一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及空化實驗及教學實驗裝置，尤其涉及一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置。屬于流體機械工程、水利水電工程【技術(shù)領(lǐng)域】。該裝置，總體分為四部分：工作罐部分、試驗段部分、收集罐部分、輔助設(shè)備部分。工作罐的試驗段入水口與渦輪流量計通過管路連接；試驗控制閥通過管路與收集罐的入水口連接；工作罐的液體回流口與收集罐的出水口通過管路連接，管路上設(shè)置有回流控制閥；可視化試驗段旁設(shè)有光源和連接計算機的高速攝像機用于采集圖像；光源控制器與光源連接，用于控制光源的強度。該實驗裝置可以清晰觀察到不同程度的空化現(xiàn)象，且設(shè)備簡易、輕便，便于拆卸及搬運，占用空間小，節(jié)約實驗用地，更便于教學使用。
【專利說明】一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空化實驗及教學實驗裝置，尤其涉及一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置。屬于流體機械工程、水利水電工程【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]溫度一定的液體，當壓力降低到液體飽和蒸汽壓時，液體會產(chǎn)生汽化，同時溶解于液體中的氣體析出，形成汽泡(又稱空泡、空穴)，而當汽泡隨水流運動到壓力較高的地方后，泡內(nèi)的蒸汽重新凝結(jié)，汽泡潰滅。在液體流動的局部地區(qū)，或由于流速足夠大、邊界層分離等因素，導致壓力變化，從而引起的液流內(nèi)的空泡產(chǎn)生、發(fā)展、潰滅的過程，以及由此產(chǎn)生的一系列物理和化學變化稱為空化。空泡的產(chǎn)生和發(fā)展，改變了流道內(nèi)的速度分布，導致機器效率下降并引起振動，嚴重時會使機器完全不能正常工作?？张轁邕^程如果發(fā)生在固體表面將會使其材料受到破壞。
[0003]傳統(tǒng)的空化實驗需要環(huán)形水槽等大型設(shè)備，占地面積很大，并且實驗的設(shè)備及其他輔助裝置很多，耗電量大，這樣的實驗設(shè)備比較適合于生產(chǎn)科研專用，并不適合小型實驗及教學。這樣的大型設(shè)備用于實驗教學會產(chǎn)生以下幾點不足:1、占地面積大，投入成本多；2、實驗設(shè)備和實驗構(gòu)造復雜，如需進行其他實驗，不方便更換試驗段，且難以更換流動介質(zhì)；3、設(shè)備多且大，使得維護方式復雜并且費用高；4、實驗器材移動不便，給教學造成阻礙；5、使用過程中需要更多的資源并產(chǎn)生更多的噪音和廢氣污染。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的缺陷，同時保證可以清晰觀察到實驗現(xiàn)象的問題，提供一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置。該裝置在科研和教學中進行不同常溫流體的空化流動展示，實現(xiàn)裝配簡易、設(shè)備輕便、便于移動和操作便捷的目的。
[0005]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0006]一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，總體分為四部分:工作罐部分、試驗段部分、收集罐部分、輔助設(shè)備部分。
[0007]工作罐部分用于儲存并提供實驗液體；包括壓力表、排水控制閥、工作罐、氣體收集器，連接關(guān)系:工作罐上設(shè)置有壓力表和氣體收集器，工作罐下部開設(shè)有出水口、液體回流口與試驗段入水口 ；工作罐通過氣體收集器與大氣連通，氣體收集器可以防止工作罐內(nèi)實驗液體揮發(fā)污染環(huán)境，同時可以防止灰塵進入工作罐，卸下氣體收集器后可從管道口加入實驗液體。排水控制閥位于出水口處，用于排出實驗液體。
[0008]試驗段部分用于進行或停止實驗且進行可視化觀測；包括渦輪流量計、可視化試驗段、試驗控制閥，連接關(guān)系:渦輪流量計、可視化試驗段與試驗控制閥通過管道依次連接，可視化試驗段可更換從而進行其他幾何結(jié)構(gòu)的空化實驗。
[0009]所述可視化試驗段采用透明材料；所述可視化試驗段采用樹脂玻璃；
[0010]收集罐部分用于暫時儲存流經(jīng)試驗段部分的液體，實驗完成后收集罐內(nèi)液體將流回工作罐，通過真空泵減小收集罐內(nèi)壓力以實現(xiàn)實驗液體的流動；包括:真空泵、空氣控制閥、真空泵控制閥、壓力表、收集罐、回流控制閥，連接關(guān)系:收集罐下部開設(shè)有出水口和入水口 ；收集罐上安裝有壓力表；收集罐通過管路與真空泵連接，管路上安裝有真空泵控制閥；收集罐通過管路與大氣連通，管路上安裝有空氣控制閥；
[0011]輔助設(shè)備部分對可視化試驗段進行觀測同時記錄實驗圖像和數(shù)據(jù)，包括:渦輪流量計、光源控制器、光源、高速攝像機、計算機。
[0012]工作罐的試驗段入水口與渦輪流量計通過管路連接；試驗控制閥通過管路與收集罐的入水口連接；工作罐的液體回流口與收集罐的出水口通過管路連接，管路上設(shè)置有回流控制閥；可視化試驗段旁設(shè)有光源和連接計算機的高速攝像機用于采集圖像；光源控制器與光源連接，用于控制光源的強度。
[0013]具體工作過程如下:
[0014]實驗前保證所有閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)，卸下氣體收集器從管道口將實驗液體注入工作罐內(nèi)，工作罐通過氣體收集器與大氣連通以維持罐內(nèi)壓力恒定，工作罐裝有壓力表顯示罐內(nèi)壓力；開啟真空泵控制閥后，真空泵對收集罐內(nèi)進行抽壓，壓力表顯示收集罐內(nèi)壓力，真空泵將收集罐內(nèi)的壓力降到0.3個大氣壓以下后，真空泵控制閥關(guān)閉，真空泵停止工作，此時試驗控制閥前后形成壓力差；打開試驗控制閥，實驗隨即開始，工作罐內(nèi)的實驗液體將經(jīng)過試驗段部分流向收集罐，并在可視化試驗段喉口處發(fā)生空化現(xiàn)象，渦輪流量計測量液體來流流量，可視化試驗段旁設(shè)有光源和連接計算機的高速攝像機用于采集圖像；實驗過程中試驗控制閥前后的壓力差逐漸減小，空化現(xiàn)象停止發(fā)生后即可關(guān)閉試驗控制閥，收集罐安放在工作罐上方，用于收集實驗液體，開啟空氣控制閥后收集罐與大氣連通，開啟回流控制閥，收集罐內(nèi)的液體在重力作用下經(jīng)回流控制閥流回工作罐，由此完成一次實驗，關(guān)閉回流控制閥和空氣控制閥后，可再次通過真空泵調(diào)節(jié)收集罐內(nèi)的壓力進行下一工況實驗，并且可通過不同程度抽壓進行多種工況實驗，同時實現(xiàn)工作液體的循環(huán)使用。
[0015]若需要更換液體，工作罐下部出水口連接有管道及排水控制閥，打開排水控制閥，工作罐內(nèi)液體(整個實驗裝置內(nèi)的液體)即可排出，排水控制閥關(guān)閉后將氣體收集器及管道拆下，即可裝入新液體。
[0016]其他工作管道之間通過法蘭實行連接?？梢暬囼灦闻c管道亦為法蘭連接，且布置空間小，拆卸方便，在進行其他空化管道實驗時卸下本次所用試驗段再安裝其它實驗段即可。
[0017]有益效果
[0018]1、本發(fā)明的一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，不同于傳統(tǒng)的空化實驗設(shè)備，實驗設(shè)備簡易、輕便，便于拆卸及搬運，占用空間小，節(jié)約實驗用地，更便于教學使用。
[0019]2、本發(fā)明的一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，可應(yīng)用不同類型的試驗段，可以清晰觀察到不同的空化現(xiàn)象。
[0020]3、本發(fā)明的一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，它不需要連接水泵實現(xiàn)液體流動，只需要一個小型真空泵進行抽壓，工作罐內(nèi)的液體就可以在壓差驅(qū)動下通過試驗段最后流向收集罐。功率消耗降低及實驗消耗液體量減少，液體可多次重復利用，節(jié)約資源，減少排放，并且可快速更換研宄液體。
[0021]4、本發(fā)明的一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，實驗所需器材結(jié)構(gòu)簡單，不需過多精加工工件，構(gòu)件少，維護方便，減少實驗構(gòu)造及維護成本；試驗段法蘭連接，更換方便，減少為更換試驗段所消耗的不必要時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為基于壓力控制的小型空化實驗裝置示意圖；
[0023]圖2為工作罐部分主視示意圖；
[0024]圖3為工作罐部分三維示意圖；
[0025]圖4為試驗段部分主視示意圖；
[0026]圖5為試驗段部分三維示意圖；
[0027]圖6為可視化試驗段尺寸示意圖；
[0028]圖7為收集罐部分主視示意圖；
[0029]圖8為收集罐部分三維示意圖。
[0030]其中，1 一壓力表、2—排水控制閥、3—工作鍾、4一氣體收集器、5—禍輪流量計、6 一光源控制器、7—光源、8—可視化試驗段、9 一試驗控制閥、10 —尚速攝像機、11 一計算機、12一真空栗、13—空氣控制閥、14一真空栗控制閥、15—壓力表、16一收集鍾、17 —回流控制閥。

【具體實施方式】
[0031]一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，總體分為四部分:工作罐部分、試驗段部分、收集罐部分、輔助設(shè)備部分。
[0032]工作罐部分，如圖2所示，用于儲存并提供實驗液體；包括壓力表1、排水控制閥2、工作罐3、氣體收集器4，連接關(guān)系:工作罐3上設(shè)置有壓力表1和氣體收集器4，工作罐3下部開設(shè)有出水口、液體回流口與試驗段入水口 ；排水控制閥2位于出水口處，用于排出實驗液體。工作罐3通過氣體收集器4與大氣連通以維持罐內(nèi)壓力恒定，氣體收集器4可以防止工作罐3內(nèi)實驗液體揮發(fā)污染環(huán)境，同時可以防止灰塵進入工作罐3，卸下氣體收集器4后可從管道口加入實驗液體。
[0033]試驗段部分，如圖4所示，用于進行或停止實驗且進行可視化觀測；包括渦輪流量計5、可視化試驗段8、試驗控制閥9，連接關(guān)系:渦輪流量計5、可視化試驗段8與試驗控制閥9通過管道依次連接?？梢暬囼灦?可更換從而進行其他幾何結(jié)構(gòu)的空化實驗，試驗控制閥9，實現(xiàn)整個實驗的開閉控制。
[0034]所述可視化試驗段8采用透明材料；所述可視化試驗段8采用樹脂玻璃；
[0035]收集罐部分，如圖7所示，用于暫時儲存流經(jīng)試驗段部分的液體，實驗完成后收集罐內(nèi)液體將流回工作罐，通過真空泵減小收集罐內(nèi)壓力以實現(xiàn)實驗液體的流動；包括:真空泵12、空氣控制閥13、真空泵控制閥14、壓力表15、收集罐16、回流控制閥17，連接關(guān)系:收集罐16下部開設(shè)有出水口和入水口 ；收集罐16上安裝有壓力表15 ；收集罐16通過管路與真空泵12連接，管路上安裝有真空泵控制閥14 ；收集罐16通過管路與大氣連通，管路上安裝有空氣控制閥13 ；收集罐16下部入水口通過管道連接試驗控制閥9，下部出水口通過管路連接回流控制閥17 ；真空泵12可控制對收集罐16進行不同程度的抽壓(保證收集罐16內(nèi)的壓力在0.3個大氣壓以下)以便進行多種工況實驗，通過開啟空氣控制閥13可恢復收集罐16內(nèi)壓力，壓力表15可測定并顯示收集罐16內(nèi)的壓力。收集罐16安放在工作罐3上方，階段性實驗完成后，開啟空氣控制閥13，然后開啟回流控制閥17，收集罐16內(nèi)的液體在重力作用下流回工作罐3。
[0036]輔助設(shè)備部分，如圖1所示，對可視化試驗段8進行觀測同時記錄實驗圖像和數(shù)據(jù)，包括:渦輪流量計5、光源控制器6、光源7、高速攝像機10、計算機11。
[0037]工作罐3的試驗段入水口與渦輪流量計5通過管路連接；試驗控制閥9通過管路與收集罐16的入水口連接；工作罐3的液體回流口與收集罐16的出水口通過管路連接，管路上設(shè)置有回流控制閥17 ；可視化試驗段8旁設(shè)有光源7和連接計算機11的高速攝像機10用于采集圖像；光源控制器6與光源7連接，用于控制光源7的強度。
[0038]具體工作過程如下:
[0039]實驗前保證所有閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)，卸下氣體收集器4從管道口將實驗液體注入工作罐3內(nèi)，工作罐3通過氣體收集器4與大氣連通以維持罐內(nèi)壓力恒定，并裝有壓力表1顯示罐內(nèi)壓力；開啟真空泵控制閥14后，真空泵12對收集罐16內(nèi)進行抽壓，壓力表15顯示罐內(nèi)壓力，真空泵12將收集罐16內(nèi)的壓力降到0.2個大氣壓后，真空泵控制閥14關(guān)閉，真空泵12停止工作，此時試驗控制閥9前后形成壓力差；打開試驗控制閥9，實驗隨即開始，工作罐3內(nèi)的實驗液體將經(jīng)過可視化試驗段8流向收集罐16，并在可視化試驗段8喉口處發(fā)生空化現(xiàn)象，渦輪流量計5用以測量液體來流流量，可視化試驗段8旁設(shè)有光源7和連接計算機11的高速攝像機10用于采集圖像；實驗過程中試驗控制閥9前后的壓力差逐漸減小，空化現(xiàn)象停止發(fā)生后即可關(guān)閉試驗控制閥9，收集罐16安放在工作罐3上方，用于收集實驗液體，開啟空氣控制閥13后收集罐16與大氣連通，開啟回流控制閥17，收集罐16內(nèi)的液體在重力作用下經(jīng)回流控制閥17流回工作罐3，由此完成一次實驗，接下來可再次通過真空泵12調(diào)節(jié)收集罐16內(nèi)的壓力進行下一工況實驗，并且可通過不同程度抽壓進行多種工況實驗，同時實現(xiàn)工作液體的循環(huán)使用。
[0040]若需要更換液體，工作罐3下部連接有管道及排水控制閥2，打開排水控制閥2，工作罐3內(nèi)液體(整個實驗裝置內(nèi)的液體)即可排出，關(guān)閉后將氣體收集器4及管道拆下，即可裝入新液體。
[0041]可視化試驗段8與管道通過法蘭連接，且布置空間小，拆卸方便，在進行其他空化管道實驗時卸下本次可視化試驗段8再安裝其他試驗段即可。
【權(quán)利要求】
1.一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，其特征在于:由工作罐部分、試驗段部分、收集罐部分、輔助設(shè)備部分四部分組成； 工作罐部分包括壓力表(1)、排水控制閥(2)、工作罐(3)、氣體收集器(4)，連接關(guān)系:工作罐(3)上設(shè)置有壓力表(1)和氣體收集器(4)，工作罐(3)下部開設(shè)有出水口、液體回流口與試驗段入水口 ；卸下氣體收集器(4)后可從管道口加入實驗液體；排水控制閥(2)位于出水口處，用于排出實驗液體； 試驗段部分包括渦輪流量計(5)、可視化試驗段(8)、試驗控制閥(9)，連接關(guān)系:渦輪流量計(5)、可視化試驗段(8)與試驗控制閥(9)通過管道依次連接，可視化試驗段(8)可更換從而進行其他幾何結(jié)構(gòu)的空化實驗； 收集罐部分包括:真空泵(12)、空氣控制閥(13)、真空泵控制閥(14)、壓力表(15)、收集罐(16)、回流控制閥(17)，連接關(guān)系:收集罐(16)下部開設(shè)有出水口和入水口 ；收集罐(16)上安裝有壓力表(15);收集罐(16)通過管路與真空泵(12)連接，管路上安裝有真空泵控制閥(14);收集罐(16)通過管路與大氣連通，管路上安裝有空氣控制閥(13); 輔助設(shè)備部分包括:渦輪流量計(5)、光源控制器(6)、光源(7)、高速攝像機(10)、計算機(11); 工作罐(3)的試驗段入水口與渦輪流量計(5)通過管路連接；試驗控制閥(9)通過管路與收集罐(16)的入水口連接；工作罐(3)的液體回流口與收集罐(16)的出水口通過管路連接，管路上設(shè)置有回流控制閥(17);可視化試驗段(8)旁設(shè)有光源(7)和連接計算機(11)的高速攝像機(10)用于采集圖像；光源控制器(6)與光源(7)連接，用于控制光源(7)的強度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，其特征在于:所述可視化試驗段(8)采用透明材料。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，其特征在于:所述可視化試驗段(8)采用樹脂玻璃。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，其特征在于:所述工作罐(3)下部出水口連接有管道及排水控制閥(2)，打開排水控制閥(2)，工作罐(3)內(nèi)液體即可排出，排水控制閥(2)關(guān)閉后將氣體收集器(4)及管道拆下，即可裝入新液體。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，其特征在于:其他工作管道之間通過法蘭實行連接。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，其特征在于:可視化試驗段(8)與管道亦為法蘭連接。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，其特征在于:通過工作罐(3)與收集罐(16)之間形成壓差實現(xiàn)液體流動，通過試驗控制閥(9)控制實驗進行和停止。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于壓力控制的小型空化實驗裝置，其特征在于:通過工作罐⑶與收集罐(16)之間壓差的大小調(diào)節(jié)空化程度。
【文檔編號】G09B23/12GK104504970SQ201510005375
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月6日
【發(fā)明者】王國玉, 陳泰然, 黃彪, 齊海闊, 王坤 申請人:北京理工大學