电火花激发空泡发生与测试装置的制作方法

本发明涉及一种电火花激发空泡发生与测试装置，是一种基于电火花放电回路从而激发空化泡形成， 并对于空化泡形成和溃灭过程以及气液两相转化时的吸放热诱发的温度变化进行观测的实验装置，涉及到空化空泡动力学以及热力学两方面领域。

背景技术：

常温常压状态下，液体分子逸出液体表面的过程为“汽化”。如果维持温度不变，使水面压强降低到临界值后，液体内部的气核将会迅速膨胀，在液体中形成明显的气泡，其现象类似于沸腾，这种由于压强降低而引起的液体剧烈汽化的过程就是“空化”。 空化在液体中形成的空洞称之为“空穴”， 其中大多数空缺成球形，则被称之为“空泡”（或称为空化泡）。

随着坝工技术水平的提高和水力资源的深入开发利用，高坝建设发展迅速，目前世界上己建、在建和拟建的 200m 以上的高坝约 60 座，坝高己进入 300m级，这一趋势在中国更为显著。这些高坝的特点是泄量大、流速高，泄洪消能和防冲保护问题是主要技术难题。根据流体力学伯努利定律，流体高速运动，会造成局部压力减小，水流当压力降到相应水温的汽化压力时，流体中形成空腔（穴）或气泡，出现“空化”现象。在低压区形成的空化气泡，流至高压区后，由于压力增高，空气泡无法存在而闭合，空气泡闭合会造成类似于爆炸的高压，每一个空泡破裂，都可以看作是一枚微型炸弹，在这种高压冲击下，大部分材料都会被破坏，如泄流洞内的洞壁出现蜂窝麻点，水电站涡轮机叶片则变得千疮百孔。

现有技术以往的实验中，研究的重点往往在于空化泡的形成与力学效应（冲击波效应与微射流效应），但是空泡溃灭时的热效应却鲜有学者研究，故现有技术中也没有出现能够满足这项实验条件的设备。

技术实现要素：

本发明的目的是弥补现有技术的空白，提供一种电火花激发空泡发生与测试装置，该装置是利用单发脉冲原理设计一种实验装备，该设备能够用于实验研究空泡的形成与力学效应的同时，研究空泡溃灭时的热效应对泄流洞内的洞壁或水电站涡轮机叶片等壁面的破坏作用。

完成上述发明任务的技术方案是，一种电火花激发空泡发生与测试装置，设置在空泡激化水槽中，其特征在于，本装置中的直流稳压电源通过波段控制回路接硬质合金电极丝的两极；手动微距滑台用于调节该硬质合金电极丝两极的放电间隙；本装置中同时设有瞬态测温系统与高速摄影拍摄系统；所述瞬态测温系统与高速摄影拍摄系统的输出接计算机。

本发明利用多级可变电容以及高精度可变导轨将直流稳压电源中的电能以四种不同能量大小的单发脉冲激发出来，同时针尖电极的间距也可以改变放电电场强度，从而达到激发不同直径空化泡的目的。装备中所使用的四种不同容量的电容分别由四档波段开关控制，水体中的电极丝为针尖硬质钴镍合金电极，并使用滑台导轨来控制电极间距，该滑台导轨的行程精度达到微米级。

本发明是一种基于电火花放电回路从而激发空化泡形成，并对于空化泡形成和溃灭过程以及气液两相转化时的吸放热诱发的温度变化进行观测的实验装置，其特征部件包括： 直流稳压电源；波段控制回路；手动微距滑台；空泡激化水槽；硬质合金电极丝；瞬态测温系统；高速摄影拍摄系统。所述直流稳压电源与波段控制回路向连接， 将高压传输至波段控制回路后由回路中的可控硅触发激发电路，将额定电量加载到与波段控制回路向连接的硬质合金电极丝两极，在空泡激发水槽中产生电弧激发空泡。在电极上方布置瞬态测温系统，空泡激发和溃灭的过程由高速摄影拍摄系统进行记录。

上述技术方案中，所述波段控制回路的级数为四级。

上述技术方案中，所述波段控制回路的单发脉冲由可控硅触板激发回路进行控制，直流稳压电源向电容充电完毕后由激发回路将电能瞬间释放。

上述技术方案中，所述硬质合金电极丝均带有螺纹或者压花，针状电极端口为平头，直径为 0.3mm。

本实验设备的原理是：在电火花空泡发生系统中，利用微距滑台控制放置在激化水槽中的两针尖电极的间距， 此对针尖电极分别加载在设计控制器的两输出端。 激发回路控制器的两输入端加载在恒压直流电源的两极，由波段开关来选择激发回路中的电容容量，并配合微距滑台来控制空泡的直径。装置启动后，稳压直流电源提供的高压直流经过波段开关向预设的电容充电，电容充满电后，由干电池控制回路中的可控硅触发板发出信号，瞬时释放电容中的电能，在水槽的NaCl 溶液中形成高温电火花， 并同时激发空泡。 当空泡激发并运行至样品壁面处溃灭时，利用高速摄影机将空泡的这一系列运动过程进行拍摄。以上所述的直流电源系统中均带有限流功能，装置中出现短路现象时会自动跳闸，保护电路。

空泡的形成可以通过降低水下压强或者升到水下温度来实现， 本设备利用水下电极间的瞬时脉冲激发电火花，从而在水中形成空化泡，配合高速摄影机对空化泡在不同材质样品在不同硬度边壁附近对空化泡的形成与溃灭过程进行拍摄，以寻求空泡由初生、发展到最终溃灭的运动轨迹和规律。

本装置考虑到空泡溃灭时的高温破坏，在装置中加入了瞬时测温系统来对空蚀热力学的相关问题进行研究。

本发明的技术效果：本发明能够用于实验研究空泡的形成与力学效应的同时，研究空泡溃灭时的热效应对泄流洞内的洞壁或水电站涡轮机叶片等壁面的破坏作用。本实验装备可以用来观察空泡的初生，运动形态以及溃灭过程，通过结合不同空蚀样品，可以观察空泡在金属、混凝土或者有机物等多种不同壁面溃灭的现象，探索空泡在固液边界处的相变过程，另外本发明能够结合瞬态温度传感器进行空泡溃灭时的瞬时高温测量。同时还具有以下效果：

1.本装置利用了可控硅触发对激发回路进行控制，可以成功释放出单发脉冲激化空泡。

2.本发明实验装置中使用了短路自动保护装置，能够在高压直流电源短路时实施断路保护，避免了高压操作的危险性，不仅降低了实验设备的辐射场，同时增强了实验人员的安全性。

3.本发明实验装备在电极外部使用微距平台滑轨，在激化溶液中使用针尖电极放电，利用微距控制来调整激发电场强度，配合不同级别的电容，使得该装置能够得到定量大小的空泡，减小放电过程的随意性，使得每次激发的空泡直径尺寸都更加平均。

附图说明

图 1 为本发明电火花激发空泡发生实验装置的框状结构示意图。

图 2 为本发明电火花激发空泡发生实验装置图。

图3 为本发明在电火花激发空泡装置中的控制器的实验电路图， 包括激发回路与控制回路。

图 4 -1、图 4 -2、图 4 -3为本发明电火花激发空泡发生实验装置中微距平台滑轨结构三视图。

图 5 为本发明电火花激发空泡发生实验装置中针尖电极的示意图。

具体实施方式

结合上述附图，下面通过本装置的实际操作实例来阐述本发明实施过程(注：该具体实施方式并不代表对本专利所述保护内容的限定)。

实施例1，本发明所述电火花激发空泡发生实验装置，其框架结构如图 1 所示，其中包括：0-1000V 可变稳压直流电源 1，控制器 2，微距滑台导轨 3，内盛 3.5%NaCl 溶液水槽 4， 硬质合金针尖放电电极 5， 瞬时测温系统 6， 高速摄影机 7， 计算机 8；所述 0-1000V 可变稳压直流电源 1 施加电压到控制器 2，控制器 2 中的电容充电， 随后按下激发开关激发单发脉冲，硬质合金针尖放电电极 5 与控制器 2 相连接，通过微距滑台导轨 3 调节适当的放电间隙后，在内盛 3.5% NaCl 溶液水槽 4放电激发出空泡，所述瞬时测温系统 6 通过薄膜传感器进行测温，并使用数据采集卡进行数据采集，空泡运动过程由高速摄影机 7 进行拍摄，采集的数据和拍摄的照片均通过计算机 8 进行存储。

按电火花激发空泡发生实验装置图 2 所示，明确表示了实验装备中控制器、滑台导轨、水槽以及电极装置的连接方法。图2中，波段开关9，可控硅触发回路10，滑台导轨11。

按照图 3 所示， 控制器内部为可控硅触发回路， 其中四组电容分别为 50μF，100μF，150μF 以及 200μF，由 4 档波段开关选择。可控硅触发信号由 3V 直流电源、20Ω 电阻以及按钮开关组成。图3中，直流输入12，输出端13。

图 4 所示为微距滑台导轨的三视图，该微距滑台导轨为手动角位移控制，行程精度 100μm。

图 5 为放电电极放大示意图，如图所示硬质合金电极丝为平头，直径为0.3mm。图5中，放电间隙14。

实施例2，

下面介绍一个利用本发明进行的实验。在这次实验中，直流稳压电源调节至450V，波段开关使用LW39-16B-E2222/4四挡调节开关，电容选择50μF，放电间隙选择300μm，其余设备均为已经安装好的成套设备；所配直流电源有自动短路功能，保护电路。

实验所用高速摄影机为NACMEMRECAM HX-3高速摄影机，摄影机画幅频率设定为10000帧/秒，即每帧时间间隔为10μs。镜头使用焦距为50mm Nikkor定焦镜头、60mm Nikkor定焦镜头或者24-85mm Nikkor变焦镜头，可供选择。

实验所用光源选用色温为3200K的卤素摄影灯。

放电间隙的设定：使用该设备激化空泡时，首先要设定合适的的放电间隙。通过一系列的实验经验得到，以硬质合金电极之间放电间隙与上述实施例工况下激发的空泡直径大致相同为宜，原因有二：第一，如果放电间隙太大，激发出的空泡形状呈椭球形，甚至在放电间隙过大的情况下无法激化空泡；第二，如果放电间隙过小，则生成的空泡易受电极丝影响其运动轨迹。在上述这个实施例中，为了获得直径在1.0mm左右的空泡，调整电极丝放电间隙为900μm，进行激发空泡实验，通过高速摄影机的逐帧采集，得到边壁最清晰的3个空化泡的直径分别为1.03 mm，0.99mm，以及1.08mm，计算可得该次实验激发的空泡平均直径d_A=1.03mm。

本实验装备可以用来观察空泡的初生，运动形态以及溃灭过程，通过结合不同空蚀样品，可以观察空泡在金属、混凝土或者有机物等多种不同壁面溃灭的现象，探索空泡在固液边界处的相变过程，另外本发明能够结合瞬态温度传感器进行空泡溃灭时的瞬时高温测量。