CN204008062U - 水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统，所述装置系统包括自吸气喷嘴装置和淹没装置两部分，两种装置均采用有机玻璃制作而成，其中自吸气喷嘴装置位于一体化测试装置系统上部，由自吸气喷嘴和气体涡轮流量计组成，淹没装置位于一体化测试装置系统下部，由承压水箱、安全阀、压力表、靶盘及支架、测压盖板、泄水阀和排气阀组成。该一体化测试装置系统不仅可以对自吸气喷嘴内部气液两相流动特性进行观察和测试，而且可以对喷嘴气液两相射流的冲击流动特性进行观察和测试，了解其冲击性能，该喷嘴在水环境保护方面有着广阔的应用前景，如射流气动冲沙，射流暴气改善水质，主要工程领域有河道治理、水库和泵站清淤、河流污染治理等。

Description

水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统

技术领域

本发明涉及水射流技术领域，特别是涉及一种水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统。

背景技术

现有技术中已经公开了一种低压大流量自激吸气式射流喷嘴(参考专利文献1），它是针对我国许多河流河道和水库泥沙淤积的严重性以及如何将水库库底泥沙起动、悬浮和输移而设计的，该自激吸气式射流喷嘴可以对泥沙进行扰动并借助水流将其挟带冲走，进而有效地控制和减少河道和水库泥沙淤积。自激吸气式喷嘴属于低压大流量喷嘴范畴，喷嘴内部流动及射流冲击流动均为气液两相流。

因此，对水下尤其是深水水库的自吸气喷嘴内部的气液两相流动特性和喷嘴气液两相射流的冲击特性进行观察和测试，对于我们加深自吸气喷嘴射流冲击性能的认识以及喷嘴实际应用的研究有着十分重要的作用。

而上述针对自吸气喷嘴射流两个方面的研究必须借助一套喷嘴测试装置系统来完成。目前国内外各种水下射流技术喷嘴测试装置系统的研究主要集中在高压小流量和小尺寸结构喷嘴。

在当前水射流业内相关研究中采用的喷嘴射流流动特性测试装置系统主要包括喷嘴和钢构的密封压力水罐（或淹没水箱），其特点是将喷嘴整体放置于密封压力水罐内，喷嘴结构形式主要有锥形喷嘴、星形喷嘴、风琴管自振空化喷嘴、自激振荡脉冲射流喷嘴、文丘里缩放型空化喷嘴等，研究时采用的射流介质主要为清水或者在清水中加入磨料而形成的固液两相流，主要用于研究射流衰减特点、冲蚀性能、切割性能等，针对上述三种不同的研究目的，需要相应地在密封压力水罐内放置射流打击测试装置、冲蚀性能测试装置、切割性能测试装置等。

如果采用现有的喷嘴射流流动特性测试装置系统，那么，对自吸气喷嘴内部的气液两相流动特性以及喷嘴气液两相射流冲击特性观察和测试将十分困难。

并且，由于现有的喷嘴测试装置系统将自吸气喷嘴整体置于钢构的压力水罐内部，会造成压力水罐的体积变大，增加了制造成本和操作难度。此外，自吸气喷嘴整体置于钢构的压力水罐内部，对连接自吸气喷嘴和涡轮流量计的吸气管和测试管路同样置于压力水罐内部，在压力水罐的模拟围压达到一定程度时会对吸气管产生挤压压力，从而影响喷嘴的吸气量和自吸气性能，进一步影响喷嘴的内部流动特性和打击力效果的真实性以及测试装置系统测试效果的精确性。

因此，如何设计一种新式自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统，不仅具有体积小、重量轻，便于操作等特点，而且结构设计能够同时实现喷嘴内部和外部流动特性的观察和测试，消除上述不利影响，是目前本领域技术人员必须解决的一个问题。

在先技术文献

专利文献1：CN102069049A。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统，该一体化测试装置系统由自吸气喷嘴装置和淹没装置组成，其加工材料采用有机玻璃，可以实现对自吸气喷嘴内部气液两相流动及喷嘴气液两相射流冲击特性的观察和测试，了解其冲击性能；且将自吸气喷嘴装置置于淹没装置的外侧上部，消除了淹没装置的围压对于吸气性能的影响，提高测试的准确度，同时减轻了测试装置整体的体积和重量。

本发明所采用的技术方案是：

本发明提供了一种水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统，包括自吸气喷嘴装置和淹没装置两个部分，两部分通过法兰盘连接，四周加以长螺杆连接法兰盘固定。

本发明的自吸气喷嘴装置由自吸气喷嘴和气体涡轮流量计构成，其中自吸气喷嘴由上喷嘴，腔体，吸气管、下喷嘴组成，采用有机玻璃材料，位于一体化装置系统的上部，与喷嘴设置在承压水箱内部相比，吸气管的布置和材料选择较容易。吸气管布置在淹没装置内部时，需要在承压水箱上设置吸气管出口，由于吸气后直接与大气相连，吸气后管内压力为大气压，而承压水箱内围压高，会导致吸气管压缩变形，致使吸气量大幅下降。

自吸气喷嘴的上喷嘴采用收缩结构，直径从上喷嘴入口逐渐缩小至下喷嘴出口，可以保证上喷嘴内部的流速分布较为均匀，而且能量损失小，上喷嘴出口直径对流速有较大影响，影响喷嘴内射流核的流动特性以及射流核两侧的漩涡尺寸。

自吸气喷嘴的腔体结构尺寸由腔长、腔径以及碰撞壁的形状来控制，碰撞壁以倾斜结构为佳，倾斜碰撞壁可以保证射流核两侧形成的对称漩涡，此漩涡不仅尺寸大，而且漩涡中心附近压力为负压，远远低于大气压，保证喷嘴吸气。腔长和腔径的大小及配比关系对喷嘴吸气量和冲击性能有较大影响，必须依据试验来确定。

自吸气喷嘴的下喷嘴为圆管等直径结构或直径逐渐收缩结构，根据实际应用采用不同的结构，如果对下喷嘴出口冲击力要求较高，可以采取逐渐收缩结构，反之则采用等直径结构。下喷嘴出口直径大于上喷嘴出口直径，其大小对喷嘴的吸气效果和冲击性能有较大的影响，必须依据试验来确定。

自吸气喷嘴的吸气管材料采用普通塑料管加工，吸气孔位置布置在对称漩涡附近壁面，靠近腔体下碰撞壁，此位置可以使空气很快通过吸气管进入腔体，吸气效果最好，吸气后在喷嘴内部形成气液两相流，使流动结构发生了改变，喷嘴聚能效果好，提高了其冲击性能。吸气管直径对射流核两侧气体涡环大小的形成有较大影响，进而影响到吸气量和冲击性能，必须依据试验来确定。由于自吸气喷嘴采用有机玻璃设计而成，所以很容易观察喷嘴内部气液两相流动结构，采取先进的流动测试技术可以对其流动特性进行准确地获取。

气体涡轮流量计测量喷嘴的吸气量大小，与喷嘴的吸气管相连接，连接处设置一个过渡装置，将多个吸气管与流量计的入口相连接，可以方便地对喷嘴总吸气量进行测量。为了防止水倒流进入气体涡轮流量计，在流量计进口处安装闸阀。

本发明的淹没装置由承压水箱、安全阀、压力表、靶盘及支架、测压盖板、泄水阀和排气阀等组成，位于一体化装置系统的下部。

淹没装置的承压水箱其主要作用是承受围压，用以模拟水下环境。为了便于加工，采用圆柱形设计，水流经喷嘴吸气并在其内部充分混合后形成气液两相流，然后喷射进入承压水箱。与所述自吸气喷嘴类似，承压水箱也采用有机玻璃材料，容易观察喷嘴射流在不同围压下和工作压力下的气液两相射流流动结构，采取先进的流动测试技术可以对其流动特性进行准确地获取。

淹没装置的安全阀和压力表主要布置在承压水箱的上侧，所述安全阀主要用于保证承压水箱的安全运行，安全阀的压力工作范围在0.1Mpa-0.8Mpa之间。当压力超过其承受能力时，自动打开并泄压，所述压力表用于对承压水箱的围压进行测试。

淹没装置的靶盘主要承受喷嘴射流的冲击压力，在靶盘上设置不同的测压点，靶盘下面设置不同数量的直径与靶盘相等的圆环形垫圈，用以调整下喷嘴出口与靶盘的距离。当垫片数量不同时，喷嘴离靶盘的距离是不同的，其测压点冲击压力分布特性也是不同的，根据这些数据可以分析出最优喷距以及冲击扩散范围，比较喷嘴在吸气和不吸气的冲击性能的优劣。

淹没装置的测压盖板布置在承压水箱的下侧，用来接收靶盘上的自吸气喷嘴射流的冲击压力，测压盖板的压力传输点与靶盘上的测压点布置和数量一致，通过法兰与所述承压水箱连接，在测压盖板和靶盘测压点之间设置测压管，借以传递靶盘压力信号。

淹没装置的排气阀安装在所述承压水箱的上侧，用以排除承压水箱内气体。因为自吸气喷嘴吸气后会使承压水箱内部储存大量的气体，气体上浮至水箱顶部，空气在承压水箱围压较高时很容易被压缩，会影响承压水箱围压的精确性，所以气体必须定时排出。

淹没装置的泄水阀位于承压水箱的底部，通过调整其开度大小，控制流量调节所述承压水箱的围压，可调节围压范围在0.1Mpa-0.8Mpa之间，还可以在一体化测试装置系统停止运行时将承压水箱内水排出。

附图说明

图1为本发明的自吸气喷嘴剖面图；

图2为本发明的一体化装置系统剖面图；

图3为本发明的侧压盖板平面图；

图4为本发明的靶盘垫片平面图；

图中标记为:

1-工作泵；2-加压泵；3-进水管道；4-上喷嘴；5-腔体；6-下喷嘴；7-吸气管；8-碰撞壁；9-压力表；10-安全阀；11-法兰盘；12-承压水箱；13-靶盘；14-垫片；15-靶盘支架；16-排气阀；17-测压盖板；18-泄水阀；19-气体涡轮流量计；20-测压管；21-靶盘测压点；22-测压盖板测压点；23-螺栓；24-法兰盘；25-泄水管；26-螺杆。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统，该装置系统在工作泵1和加压泵2的驱动下能够实现淹没射流；由于喷嘴设置在承压水箱12外部，可以大大减小承压水箱12的体积，操作简便，又可节约制造成本；通过调节工作泵1功率和泄水阀18开度能够调整射流强度和围压；整体加工材料为有机玻璃，可以实时观察、拍摄和测试喷嘴内部气液两相流动特性和喷嘴气液两相射流冲击特性；当承压水箱12直径大于等于50cm时，其边壁对射流影响很小，可以近似真实模拟淹没射流同时又节省材料。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统，它包括自吸气喷嘴装置和淹没装置，两者通过法兰盘11连接，四周加以长螺杆26连接。自吸气喷嘴装置包括自吸气喷嘴和气体涡轮流量计19，其中自吸气喷嘴由上喷嘴4、腔体5、下喷嘴6和吸气管7组成，吸气管7位于腔体5的距碰撞壁8的1/3位置处，吸气管沿周向布置4根，吸气管与气体涡轮流量19连接，进水管道3与工作泵1和加压泵2相连接。淹没装置由承压水箱12、安全阀10、压力表9、靶盘13和垫片14、靶盘支架15、测压盖板17、泄水阀18和排气阀16等组成，安全阀10、压力表9和排气阀16位于承压水箱12上部，而测压盖板17和泄水阀18位于下部，图3给出了测压盖板测压点布置图，泄水阀18设置在泄水管25上，泄水管25通过法兰盘24与排水管道连接。靶盘13位于装置内部，靶盘13和垫片14通过螺栓23连接在一起，靶盘13测压点布置方式与测压盖板17相同，靶盘13测压点与测压盖板17测压点22通过测压管20相连接。

实施本发明的测试装置时，首先将气体涡轮流量19进口闸阀关闭，调节靶盘13，使之与自吸气喷嘴装置保持垂直，泄水阀18关闭，承压水箱12通过加压泵2注满水，然后开启工作泵1，打开泄水阀18控制承压水箱12内的模拟围压大小。水流经进水管道3进入自吸气喷嘴，待工作稳定之后，开启气体涡轮流量计19进口闸阀，气体进入吸气管并进入喷嘴内部，通过气体涡轮流量计19可以观察并记录吸气量的大小。水流经自吸气喷嘴与吸气管7进入的气体混合，形成气液两相流，经下喷嘴6射出，冲击到靶盘13上，在靶盘13上的测压点21产生压力信号，经测压管20传送至测压盖板17处，再传送至信号采集系统（图中未示出），通过观察、拍摄和测试自吸气喷嘴内部流动特性和喷嘴气液两相射流冲击特性，得到喷嘴的冲击力大小和冲击扩散范围等冲击性能参数。

自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统在工作过程中，可以通过工作泵1调节喷嘴水射流的工作压力，通过泄水阀18的开度来控制承压水箱12内的围压大小，观察和测试不同工作压力和不同围压下的自吸气喷嘴内部流动特性和喷嘴气液两相射流冲击特性，了解其冲击性能。

自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统试验结束时，先完全打开泄水阀18完全泄压以保证安全，同时关闭气体涡轮流量计19进口闸阀以防止承压水箱中水流回流损坏测试仪器，然后依次关闭加压泵2和工作泵1。

自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统在工作过程中，改变靶盘垫片14数量可以调节其与下喷嘴6出口的距离，形成不同的喷射距离，观察和测试不同靶距下的冲击力大小和冲击扩散范围等冲击性能参数，找到自吸气喷嘴最优喷射距离。

自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统还可以对同一工作压力和围压下的自吸气喷嘴腔体5的腔长、腔径和下喷嘴直径进行优选，观察和测试不同腔长、腔径和下喷嘴直径内部气液两相流动特性以及喷嘴气液两相射流冲击特性，对比冲击力大小和冲击扩散范围等冲击性能参数，可以找到腔长、腔径和下喷嘴直径的最优配比范围。

Claims (5)

1.一种水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统，该装置系统用于研究自吸气喷嘴内部气液两相流动特性以及喷嘴气液两相射流冲击特性，其特征在于：所述一体化测试装置系统由自吸气喷嘴装置和淹没装置两个部分组成，其中自吸气喷嘴装置整体位于淹没装置的外侧上部，与淹没装置直接连接；所述自吸气喷嘴装置由自吸气喷嘴和气体涡轮流量计组成；自吸气喷嘴采用有机玻璃加工而成，其由上喷嘴、腔体、吸气管、碰撞壁和下喷嘴组成；所述上喷嘴采用逐渐缩小的收缩结构，其进口直径与进水管直径相同；所述腔体下部的碰撞壁为倾斜设置；所述下喷嘴为等直径的圆管结构；所述吸气管布置在腔体上距碰撞壁1/3位置处。所述淹没装置包括承压水箱、安全阀、压力表、靶盘及支架、测压盖板、泄水阀和排气阀；所述承压水箱为采用有机玻璃加工而成的密闭结构，通过其承受的围压来模拟水下环境；所述靶盘通过支架固定于所述承压水箱上，靶盘表面布置一定数量的测压点，靶盘下面布置一定数量的垫片用以调整下喷嘴出口与靶盘的距离；所述测压盖板与所述承压水箱采用法兰盘连接，测压盖板与靶盘之间通过测压管连接，用以传输冲击压力；所述泄水阀设置在泄水管上，用于调节承压水箱的围压，并且可以排出承压水箱内部的存水，泄水管通过法兰盘与排水管道连接。

2.根据权利要求1所述的水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统，其特征在于：所述气体涡轮流量计用于对自吸气喷嘴的总吸气量进行测量。

3.根据权利要求1所述的水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统，其特征在于：所述淹没装置和所述自吸气喷嘴装置的连接采用法兰盘连接，四周加以长螺杆连接法兰盘固定。

4.根据权利要求1所述的水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统，其特征在于：所述安全阀和压力表用于淹没装置围压的控制和测试，安全阀适用压力范围为0.1Mpa-0.8Mpa。

5.根据权利要求1所述的水下自吸气喷嘴射流流动特性一体化测试装置系统，其特征在于：所述淹没装置和所述自吸气喷嘴装置为采用3D打印技术一体成型。