部分，如图2所示，用于储存并提供实验液体；包括压力表1、排水控制阀2、工作罐3、气体收集器4，连接关系：工作罐3上设置有压力表1和气体收集器4，工作罐3下部开设有出水口、液体回流口与试验段入水口；排水控制阀2位于出水口处，用于排出实验液体。工作罐3通过气体收集器4与大气连通以维持罐内压力恒定，气体收集器4可以防止工作罐3内实验液体挥发污染环境，同时可以防止灰尘进入工作罐3，卸下气体收集器4后可从管道口加入实验液体。
试验段部分，如图4所示，用于进行或停止实验且进行可视化观测；包括涡轮流量计5、可视化试验段8、试验控制阀9，连接关系：涡轮流量计5、可视化试验段8与试验控制阀9通过管道依次连接。可视化试验段8可更换从而进行其他几何结构的空化实验，试验控制阀9，实现整个实验的开闭控制。
所述可视化试验段8采用透明材料；所述可视化试验段8采用树脂玻璃；
收集罐部分，如图7所示，用于暂时储存流经试验段部分的液体，实验完成后收集罐内液体将流回工作罐，通过真空泵减小收集罐内压力以实现实验液体的流动；包括：真空泵12、空气控制阀13、真空泵控制阀14、压力表15、收集罐16、回流控制阀17，连接关系：收集罐16下部开设有出水口和入水口；收集罐16上安装有压力表15；收集罐16通过管路与真空泵12连接，管路上安装有真空泵控制阀14；收集罐16通过管路与大气连通，管路上安装有空气控制阀13；收集罐16下部入水口通过管道连接试验控制阀9，下部出水口通过管路连接回流控制阀17；真空泵12可控制对收集罐16进行不同程度的抽压(保证收集罐16内的压力在0.3个大气压以下)以便进行多种工况实验，通过开启空气控制阀13可恢复收集罐16内压力，压力表15可测定并显示收集罐16内的压力。收集罐16安放在工作罐3上方，阶段性实验完成后，开启空气控制阀13，然后开启回流控制阀17，收集罐16内的液体在重力作用下流回工作罐3。
辅助设备部分，如图1所示，对可视化试验段8进行观测同时记录实验图像和数据，包括：涡轮流量计5、光源控制器6、光源7、高速摄像机10、计算机11。
工作罐3的试验段入水口与涡轮流量计5通过管路连接；试验控制阀9通过管路与收集罐16的入水口连接；工作罐3的液体回流口与收集罐16的出水口通过管路连接，管路上设置有回流控制阀17；可视化试验段8旁设有光源7和连接计算机11的高速摄像机10用于采集图像；光源控制器6与光源7连接，用于控制光源7的强度。
具体工作过程如下：
实验前保证所有阀门均处于关闭状态，卸下气体收集器4从管道口将实验液体注入工作罐3内，工作罐3通过气体收集器4与大气连通以维持罐内压力恒定，并装有压力表1显示罐内压力；开启真空泵控制阀14后，真空泵12对收集罐16内进行抽压，压力表15显示罐内压力，真空泵12将收集罐16内的压力降到0.2个大气压后，真空泵控制阀14关闭，真空泵12停止工作，此时试验控制阀9前后形成压力差；打开试验控制阀9，实验随即开始，工作罐3内的实验液体将经过可视化试验段8流向收集罐16，并在可视化试验段8喉口处发生空化现象，涡轮流量计5用以测量液体来流流量，可视化试验段8旁设有光源7和连接计算机11的高速摄像机10用于采集图像；实验过程中试验控制阀9前后的压力差逐渐减小，空化现象停止发生后即可关闭试验控制阀9，收集罐16安放在工作罐3上方，用于收集实验液体，开启空气控制阀13后收集罐16与大气连通，开启回流控制阀17，收集罐16内的液体在重力作用下经回流控制阀17流回工作罐3，由此完成一次实验，接下来可再次通过真空泵12调节收集罐16内的压力进行下一工况实验，并且可通过不同程度抽压进行多种工况实验，同时实现工作液体的循环使用。
若需要更换液体，工作罐3下部连接有管道及排水控制阀2，打开排水控制阀2，工作罐3内液体(整个实验装置内的液体)即可排出，关闭后将气体收集器4及管道拆下，即可装入新液体。
可视化试验段8与管道通过法兰连接，且布置空间小，拆卸方便，在进行其他空化管道实验时卸下本次可视化试验段8再安装其他试验段即可。

Claims (8)

1.一种基于压力控制的小型空化实验装置，其特征在于：由工作罐部分、试验段部分、收集罐部分、辅助设备部分四部分组成；
工作罐部分包括压力表(1)、排水控制阀(2)、工作罐(3)、气体收集器(4)，连接关系：工作罐(3)上设置有压力表(1)和气体收集器(4)，工作罐(3)下部开设有出水口、液体回流口与试验段入水口；卸下气体收集器(4)后可从管道口加入实验液体；排水控制阀(2)位于出水口处，用于排出实验液体；
试验段部分包括涡轮流量计(5)、可视化试验段(8)、试验控制阀(9)，连接关系：涡轮流量计(5)、可视化试验段(8)与试验控制阀(9)通过管道依次连接，可视化试验段(8)可更换从而进行其他几何结构的空化实验；
收集罐部分包括：真空泵(12)、空气控制阀(13)、真空泵控制阀(14)、压力表(15)、收集罐(16)、回流控制阀(17)，连接关系：收集罐(16)下部开设有出水口和入水口；收集罐(16)上安装有压力表(15)；收集罐(16)通过管路与真空泵(12)连接，管路上安装有真空泵控制阀(14)；收集罐(16)通过管路与大气连通，管路上安装有空气控制阀(13)；
辅助设备部分包括：涡轮流量计(5)、光源控制器(6)、光源(7)、高速摄像机(10)、计算机(11)；
工作罐(3)的试验段入水口与涡轮流量计(5)通过管路连接；试验控制阀(9)通过管路与收集罐(16)的入水口连接；工作罐(3)的液体回流口与收集罐(16)的出水口通过管路连接，管路上设置有回流控制阀(17)；可视化试验段(8)旁设有光源(7)和连接计算机(11)的高速摄像机(10)用于采集图像；光源控制器(6)与光源(7)连接，用于控制光源(7)的强度。
2.如权利要求1所述的一种基于压力控制的小型空化实验装置，其特征在于：所述可视化试验段(8)采用透明材料。
3.如权利要求1或2所述的一种基于压力控制的小型空化实验装置，其特征在于：所述可视化试验段(8)采用树脂玻璃。
4.如权利要求1所述的一种基于压力控制的小型空化实验装置，其特征在于：所述工作罐(3)下部出水口连接有管道及排水控制阀(2)，打开排水控制阀(2)，工作罐(3)内液体即可排出，排水控制阀(2)关闭后将气体收集器(4)及管道拆下，即可装入新液体。
5.如权利要求1所述的一种基于压力控制的小型空化实验装置，其特征在于：其他工作管道之间通过法兰实行连接。
6.如权利要求1所述的一种基于压力控制的小型空化实验装置，其特征在于：可视化试验段(8)与管道亦为法兰连接。
7.如权利要求1所述的一种基于压力控制的小型空化实验装置，其特征在于：通过工作罐(3)与收集罐(16)之间形成压差实现液体流动，通过试验控制阀(9)控制实验进行和停止。
8.如权利要求1所述的一种基于压力控制的小型空化实验装置，其特征在于：通过工作罐(3)与收集罐(16)之间压差的大小调节空化程度。
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