專利名稱：小型化的自循環(huán)空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，尤其涉及一種小型化的自循環(huán)空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)儀。
背景技術(shù)：
在液體流動(dòng)的局部地區(qū)，或由于流速過高，或邊界層分離，均會(huì)導(dǎo)致壓強(qiáng)降低，以致于降低到液流內(nèi)部出現(xiàn)氣體(或蒸氣)空泡或空穴，這種現(xiàn)象稱為空化(也叫氣穴)?？栈F(xiàn)象發(fā)生以后，由于其空穴里不是液體而是氣體，這就破壞了液流連續(xù)性的前提，空化區(qū)的壓強(qiáng)變化不再服從一般的能量定律。空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)儀是專門用于演示空化機(jī)理現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)儀器。
傳統(tǒng)的空化實(shí)驗(yàn)需用減壓箱或循環(huán)水槽等大型設(shè)備。為此需建造近百平方米的樓房，其電功率在50KW以上。這種裝置一般均為生產(chǎn)科研專設(shè)，不適于教學(xué)實(shí)驗(yàn)。用于實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)存在著一定弊端其一，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程龐大，占地面積動(dòng)輒數(shù)百上千平米，投入巨大；其二，設(shè)備龐大由此帶來的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)也復(fù)雜，運(yùn)行成本也較高；其三，設(shè)備龐大，工作噪聲大，對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種小型化的自循環(huán)空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)儀。
一種小型化的自循環(huán)空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于它具有自循環(huán)供水箱、在自循環(huán)供水箱內(nèi)設(shè)有潛水泵，自循環(huán)供水箱上布置流道顯示柜，流道顯示柜內(nèi)設(shè)有文氏型空化顯示流道、漸縮空化顯示流道、矩形閘門槽空化顯示流道、流線型閘門槽空化流動(dòng)顯示流道，各流道上部設(shè)有排氣閥，潛水泵出水口通過多個(gè)上水管分別連接流道顯示柜內(nèi)各流道，上水管上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，流道顯示柜尾部設(shè)置下水管連接自循環(huán)供水箱，漸縮空化顯示流道縮窄處設(shè)有測(cè)壓點(diǎn)，測(cè)壓點(diǎn)與空化杯上的管嘴用連通管連接，空化杯上的另一個(gè)管嘴與真空表用連通管連接，空化杯頂部裝有連接短管。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)1)一改以往系統(tǒng)龐大的作法，專門針對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)，將其整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)縮小簡(jiǎn)化，免去了專門實(shí)驗(yàn)建設(shè)用地；2)操作簡(jiǎn)便直觀，易于掌握，且適合于現(xiàn)代教學(xué)要求；
3)采用了小型獨(dú)立自循環(huán)供水系統(tǒng)，其用電功率僅為幾百瓦，且可重復(fù)利用實(shí)驗(yàn)水體，故極大地節(jié)約水和電力資源。


附圖是自循環(huán)空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
小型化的自循環(huán)空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)儀具有自循環(huán)供水箱11、在自循環(huán)供水箱11內(nèi)設(shè)有潛水泵14，自循環(huán)供水箱11上布置流道顯示柜5，流道顯示柜5內(nèi)設(shè)有文氏型空化顯示流道1、漸縮空化顯示流道2、矩形閘門槽空化顯示流道3、流線型閘門槽空化流動(dòng)顯示流道4，各流道上部設(shè)有排氣閥12，潛水泵14出水口通過多個(gè)上水管分別連接流道顯示柜5內(nèi)各流道，上水管上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥10，流道顯示柜5尾部設(shè)置下水管連接自循環(huán)供水箱11，漸縮空化顯示流道2縮窄處設(shè)有測(cè)壓點(diǎn)6，測(cè)壓點(diǎn)6與空化杯9上的管嘴8用連通管連接，空化杯9上的另一個(gè)管嘴8與真空表13用連通管連接，空化杯9頂部裝有連接短管7。
本實(shí)用新型的工作過程是啟動(dòng)空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)儀，自循環(huán)供水箱內(nèi)水體經(jīng)潛水泵提壓通過多個(gè)上水管分別進(jìn)入流道顯示柜內(nèi)文氏型空化顯示流道、漸縮空化顯示流道、矩形閘門槽空化顯示流道、流線型閘門槽空化流動(dòng)顯示流道四個(gè)流道，再經(jīng)四個(gè)流道兩側(cè)的下水管回到自循環(huán)供水箱。高速水流經(jīng)過各流到縮窄處時(shí)，造成相當(dāng)大真空，其真空度可由連接漸縮空化顯示流道喉頸處測(cè)壓點(diǎn)的真空表讀出。根據(jù)流道形狀不同分別形成游移型、邊界分離型和漩渦型等三種空化。
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本儀器可用以演示空化發(fā)生原理、典型工程空化現(xiàn)象、流道體型對(duì)空化的影響以及初生空穴數(shù)的定量量測(cè)等。
1、空化現(xiàn)象的演示在四個(gè)流道的三個(gè)閥門全開的條件下啟動(dòng)水泵，可看到在文氏型空化顯示流道、漸縮空化顯示流道的喉部和矩形閘門槽空化顯示流道流道的閘門槽處出現(xiàn)乳白色霧狀空化云，這就是空化現(xiàn)象，同時(shí)還可聽到由空化區(qū)發(fā)生的空化噪聲。根據(jù)儀器顯示的空化區(qū)域分析可知，容易發(fā)生空化的部位是高速液流邊界突變的流動(dòng)分離處，如水利工程中的深孔進(jìn)口、溢流壩面、閘門槽、分叉管、施工不平整處，及動(dòng)力機(jī)械中的水輪機(jī)、渦輪機(jī)、水泵和螺旋槳葉片的背面以及魚雷的尾部等。
2、空化機(jī)理流動(dòng)液體(以水為例)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，當(dāng)溫度升到100℃，沸騰時(shí)水體內(nèi)所產(chǎn)生大小不一的氣泡，就是空化。相應(yīng)此時(shí)溫度(100℃)，水的蒸汽壓強(qiáng)(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)被稱為汽化壓強(qiáng)(pν)，這種現(xiàn)象亦可在水溫不高，壓強(qiáng)較低時(shí)得以發(fā)生。
本儀器可清晰演示此現(xiàn)象的發(fā)生。先向空化杯中注入半杯溫水(水溫40℃左右)，壓緊橡皮塞蓋，然后與管嘴(杯兩側(cè)各1只)接通。在喉管負(fù)壓作用下，空化杯內(nèi)的空氣被吸出，。真空表讀數(shù)隨之增大。當(dāng)真空度接近(-10)m水柱時(shí)，杯中水就開始沸騰。這是常溫水在低壓下發(fā)生空化的現(xiàn)象。改變杯中水溫，汽化壓強(qiáng)(pν)也各不相同。不同水溫的pν值如下表所列。
表1 水的汽化壓強(qiáng)

空化形成的原因，可用“氣核理論”說明。該理論認(rèn)為，常壓下的普通水里總含有氣體，以肉眼察覺不到的微核狀態(tài)存在于水體。這種微核稱作氣核，直徑大約在10-5～10-6cm。當(dāng)壓強(qiáng)降到一定程度時(shí)，氣核就膨脹、積聚組成空泡?？捎脤?shí)驗(yàn)驗(yàn)證氣核的存在。啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，使之出現(xiàn)空化云，注意觀測(cè)流經(jīng)空化區(qū)的水體。在空化區(qū)前不見水中氣核，而流經(jīng)空化區(qū)后，則可見水中出現(xiàn)許多小氣泡。這些氣泡就是水體流經(jīng)空化區(qū)時(shí)，由其所挾帶的氣核積聚而成。
從以上觀察分析可知，氣核的存在是形成空化的基礎(chǔ)，負(fù)壓的出現(xiàn)是產(chǎn)生空化的條件。
3、空穴數(shù)的量測(cè)工程上，常以下列無量綱參數(shù)σ，作為衡量實(shí)際水流是否發(fā)生空化的指標(biāo)σ=p0-pνρu02/2=(p0-pν)/γu02/2g]]>式中，p0、u0分別為測(cè)點(diǎn)上游未受擾動(dòng)的壓強(qiáng)(絕對(duì))和流速；pν為液體的汽化壓強(qiáng)。
當(dāng)流道某處σ低至某值σ0時(shí)開始發(fā)生空化(σ0稱為初生空穴數(shù)或臨界空穴數(shù))。σ0隨邊界條件而異。
本儀器可測(cè)定σ0，其量測(cè)方法，以漸縮空化顯示流道為例說明如下首先在停機(jī)時(shí)，接長(zhǎng)漸縮空化顯示流道軟管，使之可將出水口移至箱外，以便量測(cè)流量用。然后，全關(guān)閥，啟動(dòng)水泵，漸開流道閥門，真空表讀數(shù)隨之增大，同時(shí)表針擺動(dòng)加劇(表明脈壓增強(qiáng))，當(dāng)真空增至一定值時(shí)，喉道開始出現(xiàn)時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的空泡，這就是初生空化。初生空化亦可借助空化發(fā)出的噪聲加以判別，空化初生時(shí)可聽到氣泡爆裂發(fā)出的細(xì)小噪聲。
量得初生空化時(shí)的有關(guān)物理量就可計(jì)得σ0，包括流道的下泄流量Q0，及喉道真空表讀數(shù)p0(相對(duì)壓強(qiáng))。
例，本儀器漸縮空化顯示流道喉部過水?dāng)嗝婷娣eA’＝0.6cm×0.4cm，側(cè)收縮系數(shù)ε＝0.95，實(shí)際過流面積A＝0.228cm2，實(shí)測(cè)Q0＝335cm3/s，p0/γ＝-6.73m及其水溫29℃(pν/γ＝0.408m水柱)，于是有σ0=(p0+pa-pν)/γ(Q/A)2/2g=3.192×1001101≈0.3]]>即實(shí)測(cè)臨界空穴數(shù)為0.3。本儀器漸縮空化顯示流道實(shí)際最大真空度可達(dá)10m水柱，流速高達(dá)18.8m/s。在3個(gè)閥門全開時(shí)，測(cè)得最小空穴數(shù)可達(dá)σmin＝-0.004。因σmin＜＜σ0，故產(chǎn)生強(qiáng)烈空化。
成果分析1、流道體型對(duì)空化的影響這種影響可從文氏型空化顯示流道、漸縮空化顯示流道的空化對(duì)比看出。在閥門開關(guān)相同的條件下，文氏型空化顯示流道的空化比漸縮空化顯示流道嚴(yán)重。表明前者初生空化數(shù)大于后者。
這也可從兩種體型閘槽的空化看出，矩形閘門槽空化顯示流道、流線型閘門槽空化流動(dòng)顯示流道分別設(shè)有矩形槽和下游具有斜坡的流線形槽。實(shí)驗(yàn)表明，在同等流量條件下，前者空化程度大于后者。正如國(guó)內(nèi)一些單位對(duì)門槽所做空蝕試驗(yàn)研究表明的那樣，矩形槽的初生空穴數(shù)σc1＝2.0，而下游1∶2邊坡的流線化門槽，其初生空穴數(shù)σc2＝0.6。流線化門槽前流速即使高達(dá)25m/s，斷面壓強(qiáng)水頭30m時(shí)，仍能防止空蝕破壞。
由此可知，流道體型對(duì)空化影響極大，是引發(fā)空化的重要條件之一。在高速流條件下，有時(shí)溢流壩面殘留的鋼筋頭，就可造成壩面大面積的空蝕破壞。因此，為防止空化發(fā)生，應(yīng)使壩面盡量光滑平整，流道體型盡量流線型化。
2、空化管節(jié)流裝置原理的演示應(yīng)指出的是，空化不僅有有害的一面，亦具有可利用的一面。空化管節(jié)流裝置就是一例。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的液體燃料供應(yīng)，要求不受大氣壓波動(dòng)的影響。換言之，火箭即使在太空中，其背壓比地面低于一個(gè)大氣壓的情況下，仍要求燃料供應(yīng)量保持不變。為此，在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)輸液管中，設(shè)有一種文氏空化管的節(jié)流裝置，用以實(shí)現(xiàn)恒定量供給燃料的要求。本儀器可演示此工作原理。方法是，在3個(gè)閥門全開時(shí)，測(cè)出兩種尾水位下漸縮空化顯示流道的出流量一是抬高尾水位(尾壓增高)，以空化云不消退為限(例實(shí)測(cè)得426cm3/s)；二是降低尾水位(尾壓降低)落差1m，再測(cè)出流量(例實(shí)測(cè)得為430cm3/s)。兩者幾乎相等。表明尾壓變化不影響空化管過流能力。其原因在于文氏管喉部產(chǎn)生了高度空化，壓強(qiáng)接近絕對(duì)真空。空化破壞了液流的連續(xù)性，能量方程在此已不適用。這時(shí)，即使尾部背壓再降低，喉部壓強(qiáng)也不可能再降(因已接近絕對(duì)真空)。因而，此時(shí)喉道過流量完全取決于喉道前壓強(qiáng)(供壓)。若供壓恒定，即使尾壓有變，流量仍恒定。
空化管在其它領(lǐng)域亦有廣泛的應(yīng)用。例如，制冷液體在壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)下高速流過文氏管時(shí)，因壓力驟降而發(fā)生空化，由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。液體汽化時(shí)需從周圍吸取大量熱能，從而達(dá)到制冷效果。之后，壓縮機(jī)再把氣體壓縮成液體，并釋放出大量熱，通過散熱片排至大氣，從而完成了熱量交換。
權(quán)利要求1.一種小型化的自循環(huán)空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于它具有自循環(huán)供水箱(11)、在自循環(huán)供水箱(11)內(nèi)設(shè)有潛水泵(14)，自循環(huán)供水箱(11)上布置流道顯示柜(5)，流道顯示柜(5)內(nèi)設(shè)有文氏型空化顯示流道(1)、漸縮空化顯示流道(2)、矩形閘門槽空化顯示流道(3)、流線型閘門槽空化流動(dòng)顯示流道(4)，流道顯示柜(5)上部設(shè)有排氣閥(12)，潛水泵(14)出水口通過多個(gè)上水管分別連接流道顯示柜(5)內(nèi)各流道，上水管上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥(10)，流道顯示柜(5)尾部設(shè)置下水管連接自循環(huán)供水箱(11)，漸縮空化顯示流道(2)縮窄處設(shè)有測(cè)壓點(diǎn)(6)，測(cè)壓點(diǎn)(6)與空化杯(9)上的管嘴(8)用連通管連接，空化杯(9)上的另一個(gè)管嘴(8)與真空表(13)用連通管連接，空化杯(9)頂部裝有連接短管(7)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種小型化的自循環(huán)空化機(jī)理實(shí)驗(yàn)儀。它具有自循環(huán)供水箱、在自循環(huán)供水箱內(nèi)設(shè)有潛水泵，自循環(huán)供水箱上布置流道顯示柜，流道顯示柜內(nèi)設(shè)有文氏型空化顯示流道、漸縮空化顯示流道、矩形閘門槽空化顯示流道、流線型閘門槽空化流動(dòng)顯示流道，各流道上部設(shè)有排氣閥，潛水泵出水口通過多個(gè)上水管分別連接流道顯示柜內(nèi)各流道，上水管上設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，流道顯示柜尾部設(shè)置下水管連接自循環(huán)供水箱，漸縮空化顯示流道縮窄處設(shè)有測(cè)壓點(diǎn)，測(cè)壓點(diǎn)與空化杯上的管嘴用連通管連接，空化杯上的另一個(gè)管嘴與真空表用連通管連接，空化杯頂部裝有連接短管。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，操作簡(jiǎn)便直觀，易于掌握。
文檔編號(hào)G09B25/00GK2720543SQ20042008166
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2004年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月23日
發(fā)明者毛根海, 陳少慶, 胡衛(wèi)紅, 章軍軍, 楊敏麗, 胡云進(jìn) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)