CN110726530A - 一种非定常流射流反推力的测试装置 - Google Patents

一种非定常流射流反推力的测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非定常流射流反推力的测试装置，涉及工程流体力学技术领域。本发明以非定常射流为研究对象，提供了一种非定常流射流反推力的测试装置，通过压力容器内无源高压气体推动高压水从喷嘴喷出，构建高压水非定常射流的流态环境，通过施加模拟负载并对压力容器内气压、水压以及射流反推力的实时检测，能够获得不同负载工况下非定常流射流反推力、气/液压力的动态演变化过程和技术参数，解决了非定常射流反推的试验难题，整个测试装置结构组成简单，测试过程容易实现。

Description

一种非定常流射流反推力的测试装置
技术领域
本发明涉及工程流体力学技术领域，具体涉及一种非定常流射流反推力的测试装置。
背景技术
当液体流动时，如果液体中任意一点的压力、速度和密度都不随时间而变化，则称液体流动为定常流动；反之，只要压力、速度和密度中有一个参数随时间变化，则液体的流动被称为非定常流动。当高压水通过喷嘴高速喷出时，在喷嘴处形成高速、高能、高穿透力的水束，即高压水射流束，目前高压水射流在工业清洗、机械切割、材料表面处理等领域已广泛获得应用。然而，目前对高压水射流的研究和应用多是以高压水定常射流流动为前提条件，即假设高压水经过喷嘴喷射时，认为任意一点处水的压力、速度和密度都是不随时间变化的，也就是说认为高压水射流是定常的，这与实际的高压水射流流态有一定差距，因为当高压动力源向喷嘴泵送高压水时，不可避免地存在流量脉动、节流压损和热胀冷缩等问题，即实际上高压水射流的流态通常是非定常的。截至目前，国内外众多学者对理想的定场流状态的水射流理论和试验研究较多，理论和技术发展也较为成熟，但是对于非定常水射流的理论研究较少，更鲜有相关试验研究的报道，这是因为非定常射流试验的难度较大，试验装置的研制也较为复杂，造成目前对非定常射流机理及能量损失的研究还不够深入。
有鉴于此，需要以非定常射流为研究对象，创建一种非定常流射流反推力的测试装置，为后续非定常射流的试验验证和工程应用提供支撑和参考。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何以非定常射流为研究对象，创建一种非定常流射流反推力的测试装置。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种非定常流射流反推力的测试装置，该装置以非定常射流为研究对象设计，用于输出高压水非定常流射流反推过程的技术参数。
优选地，所述装置包括螺柱1、导轨2、平板车3、滚轮4、传感器支座5、力传感器6、三脚架7、地脚螺栓8、触碰块9、充气阀10、气体管嘴11、气压传感器12、压力容器13、抱箍14、梯形架15、负载重块16、橡胶皮囊17、菌型阀18、紧固螺母19、液体管嘴20、阀块22、注水螺塞23、喷嘴24、第一O型橡胶圈25、高压大流量的电磁开关阀27、第二O型橡胶圈28、水压传感器29、控制器30和工控机31，其中：
所述导轨2通过螺柱1固定在地面上；平板车3放置在导轨2上，并能够通过滚轮4沿导轨2前后运动；三脚架7位于导轨2的一端并通过地脚螺栓8固定在地面上，三脚架7中靠近导轨2的立面上安装凸起的触碰块9，平板车3靠近三脚架7的一端安装传感器支座5，传感器支座5上安装力传感器6，力传感器6的测力面与触碰块9位置对应；
所述压力容器13通过抱箍14固定在平板车3上，压力容器13的内部安装有用于隔离水腔和气腔的橡胶皮囊17；压力容器13的两端开口，其中靠近三脚架7一端的开口上安装气体管嘴11，气体管嘴11上安装有气压传感器12和充气阀10；压力容器13另外一端的开口上安装液体管嘴20，液体管嘴20通过紧固螺母19与压力容器13紧固，液体管嘴20靠近压力容器13的一端的内部安装菌型阀18，液体管嘴20的另外一端安装阀块22且通过第二O型橡胶圈28与阀块22密封，阀块22上安装注水螺塞23和高压大流量的电磁开关阀27，阀块22上还安装有喷嘴24且通过第一O型橡胶圈25与喷嘴24密封，压力容器13的壁面靠近液体管嘴20的一端安装水压传感器29；
所述梯形架15放置于压力容器13上面并与平板车3固定在一起，梯形架15的上面安装固定有负载重块16；力传感器6、气压传感器12和水压传感器29的信号输出端分别通过线缆与控制器30连接，电磁开关阀27的信号输入、输出端也通过线缆与控制器30连接，控制器30再通过线缆与工控机31连接；所述电磁开关阀27为常闭状态的阀；所述控制器30用于在试验前，把由气压传感器12实时检测到的橡胶皮囊17内气体的压力值传输至工控机31实时存储和显示，以及在试验过程中，把通过气压传感器12和水压传感器29分别实时检测到的橡胶皮囊17内气体和压力容器13内水的压力传输至工控机31，以及通过力传感器6实时检测到的平板车3与三脚架7之间的接触力传输至工控机31；所述工控机31用于在试验时，通过控制器30向电磁开关阀27输出电信号控制电磁开关阀27打开，并在试验过程中，根据来自控制器30的数据改变负载重块16重量、压力容器13内充水体积和橡胶皮囊17内充气压力，得到负载重量、气体压力、高压水压力和射流反推力之间的关系。
优选地，所述非定常流射流反推力的测试装置中，橡胶皮囊17内充的气体为惰性气体。
优选地，所述非定常流射流反推力的测试装置中，橡胶皮囊17内充的气体包括氮气，所述橡胶皮囊17外壁与压力容器13形成的腔体内充的水包括淡水和海水。
优选地，所述压力容器13内部安装的用于隔离水腔和气腔的橡胶皮囊17是活塞结构。
优选地，所述压力容器13内部安装的用于隔离水腔和气腔的橡胶皮囊17是隔膜结构。
优选地，所述电磁开关阀27的结构是插装式结构。
优选地，所述电磁开关阀27的结构是先导式结构。
优选地，所述液体管嘴20与阀块22之间通过第一紧钉螺钉21固定。
优选地，所述阀块22与喷嘴24之间通过第二紧钉螺钉26固定。
(三)有益效果
本发明以非定常射流为研究对象，提供了一种非定常流射流反推力的测试装置，通过压力容器内无源高压气体推动高压水从喷嘴喷出，构建高压水非定常射流的流态环境，通过施加模拟负载并对压力容器内气压、水压以及射流反推力的实时检测，能够获得不同负载工况下非定常流射流反推力、气/液压力的动态演变化过程和技术参数，解决了非定常射流反推的试验难题，整个测试装置结构组成简单，测试过程容易实现。
附图说明
图1是本发明的工作原理图。
其中：1-螺柱，2-导轨，3-平板车，4-滚轮，5-传感器支座，6-力传感器，7-三脚架，8-地脚螺栓，9-触碰块，10-充气阀，11-气体管嘴，12-气压传感器，13-压力容器，14-抱箍，15-梯形架，16-负载重块，17-橡胶皮囊，18-菌型阀，19-紧固螺母，20-液体管嘴，21-第一紧定螺钉，22-阀块，23-注水螺塞，24-喷嘴，25-第一O型橡胶圈，26-第二紧定螺钉，27-电磁开关阀，28-第二O型橡胶圈，29-水压传感器，30-控制器，31-工控机。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供了一种非定常流射流反推力的测试装置，如图1所示，该测试装置包括螺柱1、导轨2、平板车3、滚轮4、传感器支座5、力传感器6、三脚架7、地脚螺栓8、触碰块9、充气阀10、气体管嘴11、气压传感器12、压力容器13、抱箍14、梯形架15、负载重块16、橡胶皮囊17、菌型阀18、紧固螺母19、液体管嘴20、第一紧定螺钉21、阀块22、注水螺塞23、喷嘴24、第一O型橡胶圈25、第二紧定螺钉26、高压大流量的电磁开关阀27、第二O型橡胶圈28、水压传感器29、控制器30和工控机31，其中：
所述导轨2通过螺柱1固定在地面上；平板车3放置在导轨2上，并能够通过滚轮4沿导轨2前后运动；三脚架7位于导轨2的一端并通过地脚螺栓8固定在地面上，三脚架7中靠近导轨2的立面上安装凸起的触碰块9，平板车3靠近三脚架7的一端安装传感器支座5，传感器支座5上安装力传感器6，力传感器6的测力面与触碰块9位置对应；
所述压力容器13通过抱箍14固定在平板车3上，压力容器13的内部安装有用于隔离水腔和气腔的橡胶皮囊17；压力容器13的两端开口，其中靠近三脚架7一端的开口上安装气体管嘴11，气体管嘴11上安装有气压传感器12和充气阀10；压力容器13另外一端的开口上安装液体管嘴20，液体管嘴20通过紧固螺母19与压力容器13紧固，液体管嘴20靠近压力容器13的一端的内部安装菌型阀18，液体管嘴20的另外一端安装阀块22且通过第二O型橡胶圈28与阀块22密封，阀块22上安装注水螺塞23和高压大流量的电磁开关阀27，阀块22上还安装有喷嘴24且通过第一O型橡胶圈25与喷嘴24密封，压力容器13的壁面靠近液体管嘴20的一端安装水压传感器29；
所述梯形架15放置于压力容器13上面并与平板车3固定在一起，梯形架15的上面安装固定有负载重块16；力传感器6、气压传感器12和水压传感器29的信号输出端分别通过线缆与控制器30连接，电磁开关阀27的信号输入、输出端也通过线缆与控制器30连接，控制器30再通过线缆与工控机31连接；所述控制器30用于在试验前，把由气压传感器12实时检测到的橡胶皮囊17内气体的压力值传输至工控机31实时存储和显示，以及在试验过程中，把通过气压传感器12和水压传感器29分别实时检测到的橡胶皮囊17内气体和压力容器13内水的压力传输至工控机31，以及通过力传感器6实时检测到的平板车3与三脚架7之间的接触力传输至工控机31；所述工控机31用于在试验时，通过控制器30向电磁开关阀27输出电信号控制电磁开关阀27打开，并在试验过程中，根据来自控制器30的数据改变负载重块16重量、压力容器13内充水体积和橡胶皮囊17内充气压力，得到一系列负载重量、气体压力、高压水压力和射流反推力之间的关系，从而输出高压水非定常流射流反推过程的技术参数；
所述非定常流射流反推力的测试装置中，橡胶皮囊17内充的气体包括氮气或其它惰性气体，橡胶皮囊17外壁与压力容器13形成的腔体内充的水包括淡水和海水；
所述非定常流射流反推力的测试装置中，所述压力容器13内部安装的用于隔离水腔和气腔的橡胶皮囊17，也可以是活塞、隔膜或者其它类型的隔离结构；
所述非定常流射流反推力的测试装置中，所述电磁开关阀27为常闭状态的阀，其结构可以是插装式、先导式或其它结构型式；
所述非定常流射流反推力的测试装置中，所述液体管嘴20与阀块22之间通过第一紧钉螺钉21固定，阀块22与喷嘴24之间通过第二紧钉螺钉26固定；
所述非定常流射流反推力的测试装置中，用于固定三脚架7的地脚螺栓8的数量为4-8个。
下面对该非定常流射流反推力的测试装置的测试过程作进一步地说明：
1试验前，先将既定重量的负载重块16放置在梯形架15上并固定，然后打开充气阀10和注水螺塞23，从注水螺塞23的螺口处向压力容器13内注入一定体积的水，注水完成后拧紧注水螺塞23，紧接着通过充气阀10向压力容器13的橡胶皮囊17内充入一定体积的惰性气体，充气过程中，由气压传感器12实时检测橡胶皮囊17内气体的压力值并通过控制器30传输至工控机31实时存储和显示，当气压达到既定值后，停止充气并关闭充气阀10，完成试验前的施加负载、注水和充气工作；
2试验时，工控机31通过控制器30向电磁开关阀27输出电信号控制电磁开关阀27打开，压力容器13内的高压水在橡胶皮囊17内高压气体的推动下，依次流经菌型阀18、液体管嘴20和电磁开关阀27，最后通过喷嘴24高速喷出产生射流反推力，高压水的射流反推力使平板车3与压力容器13和负载重块16等一并沿着导轨2向喷嘴24射流反方向即三脚架7方向运动，促使平板车3上安装的力传感器6与触碰块9接触产生相互作用力，随着压力容器13内水的体积的缩减，橡胶皮囊17内气体膨胀，压力容器13内水和橡胶皮囊17内气体的压力都将不断减小，致使力传感器6检测到的平板车3与三脚架7之间的接触力即射流发推力也将不断减小；试验过程中，橡胶皮囊17内气体和压力容器13内水的压力分别通过气压传感器12和水压传感器29实时检测并通过控制器30传输至工控机31，平板车3与三脚架7之间的接触力通过力传感器6实时检测并通过控制器30传输至工控机31，改变负载重块16重量、压力容器13内充水体积和橡胶皮囊17内充气压力，即可得到一系列负载重量、气体压力、高压水压力和射流反推力之间的关系，从而获得高压水非定常流射流反推过程的技术参数。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非定常流射流反推力的测试装置，其特征在于，该装置以非定常射流为研究对象设计，用于输出高压水非定常流射流反推过程的技术参数。
2.如权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述装置包括螺柱(1)、导轨(2)、平板车(3)、滚轮(4)、传感器支座(5)、力传感器(6)、三脚架(7)、地脚螺栓(8)、触碰块(9)、充气阀(10)、气体管嘴(11)、气压传感器(12)、压力容器(13)、抱箍(14)、梯形架(15)、负载重块(16)、橡胶皮囊(17)、菌型阀(18)、紧固螺母(19)、液体管嘴(20)、阀块(22)、注水螺塞(23)、喷嘴(24)、第一O型橡胶圈(25)、高压大流量的电磁开关阀(27)、第二O型橡胶圈(28)、水压传感器(29)、控制器(30)和工控机(31)，其中：
所述导轨(2)通过螺柱(1)固定在地面上；平板车(3)放置在导轨(2)上，并能够通过滚轮(4)沿导轨(2)前后运动；三脚架(7)位于导轨(2)的一端并通过地脚螺栓(8)固定在地面上，三脚架(7)中靠近导轨(2)的立面上安装凸起的触碰块(9)，平板车(3)靠近三脚架(7)的一端安装传感器支座(5)，传感器支座(5)上安装力传感器(6)，力传感器(6)的测力面与触碰块(9)位置对应；
所述压力容器(13)通过抱箍(14)固定在平板车(3)上，压力容器(13)的内部安装有用于隔离水腔和气腔的橡胶皮囊(17)；压力容器(13)的两端开口，其中靠近三脚架(7)一端的开口上安装气体管嘴(11)，气体管嘴(11)上安装有气压传感器(12)和充气阀(10)；压力容器(13)另外一端的开口上安装液体管嘴(20)，液体管嘴(20)通过紧固螺母(19)与压力容器(13)紧固，液体管嘴(20)靠近压力容器(13)的一端的内部安装菌型阀(18)，液体管嘴(20)的另外一端安装阀块(22)且通过第二O型橡胶圈(28)与阀块(22)密封，阀块(22)上安装注水螺塞(23)和高压大流量的电磁开关阀(27)，阀块(22)上还安装有喷嘴(24)且通过第一O型橡胶圈(25)与喷嘴(24)密封，压力容器(13)的壁面靠近液体管嘴(20)的一端安装水压传感器(29)；
所述梯形架(15)放置于压力容器(13)上面并与平板车(3)固定在一起，梯形架(15)的上面安装固定有负载重块(16)；力传感器(6)、气压传感器(12)和水压传感器(29)的信号输出端分别通过线缆与控制器(30)连接，电磁开关阀(27)的信号输入、输出端也通过线缆与控制器(30)连接，控制器(30)再通过线缆与工控机(31)连接；所述电磁开关阀(27)为常闭状态的阀；所述控制器(30)用于在试验前，把由气压传感器(12)实时检测到的橡胶皮囊(17)内气体的压力值传输至工控机(31)实时存储和显示，以及在试验过程中，把通过气压传感器(12)和水压传感器(29)分别实时检测到的橡胶皮囊(17)内气体和压力容器(13)内水的压力传输至工控机(31)，以及通过力传感器(6)实时检测到的平板车(3)与三脚架(7)之间的接触力传输至工控机(31)；所述工控机(31)用于在试验时，通过控制器(30)向电磁开关阀(27)输出电信号控制电磁开关阀(27)打开，并在试验过程中，根据来自控制器(30)的数据改变负载重块(16)重量、压力容器(13)内充水体积和橡胶皮囊(17)内充气压力，得到负载重量、气体压力、高压水压力和射流反推力之间的关系。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述非定常流射流反推力的测试装置中，橡胶皮囊(17)内充的气体为惰性气体。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述非定常流射流反推力的测试装置中，橡胶皮囊(17)内充的气体包括氮气，所述橡胶皮囊(17)外壁与压力容器(13)形成的腔体内充的水包括淡水和海水。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述压力容器(13)内部安装的用于隔离水腔和气腔的橡胶皮囊(17)是活塞结构。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述压力容器(13)内部安装的用于隔离水腔和气腔的橡胶皮囊(17)是隔膜结构。
7.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电磁开关阀(27)的结构是插装式结构。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电磁开关阀(27)的结构是先导式结构。
9.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述液体管嘴(20)与阀块(22)之间通过第一紧钉螺钉(21)固定。
10.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述阀块(22)与喷嘴(24)之间通过第二紧钉螺钉(26)固定。
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