CN113654763A - 一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验系统 - Google Patents

一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验系统 Download PDF

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王静竹
王傲
王一伟
王广航
王志英
岳杰顺
钟玉雪
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

针对现有技术中大多数实验系统只能通过高速摄影的方式记录实验中空泡的动力学行为，在实验结束后通过实验图像和水锤方程计算间接得到壁面压力的问题，本发明公开一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验系统，信号捕捉机构的压力传感器和放大器连接，放大器、光电传感器分别和示波器连接，示波器和水听器连接，通过光电传感器、水听器以及压力传感器对各种信号进行捕捉并通过示波器进行波形显示和数据保存。通过压力传感器的波形特征确定出空泡形成射流的初始时刻以及射流到达壁面的时刻，通过高速摄影获取的图像数据获得气泡形成射流时射流距离壁面的距离，进而得到射流的平均速度。

Description

一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验 系统
技术领域
本发明属于射流测试技术领域，具体涉及一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验系统。
背景技术
当空泡在固壁面附近发生溃灭时，会产生朝向壁面的高速射流以及冲击波，壁面会受到巨大压力的冲击，进而在固壁面表面产生剥蚀现象，即空化剥蚀。空蚀现象经常发生于水力机械如水泵、螺旋桨中，对水力机械的性能产生了巨大的破坏作用，因此研究空蚀机理研究对于水力机械的防护具有重要意义。尽管许多学者对近壁面附近的空化现象进行了详细的实验和数值模拟研究，空蚀的具体过程仍然没有被完全理解。一般认为，高速射流是造成空蚀现象的主要因素，所以射流压力的测量对于研究空蚀机理具有重要意义。
目前大多数实验系统通过高速摄影的方式记录实验中空泡的动力学行为，根据实验图像计算射流的平均速度，然后使用水锤方程计算射流对壁面造成的压力。这种方法的缺点有两个，一是计算得到的压力是一段时间内的平均压力，而气泡在溃灭阶段速度是不均匀的；二是水锤方程计算得到的壁面压力与实际壁面压力存在一定的误差；三是无法实时测量壁面所受到的压力；四是当气泡距离壁面较近时，即气泡中心到壁面距离与气泡最大半径的比值小于0.1时，此时通过高速摄影很难确定射流到达壁面的时间。
发明内容
针对现有技术中大多数实验系统只能通过高速摄影的方式记录实验中空泡的动力学行为，在实验结束后通过实验图像和水锤方程计算间接得到壁面压力的问题，本发明的目的在于提供一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验系统，属于一种针对内部射流的创新的测量方法，以解决现有技术中大多数实验系统只能通过高速摄影的方式记录实验中空泡的动力学行为，在实验结束后通过实验图像和水锤方程计算间接得到壁面压力。
本发明采取的技术方案为：
一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验系统，包括信号捕捉机构，信号捕捉机构包括压力传感器、水听器、光电传感器、放大器、示波器，所述压力传感器和放大器连接，放大器、光电传感器分别和示波器连接，示波器和水听器连接，通过光电传感器、水听器以及压力传感器对各种信号进行捕捉并通过示波器进行波形显示和数据保存。
进一步的，还设置有行为捕捉机构，行为捕捉机构包括纹影仪、光源和摄影仪，光源通过纹影仪折射，通过摄影仪高速摄影。通过纹影仪和高速摄影对环境水箱内的高强度固体材料附近产生的空泡脉动行为以及冲击波传播行为进行图像捕捉。
进一步的，设置有环境水箱，环境水箱通过高强度固体材料和去离子水模拟实际水力机械环境。
进一步的，射流速度计算的过程如下：
通过压力传感器的波形特征确定出空泡形成射流的初始时刻以及射流到达壁面的时刻，通过高速摄影获取的图像数据获得气泡形成射流时射流距离壁面的距离，进而得到射流的平均速度。
本发明的有益效果为：
环境水箱通过高强度固体材料和去离子水模拟实际水力机械环境；
行为捕捉机构，通过纹影仪和高速摄影对所述环境水箱内的所述高强度固体材料附近产生的空泡脉动行为以及冲击波传播行为进行图像捕捉；
光、电、压力信号捕捉机构，通过光电传感器、水听器以及压力传感器对各种信号进行捕捉并通过示波器进行波形显示和数据保存。
本发明克服了现有基于高速摄影的技术无法对近壁面γ<0.1时高速射流进行观测和测量的问题，本发明通过多种传感器对相关物理量进行测试，找出波形图中的射流形成时刻与射流达到壁面时刻的关键点，结合高速摄影找出射流形成时刻到壁面的距离，从而对射流速度进行估算。
附图说明
图1为本发明中信号捕捉机构示意图；
图2为本发明中行为捕捉示意图；
图3为本发明中传感器波形图；
其中，1、压力传感器；2、水听器；3、光电传感器；4、放大器；5、示波器；6、纹影仪；7、光源；8、摄影仪。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
实施例1
如图1和图2所示，一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验系统，包括信号捕捉机构，信号捕捉机构包括压力传感器1、水听器2、光电传感器3、放大器4、示波器5，所述压力传感器1和放大器4连接，放大器4、光电传感器3分别和示波器5连接，示波器5和水听器2连接，通过光电传感器3、水听器2以及压力传感器1对各种信号进行捕捉并通过示波器5进行波形显示和数据保存。
设置有环境水箱，环境水箱通过高强度固体材料和去离子水模拟实际水力机械环境。
在实施例1的基础上，本发明的又一实施例，还设置有行为捕捉机构，行为捕捉机构包括纹影仪6、光源7和摄影仪8，光源7通过纹影仪6折射，通过摄影仪8高速摄影。通过纹影仪6和高速摄影对环境水箱内的高强度固体材料附近产生的空泡脉动行为以及冲击波传播行为进行图像捕捉。
在实施例1的基础上，本发明的又一实施例，如图3所示，射流速度计算的过程如下：
通过压力传感器1的波形特征确定出空泡形成射流的初始时刻以及射流到达壁面的时刻，通过高速摄影获取的图像数据获得气泡形成射流时射流距离壁面的距离，进而得到射流的平均速度。
以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验系统，其特征在于，包括信号捕捉机构，信号捕捉机构包括压力传感器、水听器、光电传感器、放大器、示波器，所述压力传感器和放大器连接，放大器、光电传感器分别和示波器连接，示波器和水听器连接，通过光电传感器、水听器以及压力传感器对各种信号进行捕捉并通过示波器进行波形显示和数据保存。
2.根据权利要求1所述一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验系统，其特征在于，还设置有行为捕捉机构，行为捕捉机构包括纹影仪、光源和摄影仪，通过纹影仪和高速摄影对环境水箱内的高强度固体材料附近产生的空泡脉动行为以及冲击波传播行为进行图像捕捉。
3.根据权利要求1所述一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验系统，其特征在于，设置有环境水箱，环境水箱通过高强度固体材料和去离子水模拟实际水力机械环境。
4.根据权利要求1所述一种基于多种传感器的近壁面射流压力与速度测量的实验系统，其特征在于，射流速度计算的过程如下：
通过压力传感器的波形特征确定出空泡形成射流的初始时刻以及射流到达壁面的时刻，通过高速摄影获取的图像数据获得气泡形成射流时射流距离壁面的距离，进而得到射流的平均速度。
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Title
汪鸿振等: "单空泡溃灭模拟实验", 《声学技术》 *

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