CN108801826A - 气蚀预测方法、气蚀预测设备和气蚀预测实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气蚀预测方法、气蚀预测设备和气蚀预测实验装置。本发明的预测方法包括以下步骤：接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。本发明的气蚀预测方法和设备能够对气蚀发生的时间和材料的损伤程度进行预测，并提供相对准确的预测结果。本发明的气蚀预测实验装置能够模拟真实环境对产品气蚀试验影响，对样品所受压力实时进行测试。

Description

气蚀预测方法、气蚀预测设备和气蚀预测实验装置

技术领域

本发明涉及一种气蚀预测方法、气蚀预测设备和一种气蚀预测实验装置。

背景技术

气蚀也称空蚀，是指当液体在与固体表面接触处的压力低于它的饱和蒸汽压力时，将在固体表面附近形成气泡。另外，溶解在液体中的气体也可能析出而形成气泡。随后，当气泡流动到液体压力超过气泡压力的地方时，气泡便溃灭，在溃灭瞬时产生极大的冲击力和高温。固体表面经受这种冲击力的多次反复作用，材料发生疲劳脱落，使表面出现小凹坑，进而发展成海绵状。严重的其实可在表面形成大片的凹坑，甚至穿孔。气蚀的程度以空蚀强度来衡量。气蚀强度常用单位时间内材料的减重、减容、穿孔数和表面粗糙度变化作为特征量。气蚀空化是以液体为介质的泵、水轮机、水泵水轮机以及螺旋桨等透平机械的两个特有流体力学问题之一。为了保证液体机械的正常运转，需要对空化和气蚀采取防护措施，除了提高液体机械本身的空化性能外，还需要对材料的抗空化气蚀性能进行研究。

现有技术中常采用超声波和孔板射流技术来测试材料的抗气蚀性能。2010年11月24日公开的中国实用新型专利CN201653872U，虽然在一定程度上，能够比较精确的控制各项试验参数，比较不同材料的抗气蚀性能。但仍然存在着如下不足：超声波不能模拟真实工作环境对产品的气蚀，如在高速液体流动的环境下，液体对材料气蚀性能的影响；还有超声波压力也不能进行精确控制调整，对样品在不同压力下的气蚀性能无法进行测试；因此其结果的可靠性和准确性存在不足，不能对气蚀的发生进行预测。

2016年5月4日公开的中国实用新型专利CN205580907U，虽然更加贴近实际，可同时进行不同材料的空蚀试验，对比不同材料的抗空蚀性能试验，并且操作容易、测量精度较高。但也仍然存在着如下不足：也不能完全模拟如在高速流体环境下的真实工作环境对产品的气蚀，以及液体和气泡对材料气蚀性能的影响；还有不能测试不同液体对材料气蚀性能的影响。不能实现对测试样品表面的实际所受压力的实时测试。而且，测试压力的调节范围很有限，不能实现高压下对材料气蚀性能的测量。因此其结果存在很大的局限性并且准确性还有不足，不能实现对气蚀的发生的预测。

发明内容

为了解决现有技术不能很好的对气蚀发生和材料的损伤程度进行预测的问题。本发明提供一种气蚀预测方法、气蚀预测设备和气蚀预测实验装置。本发明的实验装置能够模拟真实环境对产品气蚀试验影响，对样品所受压力实时进行测试；本发明的气蚀预测方法和设备能够提供相对准确的预测结果。

根据本发明的第一方面，提供了一种气蚀预测方法，用于高速流体环境下的气蚀预测，该方法包括如下步骤：接收步骤，接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；计算步骤，计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；建立步骤，根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；预测步骤，根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。

根据本发明的第二方面，提供一种气蚀预测设备，用于高速流体环境下的气蚀预测，包括如下模块：接收模块，用于接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；计算模块，用于计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；建立模块，用于根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；预测模块，用于根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。

根据本发明的第三方面，提供一种气蚀预测实验装置，用于实施气蚀预测方法，气蚀预测实验装置包括：主体，所述主体为两端开口的筒状结构；第一封盖和第二封盖，所述第一封盖与所述第二封盖通过紧固件分别相对的紧固于所述主体的两端开口处，所述主体与所述第一封盖、所述第二封盖共同形成用于测试的腔室；排水阀孔，设置在所述主体的表面上，排水阀通过所述排水阀孔插入到所述腔室中；高压水泵孔，设置在所述第一封盖的表面上，高压水泵喷嘴经由所述高压水泵孔插入到所述腔室中；样品座，用于放置测试样品，所述样品座经由所述第二封盖的表面上的样品座通孔，插入到所述腔室中；振动传感器，设置在所述样品座中，与所述样品贴合，用于获取所述样品的实时振动数据。

根据本发明的第四方面，还提供一种非易失性存储介质，该非易失性存储介质具有存储在其中的指令，当该指令被执行时，使得处理器执行气蚀预测方法，该指令包括：接收指令，接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；计算指令，计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；建立指令，根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；预测指令，根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。

根据本发明的第五方面，还提供一种设备，包括存储器，存储有计算机可执行指令，处理器，处理器被配置为执行指令以实施气蚀预测的过程，该过程包括：接收步骤，接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；计算步骤，计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；建立步骤，根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；预测步骤，根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。

附图说明

图1a示出了根据本发明实施例的气蚀预测实验装置的剖面简图。

图1b示出了根据本发明实施例的气蚀预测实验装置的俯视图。

图2示出了根据本发明实施例的气蚀预测实验装置的分解图。

图3示出了根据本发明实施例的气蚀预测方法的流程图。

图4示出了根据本发明实施例的气蚀发生过程中的振动图谱。

图5示出了根据本发明实施例的气蚀预测设备的模块图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1a-b和图2示出了用于实施气蚀预测方法的示例性的气蚀预测实验装置100，该装置包括主体110、第一封盖120、第二封盖130、腔室140、样品座150。主体110包括安全阀孔111、排水阀孔112、观察口113。第一封盖120包括高压水泵孔121，第二封盖130包括样品座通孔131。样品座150包括振动传感器151。

根据实施例，主体110为两端开口的筒状结构。为了在各种压力和液体环境中，预测样品材料的气蚀情况，主体110优选地使用高强度耐腐蚀材料，例如型号为3203、3205、3207的双向不锈钢。在一些实例中，主体110可以是外边长在10cm到20cm之间的立方体。

如图2所示，第一封盖120和第二封盖130通过紧固件分别相对的紧固于主体110的两端开口处，主体110与第一封盖120、第二封盖130共同形成用于测试的腔室140。该腔室140能够保证测试在密闭的环境中进行，不受外界因素的影响。

高压水泵喷嘴221经由第一封盖120表面上的高压水泵孔121插入到腔室140中。高压水泵喷嘴221可以向样品材料喷出多种压力的不同液体，在一些实例中，为了使测试接近实际使用工况，高压水泵喷嘴221可以喷出压力范围在5Mpa到40Mpa之间的各种液体。更加真实地模拟不同的高速流体及压力环境，使试验数据更为准确、可靠。

样品座150经由第二封盖130表面的样品座通孔131插入到腔室140中。在一些实例中，样品座150能够放置不大于8mm╳4mm的样品材料。在另一些实例中，样品座150通过旋动部件可以沿样品座150的轴向在腔室140内移动，以调整样品座150与高压水泵喷嘴221之间的距离。

如图2所示，振动传感器151被设置在样品座150中，当材料的样品252被放置在样品座150上时，振动传感器151位于样品252和样品座150之间，并与样品252贴合，如此，振动传感器151可以实时获取样品252的振动数据。

根据实施例，如图1b和图2所示，安全阀孔111和排水阀孔112相对的设置于主体110的两侧，安全阀211通过安全阀孔111插入到腔室140中，在一些实例中，安全阀211通过旋动介入到高压水泵喷嘴221和样品座150之间，这样可以在试验装置刚开启及停止时，保证没有达到设定压力的液体不会喷射到样品材料上，以确保实验数据的精确性和可靠性。

排水阀212通过排水阀孔112插入到腔室140中，排水阀212用于在高压水泵喷嘴221喷射液体时，排出腔体140中的废液，避免废液对实验数据产生影响。

优选地，在主体110另外相对的两侧表面设置有观察口113，高强度钢化玻璃通过紧固件紧固在观察口113上。在实验过程中，高速摄像机通过观察口113记录样品252发生气蚀的过程。高速摄像机的记录结果可与实验数据相互结合，这样不仅能够检验实验数据的准确性，还能够可视化的呈现损伤程度与实验数据的对应关系，提高气蚀预测的准确性。

图3示出了根据本发明一实施例的气蚀预测实验装置100所实施的气蚀预测方法300的流程图。

根据本发明的一个实施例，气蚀预测实验装置100中设定的高压水泵喷嘴221的喷射压力数据，以及喷射液体的性质数据在步骤S1中接收，喷射液体的性质数据包括但不限于，液体中关键物质的浓度、液体的属性等，例如液体中的盐分浓度，液体的离子种类等。喷射液体的性质数据能够精确地模拟产品实际工作中的各种液体环境，这样既有助于扩大实验装置和预测方法的应用领域，又能够为气蚀预测提供贴近实际的液体环境数据。

当达到设定压力的液体喷射到样品252上时，样品252产生的振动可以被振动传感器151实时地记录下，而这些实时振动数据同样在步骤S1中被接收。实时振动数据的作用在于，在气蚀发生的过程中，当材料受到损伤时，材料的刚度会发生改变，从而引起材料结构动力参数如振动频率的改变，因此振动频率幅值变化的大小可以反映材料的损伤程度。而且，在受到外力的时候，纵向振动是材料振动的主要表现形式，因此优选地，振动传感器接收的实时振动数据包括纵向振动数据，这样能够提高预测结果的精确性。下面参考图4具体描述纵向振动与气蚀的关系。

图4示出了根据本发明一实施例的振动传感器151实时地记录下来的纵向振动数据的振动图谱。通过对振动图谱波形的分析和记录，从而能够为预测气蚀发生及材料的损伤程度提供依据。具体而言，在一些实例中，如图4-①，在测试刚开始的阶段，当材料的样品252受到压力稳定的高速流体冲击时，振动图谱显示为稳定的纵向振动频率幅值。如果幅值有减小的变化，但之后又能回归到稳定的幅值，如图4-②所示，很可能是由于测试条件不稳定所造成。如图4-③所示，如果在测试过程中，纵向振动频率幅值突然减小，并且在减小后保持稳定，说明气蚀开始发生，并且材料的样品252也出现损伤。在测试持续的过程中，如图4-④所示，如果纵向振动频率幅值继续减小，说明样品252的损伤变得越来越大。

接着，回到图3的步骤S2，当在测试过程中，材料的样品252的纵向振动频率发生明显变化时，即如图4-③和图4-④所示，停止气蚀预测实验装置100，并将样品252取出，测量样品252的弹性模量，根据得到的弹性模量数据，计算弹性模量与材料的样品252的气蚀损伤程度的关系系数f，具体关系式为：

E＝f(p,l,t)D (1)

其中，E表示弹性模量，D表示损伤程度，p表示液体喷射压力，l表示液体的性质数据，t表示测试时间。这里，通过测量弹性模量能够提高预测关系的精度和可靠性。

而后，在步骤S3，由于一种材料的纵向振动频率幅值(Fa)与弹性模量(E)具有如下的关系：

其中，表示材料的变化系数。结合关系式(1)和(2)，可以建立纵向振动频率幅值(Fa)与材料的损伤程度(D)的关系：

即，根据关系式(3)，通过记录气蚀过程中，材料的纵向振动频率幅值的数据，建立气蚀发生，材料损伤程度与纵向振动图谱波形变化的预测关系模型。具体地，此预测关系根据材料的弹性模量下降与纵向振动频率幅值减小的关系，结合高速摄影机的图像数据以及对测试材料的真实损伤的观察，来预测材料发生气蚀的时间和气蚀对材料造成的损伤程度。

在步骤S4，根据步骤S3中获得预测关系(3)和已有的基本数据和材料的实时振动数据，预测材料发生气蚀的时间和材料的损伤程度。

根据本发明的一实施例，气蚀预测实验装置100可以在对同种材料的样品进行气蚀实验的同时，实施步骤S4，对样品的气蚀发生时间和损伤程度进行预测，并将预测结果同实验结果相对比，用于提高预测关系的准确性。

根据本发明的另一实施例，对于通过气蚀预测方法300确定预测关系的材料，只要获得该材料的产品所在真实工作环境中的基本数据和产品的实时振动数据，就能够根据步骤S4预测该产品发生气蚀的时间和材料相应的损伤程度。

图5是根据本发明示例性的实施例的用于高速流体环境下的气蚀预测的设备的示意图。设备500包括接收模块501，用于接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；计算模块502，用于计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；建立模块503，用于根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；预测模块504，用于根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。

需要说明的是，设备500的接收模块501、计算模块502、建立模块503和预测模块504可以被配置为用于执行方法300中相应的操作、动作以及过程，此处省略对这些操作、动作以及过程的描述。

进一步的，根据本发明的另一实施例，还提供一种非易失性存储介质，该非易失性存储介质具有存储在其中的指令，当该指令被执行时，使得处理器执行气蚀预测方法，该指令包括：接收指令，接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；计算指令，计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；建立指令，根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；预测指令，根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。

进一步的，根据本发明的另一实施例，还提供一种设备，包括存储器，存储有计算机可执行指令，处理器，处理器被配置为执行指令以实施气蚀预测的过程，该过程包括：接收步骤，接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；计算步骤，计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；建立步骤，根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；预测步骤，根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。

本文描述了一些实施例，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。当然，通过阅读前述描述，这些所述实施例的变型对于本领域普通技术人员将是显而易见的。本发明人预期技术人员会视情况采用这些变型，并且本发明人预期本发明能以不同于本文具体所述的方式实施。因而，本说明书和权利要求按照适用法律所允许的那样包括在所附权利要求书中所述主题的所有修改形式和等同形式。此外，本说明书和权利要求涵盖其所有可能变型中上述要素的任意组合，除非本文另外指明或上下文明显矛盾。

最后，应当理解，本文所公开的实施例是对本发明原理的示例。可采用的其他修改形式也在本发明的范围内。因此，以举例的方式而非限制，可根据本文的教导内容来利用另选构型。因此，本发明不限于明确所示和所述的内容。

Claims (14)

1.一种气蚀预测方法，用于高速流体环境下的气蚀预测，其特征在于，包括如下步骤：

接收步骤，接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；

计算步骤，计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；

建立步骤，根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；

预测步骤，根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。

2.根据权利要求1所述的气蚀预测方法，其特征在于，

所述振动数据包括表示材料振动的纵向振动数据。

3.根据权利要求2的所述气蚀预测方法，其特征在于，

所述基本数据包括：液体的喷射压力数据和所述液体的性质数据。

4.根据权利要求3所述的气蚀预测方法，其特征在于，

所述损伤程度与所述弹性模量的关系可以表示为：

E＝f(p,l,t)D

所述振动数据和所述损伤程度的所述预测关系为：

其中，f表示所述关系系数，E表示所述弹性模量，D表示所述损伤程度，Fa表示所述纵向振动数据，p表示所述喷射压力数据，l表示所述性质数据，和t表示时间。

5.一种气蚀预测设备，用于高速流体环境下的气蚀预测，其特征在于，包括如下模块：

接收模块，用于接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；

计算模块，用于计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；

建立模块，用于根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；

预测模块，用于根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。

6.根据权利要求5所述的气蚀预测设备，其特征在于，

所述振动数据包括表示材料振动的纵向振动数据。

7.根据权利要求6的所述气蚀预测设备，其特征在于，

所述基本数据包括：液体的喷射压力数据和所述液体的性质数据。

8.根据权利要求7所述的气蚀预测设备，其特征在于，

所述损伤程度与所述弹性模量的关系可以表示为：

E＝f(p,l,t)D

所述振动数据和所述损伤程度的所述预测关系为：

其中，f表示所述关系系数，E表示所述弹性模量，D表示所述损伤程度，Fa表示所述纵向振动数据，p表示所述喷射压力数据，l表示所述性质数据，和t表示时间。

9.一种气蚀预测实验装置，用于实施权利要求1所述的气蚀预测方法，其特征在于，所述气蚀预测实验装置包括：

主体，所述主体为两端开口的筒状结构；

第一封盖和第二封盖，所述第一封盖与所述第二封盖通过紧固件分别相对的紧固于所述主体的两端开口处，所述主体与所述第一封盖、所述第二封盖共同形成用于测试的腔室；

排水阀孔，设置在所述主体的表面上，排水阀通过所述排水阀孔插入到所述腔室中；

高压水泵孔，设置在所述第一封盖的表面上，高压水泵喷嘴经由所述高压水泵孔插入到所述腔室中；

样品座，用于放置测试样品，所述样品座经由所述第二封盖的表面上的样品座通孔，插入到所述腔室中；

振动传感器，设置在所述样品座中，与所述样品贴合，用于获取所述样品的实时振动数据。

10.根据权利要求9所述的气蚀预测实验装置，其特征在于，

所述主体的表面上设置有安全阀孔，所述安全阀孔与所述排水阀孔相对的设置于所述主体的两侧，安全阀通过所述安全阀孔插入到所述腔室中。

11.根据权利要求10所述的气蚀预测实验装置，其特征在于，

所述安全阀介于所述高压水泵喷嘴和所述样品座之间，可以在所述试验装置刚开启及停止时，保证没有达到设定压力的液体不会喷射到所述样品上。

12.根据权利要求9所述的气蚀预测实验装置，其特征在于，

所述主体的表面上还设置有观察口，所述观察口设置于所述主体的两侧，通过所述观察口在实验过程中对样品进行观察。

13.一种非易失性存储介质，该非易失性存储介质具有存储在其中的指令，当所述指令被执行时，使得处理器执行气蚀预测方法，所述指令包括：

接收指令，接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；

计算指令，计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；

建立指令，根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；

预测指令，根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。

14.一种设备，包括存储器，存储有计算机可执行指令，处理器，所述处理器被配置为执行所述指令以实施气蚀预测的过程，所述过程包括：

接收步骤，接收预测所需的基本数据和来自传感器的实时振动数据；

计算步骤，计算气蚀的损伤程度与材料的弹性模量的关系系数；

建立步骤，根据所述振动数据和所述弹性模量之间的物理关系，建立所述振动数据与所述损伤程度之间的预测关系；

预测步骤，根据所述预测关系，预测所述材料发生气蚀的时间和所述材料的损伤程度。