CN113049482B - 一种管道凹坑空蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道凹坑空蚀实验装置，包括由透明材质制成的实验管,实验管两端分别通过第一变径管和第二变径管接入液体循环机构，实验管两端分别与第一变径管和第二变径管直径较小的端部连接，所述实验管内设孔板，孔板的通孔的孔面上开设有凹坑，本发明的实验装置能够研究空化气泡在凹坑处的发展和溃灭情况。

Description

一种管道凹坑空蚀试验装置

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及一种管道凹坑空蚀试验装置。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

空化(Cavitation)是液体在特定条件下发生的一种特有的物理现象，它是因为液体中局部压力低于相应温度时饱和蒸气压而出现的空泡产生、发展和溃灭的过程，是液体从液相变为气相的过程，这个现象通常在管道内径发生变化，从而导致流体速度增大压力降低时较容易出现。而空泡在溃灭时将在空泡周围产生瞬时高压、高温，形成比较强烈的冲击波和高速微射流此过程会释放出巨大能量，可以剥蚀固体表面，甚至可以打断分子链。当液体中的压力产生突变时，液体中形成的气泡崩溃而产生高温(4000～6000K)、高压(50MPa以上)等作用，并能形成强烈的冲击波和高速的微射流，射流的速度通常可以到达100米每秒以上。在这个过程中，可以产生高温度以及高压变化率。

管道因为空化气泡的空蚀导致受损破裂乃至爆管事故很有可能是从一个小区域的空蚀使管壁减薄开始不断累积的，尤其是我国很多城市乡镇的自来水管道以及运行时间较长的石油运输管道已经逐步老化，管道内壁的破损在所难免，事实上国内每年水管和原油管道突然爆管事故时有发生，造成大量财力人力的浪费，所以研究带空化气泡的流体流经小凹坑时气泡的发生发展以及溃灭规律就十分具有现实意义。

发明人发现，目前已有的实验大多只关注孔板或者文丘里管本身的空化效应，或者对单个气泡的发展溃灭理论进行研究，并没有对如小凹坑这种管道缺陷与空泡空蚀相结合进行研究，所以如何真实的实验模拟气泡在凹坑处的发展溃灭规律是完善管道安全评价的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种管道凹坑空蚀实验装置，实现了研究各种工况下空化泡在凹坑处的发展溃灭情况，从而为后续空化致管道破裂打好理论基础。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种管道凹坑空蚀实验装置，包括由透明材质制成的实验管,实验管两端分别通过第一变径管和第二变径管接入液体循环机构，实验管两端分别与第一变径管和第二变径管直径较小的端部连接，所述实验管内设孔板，孔板的通孔的孔面上开设有凹坑。

可选的，所述凹坑设置在通孔上部位置的孔面上。

可选的，所述第一变径管和第二变径管的两端均设置有法兰盘，第一变径管的两端通过法兰盘与实验管及液体循环机构的管路连接，第二变径管两端通过法兰盘与实验管及液体循环机构的管路连接。

可选的，所述第一变径管上安装有第一压力检测件及第一动态压力检测件，所述第二变径管上安装有第二压力检测件及第二动态压力检测件。

可选的，还包括图像采集元件，用于设置在实验管的一侧。

可选的，所述液体循环机构的管路上设置有流量调节元件和流量监测元件。

可选的，所述液体循环机构包括液体箱，所述液体箱的出口通过管路与液泵的进口连接，液泵的出口通过管路与第一变径管直径较大的端部连接，所述液体箱的进口通过管路与第二变径管直径较大的端部连接。

可选的，所述液体箱与液泵之间的管路上还安装有过滤元件。

可选的，所述液体循环机构的管路上还安装有温度检测元件。

可选的，所述液体循环机构的管路上还安装有截止阀。

本发明的有益效果：

1.本发明的实验装置，通过与实验管连接的变径管产生空化气泡，在水流的作用下，气泡能够流入实验管内孔板，并对孔面的凹坑产生作用，能够观察到凹坑处空化气泡发展溃灭情况，从而为后续空化致管道破裂打好理论基础，对管道的安全设计以及灾害预防有一定的指导意义。

2.本发明的实验装置，由于水流中的空化气泡在浮力的作用下有上浮趋势，因此凹坑设置在通孔上部的孔面位置，能够使得凹坑和空化气泡更好的相互作用。

3.本发明的实验装置，具有流量调节元件，能够进行不同水流流量实验下的凹坑空蚀试验，并具有压力监测件和流量监测件，方便记录试验过程中的水流压力和流量信息。

4.本发明的实验装置，变径管与液体循环机构的管路及实验管通过法兰可拆卸连接，大大简化了实验装置的安装工作量。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

图2为本发明实施例1实验管结构示意图；

图3为本发明实施例1实验管剖视图；

图4为本发明实施例1实验管侧视图；

图5为本发明实施例1实验管内部流道示意图；

图6为本发明实施例1实验管与第一变径管和第二变径管装配示意图；

其中，1.实验管，2.第一变径管，3.第二变径管，4.孔板，5.通孔，6.凹坑，7.不锈钢丝头，8.第一压力传感器，9.第一动态压力传感器，10.第二压力传感器，11.第二动态压力传感器，12.压力数据采集模块，13.第一上位计算机，14.液体箱，15.离心泵，16.法兰盘，17.截止阀，18.第一流量计，19.第一球阀，20.第二球阀，21.温度传感器，22.第三压力传感器，23.第二流量计，24.过滤器，25.高速摄像机，26.第二上位计算机。

具体实施方式

实施例1

本实施例公开了一种管道凹坑空蚀实验装置，如图1-图6所示，包括实验管1，本实施例中，为了方便观察实验管内的实验现象，使得实验现象能够被记录，所述实验管采用透明材质制成。

为了使得流入实验管的流体能够在空化作用下产生空化气泡，所述实验管的两端分别与第一变径管2和第二变径管3连接，且实验管的两端与第一变径管和第二变径管直径较小的端部连接。

流体从第一变径管或第二变径管流入实验管时，由于流道面积的减小，能够产生水力空化作用，形成空化气泡。

所述实验管内部设置有开设有通孔5的孔板4，所述孔板由透明玻璃制成，所述孔板与实验管的轴线垂直设置，孔板的外周面与实验管的内管面贴合固定。所述通孔设置在孔板的中心位置处，实验管内部形成的流道如图5所示。

为了研究空化气泡在凹坑位置处的发展溃灭情况，在孔板的通孔的孔面上开设凹坑6，使得空化气泡能够与凹坑相互作用。

由于空化气泡在水流浮力的作用下有向上运动的趋势，因此所述凹坑设置在通孔的上部位置的孔面上，使得空化气泡能够更充分的与凹坑相互作用。

如图6所示，第一变径管上设置有不锈钢丝头7，第一变径管能够通过不锈钢丝头连接第一压力检测件和第一动态压力检测件，本实施例中，所述第一压力检测件采用第一压力传感器8，第一动态压力检测件采用第一动态压力传感器9。

所述第二变径管上设置有不锈钢丝头，第二变径管能够通过不锈钢丝头连接第二压力检测件和第二动态压力检测件，本实施例中，所述第二压力检测件采用第二压力传感器10，所述第二动态压力检测件采用第二动态压力传感器11。

所述第一压力传感器、第二压力传感器、第一动态压力传感器、第二动态压力传感器均与压力数据采集模块12连接，所述压力数据采集模块与第一上位计算机13连接，能够将实验管前后的水流压力信息和动态压力信息传输给第一上位计算机。

所述实验管的两端通过第一变径管和第二变径管接入液体循环机构。

所述液体循环机构包括液体箱14，所述液体箱的出口通过管路与液泵的进口连接，本实施例中，所述液泵采用离心泵15，在其他一些实施方式中，也可采用其他类型的液泵，所述液泵的出口通过管路与第一变径管面积较大的端部连接。

所述液体箱的进口通过管路与第二变径管面积较大的端部连接。

离心泵能够驱动液体箱内的水通过第一变径管流入实验管，实验管内的液体经过第二变径管流出后又流回液体箱，实现了液体的循环利用，降低了实验成本。

本实施例中，为了降低实验装置的安装工作量，所述实验管、第一变径管和第二变径管的两端均设有法兰盘16，实验管两端通过法兰盘分别与第一变径管和第二变径管连接，第一变径管通过法兰盘与液体循环机构的管路连接，第二变径管通过法兰盘与液体循环机构的管路连接。

所述离心泵与第一变径管之间的管路上依次安装有截止阀17、第一流量检测元件及第一流量调节元件，所述截止阀能够控制液体循环机构管路的导通和关闭，用于液体循环机构的管路发生泄漏时及时关闭管路，所述第一流量检测元件为第一流量计18，用于检测流入实验管的流量，所述第一流量调节元件采用第一球阀19，所述第一球阀用于调节流入实验管的流量。

所述液体箱进口与第二变径管之间的管路上依次安装有第二流量调节元件、温度检测元件、第三压力检测元件、第二流量检测元件，所述第二流量调节元件采用第二球阀20，用于调节流回液体箱的流量，所述温度检测元件采用温度传感器21，用于检测水循环管道内流体的温度，所述第三压力检测元件采用第三压力传感器22，用于检测流回液体箱流体的水压，所述第二流量检测元件采用第二流量计23，用于检测流回液体箱的流量。

所示液体箱与离心泵之间设有过滤元件，所示过滤元件采用过滤器24，用于对流入实验管的流体进行过滤。

为了将实验现象与数值模拟图进行直观比对，在实验管的一侧设置图像采集元件，所述图像采集元件采用高速摄像机25，所述高速摄像机与第二上位计算机26连接，能够将采集的图像信息传输给第二上位计算机。

本实施例的实验装置的工作方法为：

首先根据实验工况利用模拟软件进行数值模拟，根据数值模拟结果得到预期的实验结果，并且由于空化会产生超压，需要从数值模拟结果中得到孔板空化产生的空化压力最大值，保证实验的安全性。

选择合适尺寸的实验管及变径管，预先将实验管与第一变径管和第二变径管连接，并通过法兰盘接入水循环机构中，预先在液体箱内盛放实验用液体，本实施例中，所述实验用液体采用水即可，使水面高度达到灌泵所需水头，启动离心泵及高速摄像机，使得流体在管路中循环流动。

待管道内流体运行以及空化状态稳定后，使用高速摄像机拍摄凹坑处空化气泡发展溃灭情况，并记录各个压力传感器、动态压力传感器及流量计检测得到的数据。

改变泵的工况和球阀的开度，改变流量从而控制空化程度，观察不同工况下空化气泡在凹坑处的发展溃灭情况。

还可以进行离心泵突然开启或球阀突然开启工况下的试验。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种管道凹坑空蚀实验装置，其特征在于，包括由透明材质制成的实验管,实验管两端分别通过第一变径管和第二变径管接入液体循环机构，实验管两端分别与第一变径管和第二变径管直径较小的端部连接，所述实验管内设孔板，孔板的通孔的孔面上开设有凹坑；

所述凹坑设置在通孔上部位置的孔面上；

所述液体循环机构包括液体箱，所述液体箱的出口通过管路与液泵的进口连接，液泵的出口通过管路与第一变径管直径较大的端部连接，所述液体箱的进口通过管路与第二变径管直径较大的端部连接；

所述液泵采用离心泵；

离心泵与第一变径管之间的管路上依次安装有截止阀、第一流量检测元件及第一流量调节元件；所述第一流量调节元件采用第一球阀；所述第一球阀用于调节流入实验管的流量；

液体箱进口与第二变径管之间的管路上依次安装有第二流量调节元件、温度检测元件、第三压力检测元件、第二流量检测元件；所述第二流量调节元件采用第二球阀，用于调节流回液体箱的流量。

2.如权利要求1所述的一种管道凹坑空蚀实验装置，其特征在于，所述第一变径管和第二变径管的两端均设置有法兰盘，第一变径管的两端通过法兰盘与实验管及液体循环机构的管路连接，第二变径管两端通过法兰盘与实验管及液体循环机构的管路连接。

3.如权利要求1所述的一种管道凹坑空蚀实验装置，其特征在于，所述第一变径管上安装有第一压力检测件及第一动态压力检测件，所述第二变径管上安装有第二压力检测件及第二动态压力检测件。

4.如权利要求1所述的一种管道凹坑空蚀实验装置，其特征在于，所述实验管的一侧设置有图像采集元件。

5.如权利要求1所述的一种管道凹坑空蚀实验装置，其特征在于，所述液体循环机构的管路上设置有流量调节元件和流量监测元件。

6.如权利要求1所述的一种管道凹坑空蚀实验装置，所述液体箱与液泵之间的管路上还安装有过滤元件。

7.如权利要求1所述的一种管道凹坑空蚀实验装置，所述液体循环机构的管路上还安装有温度检测元件。

8.如权利要求1所述的一种管道凹坑空蚀实验装置，所述液体循环机构的管路上还安装有截止阀。

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