專利名稱：小型化的自循環空化機理實驗儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及教學實驗儀器，尤其涉及一種小型化的自循環空化機理實驗儀。
背景技術：
在液體流動的局部地區，或由于流速過高，或邊界層分離，均會導致壓強降低，以致于降低到液流內部出現氣體(或蒸氣)空泡或空穴，這種現象稱為空化(也叫氣穴)。空化現象發生以后，由于其空穴里不是液體而是氣體，這就破壞了液流連續性的前提，空化區的壓強變化不再服從一般的能量定律。空化機理實驗儀是專門用于演示空化機理現象的實驗儀器。
傳統的空化實驗需用減壓箱或循環水槽等大型設備。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科研專設，不適于教學實驗。用于實驗演示教學存在著一定弊端其一，基礎設施建設工程龐大，占地面積動輒數百上千平米，投入巨大；其二，設備龐大由此帶來的設備運行維護也復雜，運行成本也較高；其三，設備龐大，工作噪聲大，對周圍環境產生噪聲污染。
發明內容
本發明的目的是提供一種小型化的自循環空化機理實驗儀。
一種小型化的自循環空化機理實驗儀，其特征在于它具有自循環供水箱、在自循環供水箱內設有潛水泵，自循環供水箱上布置流道顯示柜，流道顯示柜內設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顯示流道，各流道上部設有排氣閥，潛水泵出水口通過多個上水管分別連接流道顯示柜內各流道，上水管上設置流量調節閥，流道顯示柜尾部設置下水管連接自循環供水箱，漸縮空化顯示流道縮窄處設有測壓點，測壓點與空化杯上的管嘴用連通管連接，空化杯上的另一個管嘴與真空表用連通管連接，空化杯頂部裝有連接短管。
本發明的優點1)一改以往系統龐大的作法，專門針對教學設計，將其整個實驗系統縮小簡化，免去了專門實驗建設用地；2)操作簡便直觀，易于掌握，且適合于現代教學要求；
3)采用了小型獨立自循環供水系統，其用電功率僅為幾百瓦，且可重復利用實驗水體，故極大地節約水和電力資源。
附圖是自循環空化機理實驗儀結構示意圖。
具體實施例方式
小型化的自循環空化機理實驗儀具有自循環供水箱11、在自循環供水箱11內設有潛水泵14，自循環供水箱11上布置流道顯示柜5，流道顯示柜5內設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顯示流道4，各流道上部設有排氣閥12，潛水泵14出水口通過多個上水管分別連接流道顯示柜5內各流道，上水管上設置流量調節閥10，流道顯示柜5尾部設置下水管連接自循環供水箱11，漸縮空化顯示流道2縮窄處設有測壓點6，測壓點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。
本發明的工作過程是啟動空化機理實驗儀，自循環供水箱內水體經潛水泵提壓通過多個上水管分別進入流道顯示柜內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顯示流道四個流道，再經四個流道兩側的下水管回到自循環供水箱。高速水流經過各流到縮窄處時，造成相當大真空，其真空度可由連接漸縮空化顯示流道喉頸處測壓點的真空表讀出。根據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。
實驗內容本儀器可用以演示空化發生原理、典型工程空化現象、流道體型對空化的影響以及初生空穴數的定量量測等。
1、空化現象的演示在四個流道的三個閥門全開的條件下啟動水泵，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乳白色霧狀空化云，這就是空化現象，同時還可聽到由空化區發生的空化噪聲。根據儀器顯示的空化區域分析可知，容易發生空化的部位是高速液流邊界突變的流動分離處，如水利工程中的深孔進口、溢流壩面、閘門槽、分叉管、施工不平整處，及動力機械中的水輪機、渦輪機、水泵和螺旋槳葉片的背面以及魚雷的尾部等。
2、空化機理流動液體(以水為例)在標準大氣壓下，當溫度升到100℃，沸騰時水體內所產生大小不一的氣泡，就是空化。相應此時溫度(100℃)，水的蒸汽壓強(標準大氣壓)被稱為汽化壓強(pυ)，這種現象亦可在水溫不高，壓強較低時得以發生。
本儀器可清晰演示此現象的發生。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(杯兩側各1只)接通。在喉管負壓作用下，空化杯內的空氣被吸出，。真空表讀數隨之增大。當真空度接近(-10)m水柱時，杯中水就開始沸騰。這是常溫水在低壓下發生空化的現象。改變杯中水溫，汽化壓強(pυ)也各不相同。不同水溫的pυ值如下表所列。
表1 水的汽化壓強
空化形成的原因，可用“氣核理論”說明。該理論認為，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存在于水體。這種微核稱作氣核，直徑大約在10-5～10-6cm。當壓強降到一定程度時，氣核就膨脹、積聚組成空泡。可用實驗驗證氣核的存在。啟動實驗儀，使之出現空化云，注意觀測流經空化區的水體。在空化區前不見水中氣核，而流經空化區后，則可見水中出現許多小氣泡。這些氣泡就是水體流經空化區時，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，負壓的出現是產生空化的條件。
3、空穴數的量測工程上，常以下列無量綱參數σ，作為衡量實際水流是否發生空化的指標σ=p0-pυρu02/2=(p0-pυ)/γu02/2g]]>式中，p0、u0分別為測點上游未受擾動的壓強(絕對)和流速；pυ為液體的汽化壓強。
當流道某處σ低至某值σ0時開始發生空化(σ0稱為初生空穴數或臨界空穴數)。σ0隨邊界條件而異。
本儀器可測定σ0，其量測方法，以漸縮空化顯示流道為例說明如下首先在停機時，接長漸縮空化顯示流道軟管，使之可將出水口移至箱外，以便量測流量用。然后，全關閥，啟動水泵，漸開流道閥門，真空表讀數隨之增大，同時表針擺動加劇(表明脈壓增強)，當真空增至一定值時，喉道開始出現時隱時現的空泡，這就是初生空化。初生空化亦可借助空化發出的噪聲加以判別，空化初生時可聽到氣泡爆裂發出的細小噪聲。
量得初生空化時的有關物理量就可計得σ0，包括流道的下泄流量Q0，及喉道真空表讀數p0(相對壓強)。
例，本儀器漸縮空化顯示流道喉部過水斷面面積A’＝0.6cm×0.4cm，側收縮系數ε＝0.95，實際過流面積A＝0.228cm2，實測Q0＝335cm3/s，p0/γ＝-6.73m及其水溫29℃(pυ/γ＝0.408m水柱)，于是有σ0=(p0+pa-pυ)/γ(Q/A)2/2g=3.192×1001101≈0.3]]>即實測臨界空穴數為0.3。本儀器漸縮空化顯示流道實際最大真空度可達10m水柱，流速高達18.8m/s。在3個閥門全開時，測得最小空穴數可達σmin＝-0.004。因σmin＜＜σ0，故產生強烈空化。
成果分析1、流道體型對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比看出。在閥門開關相同的條件下，文氏型空化顯示流道的空化比漸縮空化顯示流道嚴重。表明前者初生空化數大于后者。
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顯示流道分別設有矩形槽和下游具有斜坡的流線形槽。實驗表明，在同等流量條件下，前者空化程度大于后者。正如國內一些單位對門槽所做空蝕試驗研究表明的那樣，矩形槽的初生空穴數σc1＝2.0，而下游1∶2邊坡的流線化門槽，其初生空穴數σc2＝0.6。流線化門槽前流速即使高達25m/s，斷面壓強水頭30m時，仍能防止空蝕破壞。
由此可知，流道體型對空化影響極大，是引發空化的重要條件之一。在高速流條件下，有時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，為防止空化發生，應使壩面盡量光滑平整，流道體型盡量流線型化。
2、空化管節流裝置原理的演示應指出的是，空化不僅有有害的一面，亦具有可利用的一面。空化管節流裝置就是一例。液體火箭發動機的液體燃料供應，要求不受大氣壓波動的影響。換言之，火箭即使在太空中，其背壓比地面低于一個大氣壓的情況下，仍要求燃料供應量保持不變。為此，在火箭發動機輸液管中，設有一種文氏空化管的節流裝置，用以實現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個閥門全開時，測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(例實測得426cm3/s)；二是降低尾水位(尾壓降低)落差1m，再測出流量(例實測得為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生了高度空化，壓強接近絕對真空。空化破壞了液流的連續性，能量方程在此已不適用。這時，即使尾部背壓再降低，喉部壓強也不可能再降(因已接近絕對真空)。因而，此時喉道過流量完全取決于喉道前壓強(供壓)。若供壓恒定，即使尾壓有變，流量仍恒定。
空化管在其它領域亦有廣泛的應用。例如，制冷液體在壓縮機驅動下高速流過文氏管時，因壓力驟降而發生空化，由液態變為氣態。液體汽化時需從周圍吸取大量熱能，從而達到制冷效果。之后，壓縮機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。
權利要求
1.一種小型化的自循環空化機理實驗儀，其特征在于它具有自循環供水箱(11)、在自循環供水箱(11)內設有潛水泵(14)，自循環供水箱(11)上布置流道顯示柜(5)，流道顯示柜(5)內設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顯示流道(4)，流道顯示柜(5)上部設有排氣閥(12)，潛水泵(14)出水口通過多個上水管分別連接流道顯示柜(5)內各流道，上水管上設置流量調節閥(10)，流道顯示柜(5)尾部設置下水管連接自循環供水箱(11)，漸縮空化顯示流道(2)縮窄處設有測壓點(6)，測壓點(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)。
全文摘要
本發明公開了一種小型化的自循環空化機理實驗儀。它具有自循環供水箱、在自循環供水箱內設有潛水泵，自循環供水箱上布置流道顯示柜，流道顯示柜內設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顯示流道，各流道上部設有排氣閥，潛水泵出水口通過多個上水管分別連接流道顯示柜內各流道，上水管上設置流量調節閥，流道顯示柜尾部設置下水管連接自循環供水箱，漸縮空化顯示流道縮窄處設有測壓點，測壓點與空化杯上的管嘴用連通管連接，空化杯上的另一個管嘴與真空表用連通管連接，空化杯頂部裝有連接短管。本發明結構簡單，能耗低，操作簡便直觀，易于掌握，且適合于現代教學要求。
文檔編號G09B23/00GK1588487SQ200410053
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月23日 優先權日2004年7月23日
發明者毛根海, 陳少慶, 胡衛紅, 章軍軍, 楊敏麗, 胡云進 申請人:浙江大學