CN109141813A - 一种环状空泡发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环状空泡发生装置。水箱内装有液体，水箱侧壁开有通孔，通孔处的水箱内侧壁固定有水平管，水平管和水箱侧壁的通孔同轴连通；水箱外侧壁固定有法兰盘，法兰盘外端面固定有多个水平平行设置的水平杆，活塞包括盘体和活塞杆，水平杆贯穿布置于盘体使得盘体套装于水平杆上沿水平杆导向移动，活塞杆一端固定在盘体一端面的中心，活塞杆另一端穿过水箱侧壁的通孔伸入到水平管内，活塞杆另一端和水平管内壁之间通过多道密封圈密封连接；活塞盘体的另一端面侧方设有冲击气缸，冲击气缸的气缸杆朝向活塞盘体布置。本发明能实现模拟高速脉冲射流在管口处的演化过程，也可作为环状空泡的物理行为研究的实验装置。

Description

一种环状空泡发生装置
技术领域
本发明涉及一种空泡发生器，具体地说是一种环状空泡发生装置。
背景技术
液流中局部压力低于相应温度下的饱和蒸气压时，局部液体将发生汽化形成空泡，这种现象称为空化。空泡溃灭时将在周围极小的空间内产生高温、高压和微射流，并引起振动和噪声问题。空化既会侵蚀机械元件，造成空蚀破坏，也可以加以利用，比如将空化应用与清洗、切割破碎物件以及提高石油钻钻速等。空泡溃灭的速度以及产生微射流的方向受空泡形状以及周边流场边界影响很大，其中涡环涡核发生空化形成的空泡由于涡环可传播距离远，影响范围也更远。
常见产生环状空泡的方式主要由两种：自振荡空化射流法和水下***法。自振荡空化射流法是利用亥姆霍兹共振腔使高压水射流发生自激振荡，自激振荡射流在管口处形成环状空泡。水下***法又可以分为燃烧法和铜丝短路法。燃烧法是利用在一端封闭的管子内部用电火花点燃可燃气体和氧气的混合物，燃烧产生大量热量使管中急速汽化。汽化产生的蒸汽泡高速膨胀，推动管内液体从管口高速射出，形成一个脉冲射流，最终在管口处形成一个环状空泡。铜丝短路法是在一个一端封闭的管子内部将两根铜丝搭接在一起，铜丝的两端分别接电容(一般低于250V)的正负极，当电路通路时，会产生很大的通路电流，使铜丝搭接处熔断。铜丝的熔断将迅速汽化周边的液体，在管内形成一个快速膨胀的空泡。管内空泡的快速膨胀将在管口处产生高速射流，并演化成高速旋转的涡环，最终形成一个环状空泡。
现有的空泡发生文献有：1.水中电火花气泡生成的实验装置及实验方法(CN102141523)；2.Collapse of a cavitating vortex ring(Journal of fluidengineering 1983年第105卷)；3.The use of self-resonating cavitating water jetsfor underwater sound generation(Journal of the acoustical society of America1985年第77卷)；4.Pulsation of cavitating vortex rings in water(Technicalphysics letters 2014年第40卷)；5.Thrust generation by pulse combustion of gasin a submerged chamber(International journal of multiphase flow 2016年第83卷)；6.Experimental investigation of vortex-ring cavitation(Journal ofZhejiang university-Science A2017年第18卷)。文献1采用低压电火花法产生空泡，所产生空泡的形状为球形，无法发生环状空泡。文献2和3采用自振荡空化射流的方法产生环状空泡，实验装置复杂。文献4和5采用燃烧可燃气体的水下***法产生环状空泡。文献6采用铜丝短路法产生环状空泡。以上实验装置均存在效果不理想，实验安全性较低的特点。
发明内容
为了解决背景技术存在的问题，本发明提供了一种操控方便的环状空泡发生装置。
本发明的目标是以下技术方案实现的：
本发明包括液体、水平管、水箱、法兰盘、活塞、限位螺母、气缸杆、冲击气缸、二位三通电磁阀、连接管、气源和二位五通电磁阀；水箱内装有液体，水箱侧壁开有通孔，通孔处的水箱内侧壁固定有水平管，水平管和水箱侧壁的通孔同轴连通；水箱外侧壁固定有法兰盘，法兰盘外端面固定有多个水平平行设置的水平杆，活塞包括盘体和活塞杆，水平杆贯穿布置于盘体使得盘体套装于水平杆上沿水平杆导向移动，活塞杆一端固定在盘体一端面的中心，活塞杆另一端穿过水箱侧壁的通孔伸入到水平管内，活塞杆另一端和水平管内壁之间通过多道密封圈密封连接；活塞盘体的另一端面侧方设有冲击气缸，冲击气缸的气缸杆朝向活塞盘体布置。
活塞运动的动力来源于冲击气缸的气缸杆运动的碰撞。通过冲击气缸工作撞击活塞，活塞快速向水箱中心运动并在位于水箱内的水平管管口处形成一个环状空泡，且环状空泡的径向尺寸以固定周期沿径向往复振荡。
所述的水平杆的两端均设有螺纹，两端的螺纹上均套装有限位螺母，通过调节限位螺母的位置调整活塞的盘体沿水平杆移动的范围。
所述的冲击气缸到水平杆外端的限位螺母的距离可调。
还包括气路控制模块，冲击气缸和气路控制模块连接，气路控制模块包括二位三通电磁阀、气源和二位五通电磁阀，冲击气缸的有杆腔和无杆腔分别连接到二位五通电磁阀一侧的两个端口，二位五通电磁阀另一侧的一个端口经连接管和气源连接；冲击气缸的无杆腔连接到二位三通电磁阀一侧的一侧端口，二位三通电磁阀另一侧的一个端口经连接管和气源连接。
所述的水箱沿水平管轴向的长度大于10倍水平管轴向长度。
所述的水平管、法兰盘、活塞和冲击气缸同轴同心布置。
所述的液体为水。
所述的水平管采用亚克力制成。
所述的水箱采用有机玻璃材料制成。
本发明的有益效果是：
本发明能实现模拟高速脉冲射流在管口处的演化过程，也可作为环状空泡的物理行为研究的实验装置。在产生环状空泡的同时，不会引起对周围流场大幅度的附加扰动，所以空泡的对称性好。在产生大环径(环径大于10mm)时，此方法可靠性和安全性都要优于水下***法。
附图说明
图1是本发明环状空泡发生装置的示意图；
图2是冲击气缸的气路控制示意图；
图3是装置产生环状空泡的原理图。
图4是具体实施产生的环状空泡的实施例图。
图中：液体1，水平管2，水箱3，法兰盘4，活塞5，限位螺母6，气缸杆7，冲击气缸8，二位三通电磁阀9，连接管10，气源11，二位五通电磁阀12，环状空泡13。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细地描述。
如图1所示，本发明具体实施包括液体1、水平管2、水箱3、法兰盘4、活塞5、限位螺母6、气缸杆7、冲击气缸8、二位三通电磁阀9、连接管10、气源11和二位五通电磁阀12；水箱3内装有液体1，液体1为水，水箱3侧壁开有通孔，通孔处的水箱3内侧壁固定有水平管2，水平管2的两端均开口相连通，水平管2和水箱3侧壁的通孔同轴连通；水箱3外侧壁固定有法兰盘4，法兰盘4竖直布置，法兰盘4外端面固定有多个水平平行设置的水平杆，活塞5包括盘体和活塞杆，水平杆贯穿布置于盘体使得盘体套装于水平杆上沿水平杆导向移动形成滑动副，4根螺杆在活塞5运动过程中起导轨作用。活塞杆一端固定在盘体一端面的中心，盘体另一端面朝向冲击气缸8，活塞杆另一端穿过水箱3侧壁的通孔伸入到水平管2内，活塞杆另一端和水平管2内壁之间通过多道密封圈密封连接，以减小水箱中液体通过管子2和活塞5配合处的泄露，密封圈尺寸略小于水平管2的内径，使得活塞5运动时不会与水平管内壁直接接触摩擦，产生很大的摩擦阻力；活塞5盘体的另一端面侧方设有冲击气缸8，冲击气缸8的气缸杆7朝向活塞5盘体布置。
具体地，在冲击气缸7工作，通过冲击气缸7撞击活塞5，气缸杆7撞击到活塞5的盘体后，活塞5的活塞杆瞬时达到很高的速度，活塞5的活塞杆运动使原处于水平管2中的液体高速射出管口，最终在管口处形成一个高速旋转的涡环，如图3所示。涡环的涡核处压力低于液体汽化的临界压力下，涡核发生空化而形成一个高速旋转的环状空泡13，如图4所示，环状空泡形成后将匀速朝背离水箱3通孔方向(即朝向水箱3中心方向)运动。
具体实施中，环状空泡的径向尺寸由管子2的内径决定。环状空泡的最大由冲击气缸7的冲击速度、限位螺母的位置决定。
水平管2、法兰盘4、活塞5和冲击气缸7同轴同心布置。具体实施安装时，须保证管子2、法兰盘4、活塞5和冲击气缸7同心，能够减小侧向力对设备的损害。水平杆的两端均设有螺纹，两端的螺纹上均套装有限位螺母6，通过调节限位螺母6的位置调整活塞5的盘体沿水平杆移动的范围，用来控制活塞5的运动行程。
水箱1沿水平管2轴向的长度大于10倍水平管2轴向长度，能减小水箱壁面对环状空泡运动的影响。冲击气缸8到水平杆外端的限位螺母6的距离可调。活塞5的初始位置为水平杆外端的右限位螺母6的位置。
如图2所示，具体实施还包括气路控制模块，冲击气缸8和气路控制模块连接，驱动冲击气缸的气源压力可调，具体是通过气路控制模块调节。气路控制模块包括二位三通电磁阀9、气源11和二位五通电磁阀12，冲击气缸8的有杆腔和无杆腔分别连接到二位五通电磁阀12一侧的两个端口，二位五通电磁阀12另一侧的一个端口经连接管10和气源11连接；冲击气缸8的无杆腔连接到二位三通电磁阀9一侧的一侧端口，二位三通电磁阀9另一侧的一个端口经连接管10和气源11连接。
冲击气缸的控制如图2所示：在初始状态时，两个电磁阀均接通起源，二位五通电磁阀12使冲击气缸8的气缸杆7回缩，而此时二位三通电磁阀9为常闭型，未与冲击气缸8接通。当二位五通电磁阀12通电时，电磁阀换向为气缸内部储气，然后二位三通电磁阀9通电，冲击气缸8的气缸杆7快速运动冲击活塞7。冲击完成之后，两个电磁阀均断电，冲击气缸8的气缸杆7回缩，恢复初始状态。
通过改变气源11压力改变冲击气缸8的气缸杆7的冲击速度。
气缸杆7撞击活塞5瞬间的速度应不低于8m/s，否则很难产生空泡。
气缸杆7的重量应大于活塞5的重量5倍以上。

Claims (9)

1.一种环状空泡发生装置，其特征是：包括液体(1)、水平管(2)、水箱(3)、法兰盘(4)、活塞(5)、限位螺母(6)、气缸杆(7)、冲击气缸(8)、二位三通电磁阀(9)、连接管(10)、气源(11)和二位五通电磁阀(12)；水箱(3)内装有液体(1)，水箱(3)侧壁开有通孔，通孔处的水箱(3)内侧壁固定有水平管(2)，水平管(2)和水箱(3)侧壁的通孔同轴连通；水箱(3)外侧壁固定有法兰盘(4)，法兰盘(4)外端面固定有多个水平平行设置的水平杆，活塞(5)包括盘体和活塞杆，水平杆贯穿布置于盘体使得盘体套装于水平杆上沿水平杆导向移动，活塞杆一端固定在盘体一端面的中心，活塞杆另一端穿过水箱(3)侧壁的通孔伸入到水平管(2)内，活塞杆另一端和水平管(2)内壁之间通过多道密封圈密封连接；活塞(5)盘体的另一端面侧方设有冲击气缸(8)，冲击气缸(8)的气缸杆(7)朝向活塞(5)盘体布置。
2.根据权利要求1所述的一种环状空泡发生装置，其特征是：所述的水平杆的两端均设有螺纹，两端的螺纹上均套装有限位螺母(6)，通过调节限位螺母(6)的位置调整活塞(5)的盘体沿水平杆移动的范围。
3.根据权利要求1所述的一种环状空泡发生装置，其特征是：所述的冲击气缸(8)到水平杆外端的限位螺母(6)的距离可调。
4.根据权利要求1所述的一种环状空泡发生装置，其特征是：还包括气路控制模块，冲击气缸(8)和气路控制模块连接，气路控制模块包括二位三通电磁阀(9)、气源(11)和二位五通电磁阀(12)，冲击气缸(8)的有杆腔和无杆腔分别连接到二位五通电磁阀(12)一侧的两个端口，二位五通电磁阀(12)另一侧的一个端口经连接管(10)和气源(11)连接；冲击气缸(8)的无杆腔连接到二位三通电磁阀(9)一侧的一侧端口，二位三通电磁阀(9)另一侧的一个端口经连接管(10)和气源(11)连接。
5.根据权利要求1所述的一种环状空泡发生装置，其特征是：所述的水箱(1)沿水平管(2)轴向的长度大于10倍水平管(2)轴向长度。
6.根据权利要求1所述的一种环状空泡发生装置，其特征是：所述的水平管(2)、法兰盘(4)、活塞(5)和冲击气缸(7)同轴同心布置。
7.根据权利要求1所述的一种环状空泡发生装置，其特征是：所述的液体(1)为水。
8.根据权利要求1所述的一种环状空泡发生装置，其特征是：所述的水平管(2)采用亚克力制成。
9.根据权利要求1所述的一种环状空泡发生装置，其特征是：所述的水箱(3)采用有机玻璃材料制成。
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