一种文丘里空化空蚀恒温实验系统

1.本发明属于材料性能测试领域，尤其涉及一种可在相同水力空化条件下长时间稳定运行的文丘里空化空蚀实验系统。


背景技术：

2.空化是一种在泵、水轮机、阀门、螺旋桨等水力过流部件运行过程中不可避免的物理现象，与之密切相关的空蚀破坏往往造成水力部件性能恶化，振动噪声大幅增强，进而增加了水力机械维修成本及检修频率，可以说空蚀已成为影响这类水力部件寿命与工作系统可靠性的主要因素之一。因此，选用高抗空蚀性能的材料成为解决该问题的首要方法，为此就需要对不同材料的空蚀性能进行实验测量。
3.现如今测试材料空蚀性能的方法主要是进行超声空化空蚀实验。该实验主要通过超声振头的高频振动所产生的脉动压力场诱发振头附近空化产生，并将材料置于振头下方，从而研究材料在该空化环境下的抗空蚀性能。该实验所需仪器简单易于控制，因此受到广泛采用。但是，这种实验产生的空泡是由超声振动所产生，其空泡形态非常单一，其引起的材料形变往往在低应变率区间。而实际在水力机械中，空蚀往往是由水力空化所引起，其溃灭空泡尺度分布多样，空蚀载荷特性复杂，材料形变特征主要位于高应变率区间。因此，必须开展水力空化条件下的材料空蚀实验。
4.然而目前开展水力空化环境下的材料空蚀性能实验设备较少，其主要因为水力空化环境下的空蚀研究与水力空化的形态及尺度息息相关，而水力空化的形态往往与实验中的流速，压力等参数密切相关，因此要求空蚀实验系统的压力和流速范围较大，而且需要解决压力在整个系统中的脉动问题。此外，由于空蚀实验一般历时较长，致使闭式实验系统内水流在循环较长时间后，水温明显升高。而空化的形态与水温水质等因素密切相关，因此，循环水在长时间空蚀实验中维持在同一温度是本实验的另一大难点。综上，如何建立一种可操作的流速、压力范围广，且能保证长时间水循环无温升的空蚀实验系统对于研究不同材料在水力空化环境下的抗空蚀性能至关重要。


技术实现要素：

5.为克服背景技术中超声空化所存在的不足与水力空化所存在的技术难点，本发明提供一种文丘里空化空蚀恒温实验系统，以解决采用水力空化测试材料空蚀性能时难以保证不同材料承受相同空蚀载荷这一技术问题。
6.为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：一种文丘里空化空蚀恒温实验系统，该实验系统主要包括沿水流方向构成循环回路的管道泵、第一止回阀、电动调节阀、电磁流量计、稳压罐、可视化文丘里测试段、压力表、气蚀罐、水冷套管、温度传感器；与所述水冷套管相连设置有水冷机，与所述管道泵相连设置有变频器，在所述气蚀罐的出气端连接有真空泵，在所述气蚀罐的进气端沿气流方向依次连接有空气压缩机、第二止回阀。
7.进一步地，可视化文丘里测试段横截面为方形，其采用亚克力有机玻璃制造，便于
观察实验现象。该测试段主要由进口段，收缩段，扩张段，以及出口段组成，并在扩长段下壁面开槽以放置空蚀实验材料样品。
8.进一步地，在文丘里测试段通过管道与稳压罐和气蚀罐相连，其中稳压罐主要用作实验管路进口稳压，气蚀罐与真空泵和空气压缩机相连，以保证在不同流速下开展不同空化数下的空蚀实验，同时测试段空化所产生的空泡可在气蚀罐中析出，以保证实验过程中，水中空化核数量的一致性。
9.进一步地，在文丘里测试段的上下游分别安装两个球阀，以便于在文丘里测试段内更换实验材料时拆卸方便。
10.进一步地，整个系统由管道泵进行增压，同时管道泵运行由变频器控制从而保证可开展不同流量下的空蚀实验。
11.进一步地，整个水循环系统安装有水冷机和水冷套管，以保证在实验过程中的闭式水环路恒温运行，并同时通过温度传感器检测系统水流温度。
12.进一步地，在测试段下游连接气蚀罐的管道通过肘型管伸入气蚀罐内，以保证管道出口水流竖直向下流入气蚀罐内。
13.进一步地，在所述气蚀罐的出气管上设有第三球阀，在所述气蚀罐的进气管上设有第四球阀。
14.进一步地，所述稳流罐上设有安全阀。
15.如上技术方案使得本系统具有如下优越性：
16.1.本发明主要利用管道泵与变频器来调节系统流量，利用真空泵和压缩机来控制系统操作压力，从而保障了整个系统在文丘里测试段的流速可调，空化数可控，进而保障文丘里测试段可在不同流速下开展不同空化数下的空蚀实验。
17.2.本发明利用水冷套管与水冷机来维持系统温度，从而保证在较长时间的空蚀实验中，闭式环路系统的水循环维持在统一温度下，解决了由于温升对于空蚀实验结果的影响这一问题。
18.3.水流经过文丘里测试段后，经由延伸的肘型管最终竖直流入气蚀罐内，从而避免了由于高速实验下，水流直接冲向气蚀罐内壁引起的气蚀罐内压力脉动问题，稳定了文丘里出口段的压力，使得整个系统可精确控制。
19.4.整个系统结构简单，易于精准调控，便于装配制造，在空蚀实验中的适用性强。
附图说明
20.图1为本发明实施例中整个系统的结构简图；
21.图2为本发明实施例中文丘里测试段的轴向截面剖面图；
22.图3为本发明实施例中的图1中红色虚线框的放大展示；
23.其中，图中附图标记对应为：1、变频器；2、管道泵；3、第一止回阀；4、电动调节阀；5、电磁流量计；6、稳压罐；7、安全阀；8、第一球阀；9、可视化文丘里测试段；91、进口段；92、收缩段；93、扩张段；94、出口段；95、槽；10、压力表；11、第二球阀；12、第三球阀；13、真空泵；14、第四球阀；15、第二止回阀；16、空气压缩机；17、气蚀罐；18、水冷机；19、水冷套管；20、温度传感器。
具体实施方式
24.下面将对本发明实施例中的技术方案进行进一步说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
25.实施例：参见图1-3所示，一种文丘里空化空蚀恒温实验系统，该实验系统主要包括沿水流方向构成循环回路的管道泵2、第一止回阀3、电动调节阀4、电磁流量计5、稳压罐6、第一球阀8、可视化文丘里测试段9、压力表10、第二球阀11、气蚀罐17、水冷套管19、温度传感器20；与所述水冷套管19相连设置有水冷机18，与所述管道泵2相连设置有变频器1，在所述气蚀罐17的出气端沿气流方向依次连接有第三球阀12和真空泵13，在所述气蚀罐17的进气端沿气流方向依次连接有空气压缩机16、第二止回阀15和第四球阀14，所述稳压罐6上设有安全阀7。
26.本系统实验中，由管道泵2与可变调速系统为实验中的水循环提供动力，由真空泵13和空气压缩机16为测试调节实验系统压力。水流经过稳压罐6内进入可视化文丘里测试段9，可保证水流进入可视化文丘里测试段9时的入口压力稳定和流动状态均匀。此后水流进入可视化文丘里测试段9，如图2所示，该可视化文丘里测试段9主要由进口段91，收缩段92，扩张段93，以及出口段94组成。水流在可视化文丘里测试段9首先在收缩段92内流动加速，随后在扩张段93内由于流动分离产生低压真空区，进而水流中携带的空化核在低压作用下膨胀形成空泡。同时由于扩张段93横截面逐渐扩大，流场压力迅速回升，低压区形成的空泡被主流输运至下游高压区迅速发生溃灭，因此对扩张段93下表面槽95内材料产生空蚀效应。随后，如图3所示，水流经由肘型管竖直向下流入气蚀罐17内。再经由水冷系统对循环水进行温度控制，从而保证了在长时间的空蚀实验中，整个闭式管路系统中水温恒定。
27.本发明处于工作状态时，通过电磁流量计5获取系统流量及实验段流速，通过可视化文丘里测试段9下游的压力表10获悉实验压力及对应空化数，通过温度传感器20来检测系统水温，以上仪器仪表可保证对实验工况的了解以及进一步的精确控制。
28.本发明具有以下优点：
29.1.本发明通过管道泵2和变频器1实现实验段流速控制，通过空气压缩机16和真空泵13实现系统压力调节。以上组件可保障实验系统在非常宽的流速和压力范围内工作，可实现不同流速不同空化形态下的空蚀实验。
30.2.本发明通过水冷机18和水冷套管19使得系统水温维持在某一恒定温度，避免了常规环路系统长时间运行时的温升现象。
31.3.本发明通过连接肘型管的方式降低了由于水流进入罐体冲击壁面所引起的压力脉动，保证了实验过程中的可视化文丘里测试段9压力的稳定。
32.4.本发明总体结构简单，易于拆卸装配，便于进行精确控制，可应用范围宽，适应性强。
33.本发明未详述部分为现有技术。
34.以上所揭露的仅为本发明的几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。