CN108387363A - 一种水流空泡试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水流空泡试验系统，其特征在于，包括：一段流体通道，流体通道上具有一段观察段，观察段上相对的左右两侧设置有透明材料制得的可视化窗口；设置于观察段一侧的可视化窗口外侧的光源；高速摄像系统；空化噪声监测系统和同步控制系统，同步控制系统包括一台分别和摄像用电脑以及监测用电脑相连的同步器。本发明能够直观显示并准确确定出流水中空泡的发生和衍变以及溃灭全过程中各时刻的空泡位置和衍变状态，以显示并研究空泡的发展变化过程。同时还可以很好地模拟空泡产生实际环境情况，以更好地将研究对象和具体应用实际情况相结合，使其更加实用。具有可行性好，精确度较高，实用性强的优点。

Description

一种水流空泡试验系统

技术领域

本发明涉及泄洪消能水力学领域，具体涉及一种水流空泡试验系统。

背景技术

空蚀现象，是指高速水流通过泄水建筑物时造成局部固体表面被剥蚀破坏。固体表面在水流中受到空化冲击作用是造成空蚀破坏的主要原因，所以在泄水建筑物的研究和设计中都尽量避免产生空化。

已有原型观测结果显示，发生空化的水流未对泄水建筑物造成剥蚀破坏，证明空化现象的产生未必一定会导致空蚀破坏。高速湍流流场动水荷载脉动大，直接影响空泡的发展变化过程、溃灭位置、溃灭方式以及造成破坏的程度等。深入认识空泡在高速流场中的发展变化规律和空泡间的相互作用关系，有利于揭示避免发生空蚀破坏的临界条件，对泄洪消能建筑物等工程的安全运行及设计提供有利的建议。

目前空泡的研究方法主要有两种：其一是采用高速摄像机拍摄静水空泡的溃灭过程或监测流场中的固定空化现象，主要用于研究空化水流中的可见空泡（群），无法发现初生空化状态下水流中的空泡，难以观测流场中的游离空泡；其二是采用空化噪声监测系统，通过监测和分析空化噪声的频域范围，准确判断空化发生，但难以反映水流的实时空化状态，更加无法定位空泡（群）进行可视化研究。

所以，现有的空泡研究方法，无法及时、准确地监测到空化的发生和变化发展情况；而且现有研究方法中，空泡一般依靠采用超声波、电火花等方法激发产生并用于研究，这样和空泡产生实际情况不符，故研究结果往往沦为纯粹的学术研究，难以反馈应用到泄水建筑建设。

故如何设计一种既能够及时、准确地监测到空化的发生，又能够实时观测到不同状态下空泡（群）的发展变化过程，同时具有可行性好，精确度较高特点，能够模拟空泡发生实际情况，以提高研究真实性和可应用性的高速水流场空泡监测试验技术，成为本领域相关科学问题亟待研究的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明首要考虑解决的技术问题是：怎样提供一种能够及时、准确地监测到空化的发生，又能够实时观测到不同状态下空泡（群）的发展变化过程，同时具有可行性好，精确度较高特点的水流空泡试验系统；并进一步使其具有能够模拟空泡实际发生情况，以提高研究真实性和可应用性等特点；能够更好地为研究高速流场中的空泡（群）的运动规律和作用机理提供科学依据。

为了解决上述技术问题，本发明采用了以下的技术方案：方案中描述以流体前行方向为前方，相反方向为后方。

一种水流空泡试验系统，其特征在于，包括：

一段流体通道，流体通道上具有一段观察段，观察段后方为进水端并具有空泡形成区域，观察段前方为出水端，观察段上相对的左右两侧设置有透明材料制得的可视化窗口；

光源，光源设置于观察段一侧的可视化窗口外侧；

高速摄像系统，高速摄像系统包括一个高速摄像机，高速摄像机设置于观察段另一侧的可视化窗口外侧且摄像头正对该可视化窗口设置，高速摄像机和一个摄像用电脑相连；

空化噪声监测系统，空化噪声监测系统包括一个用于采集流体通道观察段内部声音信号的水听器，水听器和一个监测用电脑相连；

同步控制系统，同步控制系统包括一台分别和摄像用电脑以及监测用电脑相连的同步器。

这样，本系统使用时，流体通道进水端连接水源进水在观察段内形成持续的水流，然后依靠空泡形成区域产生空泡，然后打开光源，依靠垂直于流动方向的高速摄像机拍摄实时图像传递到摄像用电脑，获得流体空化过程的连续图像；依靠水听器采集声音连续信号传递到监测用电脑获得流体空化噪声的时域过程曲线；同时依靠同步器控制使得获得的连续图像和流体空化噪声的时域过程曲线整合为同步数据。这样使其能够直观显示并准确确定出流水中空泡的发生和衍变以及溃灭全过程中各时刻的空泡位置和衍变状态。以显示并研究空泡的发展变化过程。

作为优化，观察段一侧位于可视化窗口前方相邻处固定设置有一个检测容器，检测容器一侧和观察段外壁贴合设置且内部盛装有水，所述水听器固定在检测容器内且水听器感应部分悬空设置于水中。

这样，使得水听器的设置自身能够更好地实现对声音的数据采集，又不会影响到空泡自身的形成和衍变，提高信号采集精度。

作为优化，空化噪声监测系统还包括一个和水听器相连的电荷放大器，以及一个和电荷放大器相连的数据采集器，数据采集器和监测用电脑相连。

这样依靠电荷放大器放大信号后，依靠数据采集器采集传递到电脑，更好地提高信号采集精度。

作为优化，所述光源包括呈竖向阵列设置于可视化窗口外侧的一组灯管，灯管外侧还设置有一面反光镜；反光镜上下和左右两侧分别和可视化窗口之间还搭接设置有遮光板。这样可以均匀补充观测区域的亮度，增强高速摄影系统拍摄效果；

作为优化，其中，观测段边墙可视化范围越大、窗口材质越均匀程度越高，获得的空泡信息越全面、图像清晰度越好，避免由于窗口造成不均匀折射，造成空泡图像形状扭曲。

作为优化，其中，放置水听器的容器宜采用透明材质，例如有机玻璃等，可以随时观察水听器的位置，避免其与固体边界接触，由于振动导致数据失效。

作为优化，光源采用可调节的无频闪灯管或同一规格灯管，选用材质均匀的白色遮光板，例如白色的亚克力板，最大程度的提供稳定、均匀的补充光源，辅助高速摄像系统在不同情况下获得清晰图像。灯管优选为led等冷光源光管，以最大程度降低对空泡衍变情况的干扰。

作为优化，所述流体通道进水端设置有相连的第一进水管道和第二进水管道，第一进水管道和第二进水管道上均设置有用于调节进水水速的增压泵，以及调节流量的控制阀。

这样，可以通过调节两个进水管道的水量和水速，模拟泄水建筑物由于不同的进水汇流情况而导致产生空泡的实际情况。更好地研究空泡的发生原理和衍变情况。

作为优化，所述流体通道上位于观察段的后方相邻处还设置有一个调节段，调节段上具有能够调节该段流体通道内腔横截面面积的调节机构。

这样，可以通过调节段调节流体通道内腔横截面积实现各种变化，模拟泄水建筑物由于过流面积变化而导致产生空泡的实际情况。更好地研究空泡的发生原理和衍变情况。

作为优化，所述调节机构包括位于流体通道侧面上的调节壁，调节壁为弹性材料制得且设置有中空夹层，中空夹层内填充设置有磁流变液，调节壁前后两端设置有电磁场发生器，电磁场发生器用于产生使磁流变液固化的磁场。

这样，当需要改变调节段内腔横截面面积时，先关闭电磁场发生器，采用对应的模具向内挤压调节壁，使得调节壁内侧表面向内凸起呈所需的形状，然后开启电磁场发生器，使得调节壁固化。这样即可方便快捷地让调节壁模拟出泄水建筑物变径位置实际内壁形状，以更好地研究空泡发生的原理和衍变情况。并使得研究对象和具体应用实际情况相结合，更好地将研究结果用于实际应用。

进一步地，调节段上下左右四侧均设置有调节机构。这样，可以更好地模拟泄水建筑物泄水通道内腔变径情况，更好地实现研究。

综上所述，本发明能够直观显示并准确确定出流水中空泡的发生和衍变以及溃灭全过程中各时刻的空泡位置和衍变状态，以显示并研究空泡的发展变化过程。同时还可以很好地模拟空泡产生实际环境情况，以更好地将研究对象和具体应用实际情况相结合，使其更加实用。具有可行性好，精确度较高，实用性强的优点。

附图说明

图1为本发明水流空泡试验系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细说明。

具体实施时，如图1所示：一种水流空泡试验系统，包括：

一段流体通道1，流体通道1上具有一段观察段，观察段后方为进水端并具有空泡形成区域，观察段前方为出水端2，观察段上相对的左右两侧设置有透明材料制得的可视化窗口8；

光源3，光源3设置于观察段一侧的可视化窗口外侧；

高速摄像系统，高速摄像系统包括一个高速摄像机4，高速摄像机4设置于观察段另一侧的可视化窗口外侧且摄像头正对该可视化窗口设置，高速摄像机4和一个摄像用电脑5相连；

空化噪声监测系统，空化噪声监测系统包括一个用于采集流体通道观察段内部声音信号的水听器6，水听器6和一个监测用电脑7相连；

同步控制系统，同步控制系统包括一台分别和摄像用电脑5以及监测用电脑7相连的同步器9。

这样，本系统使用时，流体通道进水端连接水源进水在观察段内形成持续的水流，然后依靠空泡形成区域产生空泡，然后打开光源，依靠垂直于流动方向的高速摄像机拍摄实时图像传递到摄像用电脑，获得流体空化过程的连续图像；依靠水听器采集声音连续信号传递到监测用电脑获得流体空化噪声的时域过程曲线；同时依靠同步器控制使得获得的连续图像和流体空化噪声的时域过程曲线整合为同步数据。这样使其能够直观显示并准确确定出流水中空泡的发生和衍变以及溃灭全过程中各时刻的空泡位置和衍变状态。以显示并研究空泡的发展变化过程。

其中，观察段一侧位于可视化窗口8前方相邻处固定设置有一个检测容器，检测容器一侧和观察段外壁贴合设置且内部盛装有水，所述水听器6固定在检测容器内且水听器感应部分悬空设置于水中。

这样，使得水听器的设置自身能够更好地实现对声音的数据采集，又不会影响到空泡自身的形成和衍变，提高信号采集精度。

其中，空化噪声监测系统还包括一个和水听器相连的电荷放大器10，以及一个和电荷放大器10相连的数据采集器11，数据采集器11和监测用电脑7相连。

这样依靠电荷放大器放大信号后，依靠数据采集器采集传递到电脑，更好地提高信号采集精度。

其中，所述光源3包括呈竖向阵列设置于可视化窗口外侧的一组灯管，灯管外侧还设置有一面反光镜12；反光镜12上下和左右两侧分别和可视化窗口之间还搭接设置有遮光板。这样可以均匀补充观测区域的亮度，增强高速摄影系统拍摄效果；

其中，观测段边墙可视化范围越大、窗口材质越均匀程度越高，获得的空泡信息越全面、图像清晰度越好，避免由于窗口造成不均匀折射，造成空泡图像形状扭曲。

其中，放置水听器6的容器宜采用透明材质，例如有机玻璃等，可以随时观察水听器的位置，避免其与固体边界接触，由于振动导致数据失效。

其中，光源3采用可调节的无频闪灯管或同一规格灯管，选用材质均匀的白色遮光板，例如白色的亚克力板，最大程度的提供稳定、均匀的补充光源，辅助高速摄像系统在不同情况下获得清晰图像。实施时，灯管优选为led等冷光源光管，以最大程度降低对空泡衍变情况的干扰。

其中，所述流体通道进水端设置有相连的第一进水管道13和第二进水管道14，第一进水管道和第二进水管道上均设置有用于调节进水水速的增压泵15，以及调节流量的控制阀16。

这样，可以通过调节两个进水管道的水量和水速，模拟泄水建筑物由于不同的进水汇流情况而导致产生空泡的实际情况。更好地研究空泡的发生原理和衍变情况。

其中，所述流体通道上位于观察段的后方相邻处还设置有一个调节段17，调节段17上具有能够调节该段流体通道内腔横截面面积的调节机构。

这样，可以通过调节段调节流体通道内腔横截面积实现各种变化，模拟泄水建筑物由于过流面积变化而导致产生空泡的实际情况。更好地研究空泡的发生原理和衍变情况。

其中，所述调节机构包括位于流体通道侧面上的调节壁18，调节壁18为弹性材料制得且设置有中空夹层，中空夹层内填充设置有磁流变液，调节壁18前后两端设置有电磁场发生器19，电磁场发生器19用于产生使磁流变液固化的磁场。

这样，当需要改变调节段内腔横截面面积时，先关闭电磁场发生器，采用对应的模具向内挤压调节壁，使得调节壁内侧表面向内凸起呈所需的形状，然后开启电磁场发生器，使得调节壁固化。这样即可方便快捷地让调节壁模拟出泄水建筑物变径位置实际内壁形状，以更好地研究空泡发生的原理和衍变情况。并使得研究对象和具体应用实际情况相结合，更好地将研究结果用于实际应用。

其中，调节段17上下左右四侧均设置有调节机构。这样，可以更好地模拟泄水建筑物泄水通道内腔变径情况，更好地实现研究。

Claims (10)

1.一种水流空泡试验系统，其特征在于，包括：

一段流体通道，流体通道上具有一段观察段，观察段后方为进水端并具有空泡形成区域，观察段前方为出水端，观察段上相对的左右两侧设置有透明材料制得的可视化窗口；

光源，光源设置于观察段一侧的可视化窗口外侧；

高速摄像系统，高速摄像系统包括一个高速摄像机，高速摄像机设置于观察段另一侧的可视化窗口外侧且摄像头正对该可视化窗口设置，高速摄像机和一个摄像用电脑相连；

空化噪声监测系统，空化噪声监测系统包括一个用于采集流体通道观察段内部声音信号的水听器，水听器和一个监测用电脑相连；

同步控制系统，同步控制系统包括一台分别和摄像用电脑以及监测用电脑相连的同步器。

2.根据权利要求1所述水流空泡试验系统，其特征在于，观察段一侧位于可视化窗口前方相邻处固定设置有一个检测容器，检测容器一侧和观察段外壁贴合设置且内部盛装有水，所述水听器固定在检测容器内且水听器感应部分悬空设置于水中。

3.根据权利要求2所述水流空泡试验系统，其特征在于，放置水听器的检测容器采用透明材质。

4.根据权利要求1所述水流空泡试验系统，其特征在于，空化噪声监测系统还包括一个和水听器相连的电荷放大器，以及一个和电荷放大器相连的数据采集器，数据采集器和监测用电脑相连。

5.根据权利要求1所述水流空泡试验系统，其特征在于，所述光源包括呈竖向阵列设置于可视化窗口外侧的一组灯管，灯管外侧还设置有一面反光镜；反光镜上下和左右两侧分别和可视化窗口之间还搭接设置有遮光板。

6.根据权利要求5所述水流空泡试验系统，其特征在于，光源采用可调节的无频闪灯管或同一规格灯管，遮光板采用材质均匀的白色遮光板。

7.根据权利要求1所述水流空泡试验系统，其特征在于，所述流体通道进水端设置有相连的第一进水管道和第二进水管道，第一进水管道和第二进水管道上均设置有用于调节进水水速的增压泵，以及调节流量的控制阀。

8.根据权利要求1所述水流空泡试验系统，其特征在于，所述流体通道上位于观察段的后方相邻处还设置有一个调节段，调节段上具有能够调节该段流体通道内腔横截面面积的调节机构。

9.根据权利要求8所述水流空泡试验系统，其特征在于，所述调节机构包括位于流体通道侧面上的调节壁，调节壁为弹性材料制得且设置有中空夹层，中空夹层内填充设置有磁流变液，调节壁前后两端设置有电磁场发生器，电磁场发生器用于产生使磁流变液固化的磁场。

10.根据权利要求8所述水流空泡试验系统，其特征在于，调节段上下左右四侧均设置有调节机构。