【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种探测固液两相流中空泡初生与空蚀损伤交互影响的实验方法及系统，属于结构材料或结构部件损伤研究领域。
技术介绍
1、高速铁路作为我国“走出去”的高端装备之一，对其层间开裂、特别是雨水条件下的无砟轨道结构的伤损问题缺乏相关研究。通过现场对各型无砟轨道现场调研发现，对crtsⅲ型板式轨道结构服役情况现场调研发现，各型无砟轨道均出现了不同程度的损伤，其中层与层之间的破坏是无砟轨道结构性能劣化的典型现象。特别是，在降雨量丰富地区或排水不畅地段，无砟轨道破损速率较干燥地区快得多。
2、以双块式无砟轨道为例，在武广、郑西、遂渝等线路均发现预制轨枕与现浇道床板间出现裂纹的现象，由于郑西线的降雨量较少，道床板出现新旧混凝土裂纹后，轨道状态长时间保持不变，裂纹也没有明显发展。但在遂渝线和武广线，由于降雨量增大，列车经过时，离缝处的冒浆现象异常严重，且病害发展迅速。
3、研究结果表明，高速列车驶入带裂纹轨道上方的瞬间，由于环境因素和列车荷载的特性，具有一定的冲击作用，在冲击荷载与雨水耦合作用下，雨水在裂纹单进口有限水域内发生剧烈拥挤、混杂与扰动，流体微团之间的动量交换加强，产生剧烈的压强变化，为空化的产生、发展和溃灭创造了条件，空化相变生成空泡群，空泡群作为一种非稳态流场结构，在周围局部压力升高、空泡急速溃灭瞬间，在水流或固-液两相流介质中会形成局部高温高压环境，产生一束冲向混凝土壁面的高速微射流和冲击波，冲击到壁面上会产生几百甚至几千兆帕的压强，造成材料表面塑性变形乃至空蚀损伤，整个冲击过程强烈、复杂且短暂。
4、明确有限水域内空泡群与悬浮水泥基颗粒相互作用条件下空泡初生机理，固体颗粒运动轨迹与空泡演化过程影响机制，构建无砟轨道“充填层”部件在冲击荷载与雨水条件下空蚀损伤状态指标。为研究无砟轨道结构水泥基材料微裂纹扩展、损伤的产生、演化导致无砟轨道结构材料性能嬗变机理提供可参考的数据。对健全高速铁路运营安全保障体系、合理制定无砟轨道养护维修方法和规程具有重要意义。
5、此外，在高速航行的回转体、水翼、以及高速运转的螺旋桨叶片的表面低压区产生空化现象。空化相变生成大量气泡，构成空泡群，而它作为一种非稳态流场结构，在周围局部压力升高后发生溃灭。空泡群溃灭的瞬间产生的空蚀现象，特别是在含有固体颗粒的水流中，对水轮机、泵阀等过流部件及船舶螺旋桨的性能与寿命有极大影响。空蚀引起水轮机效率下降，产生振动与噪声，迫使机组频繁停机检修，且水轮机叶片的损伤和机组的剧烈振动，严重威胁着水电站的运行安全，空泡溃灭瞬间对固体或材料表面产生损伤，除了造成螺旋桨叶片的效率下降和断裂外，其引起的噪声也是各国工程技术人员致力解决的重要技术难题。空蚀不仅造成液压系统中元件磨损失效，也污染并加剧液压工作介质老化，从而加剧其它元件的磨损引起各类液压故障。因此，开展针对空蚀机理及材料表面的抗空蚀研究对于促进国防建设和经济发展具有重要意义。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种探测固液两相流中空泡初生与空蚀损伤交互影响的实验方法及系统，该实验系统及方法通过可拆卸空化发生器，用于研究高速运动水体中固体颗粒-空泡初生的相互作用关系、空泡生长位置点与微颗粒运动关系、空泡发生发展过程研究、空化发生器各部位的尺寸对空泡产生及溃灭过程的影响特性等。以解决高速运动流体、高速运动的固-液两相流体中空泡产生对结构部件损伤研究的基础性科学问题。
2、本专利技术提供一种探测固液两相流中空泡初生与空蚀损伤交互影响的实验方法，该方法是在流体循环系统内可拆卸式的接入空化发生器，根据实验需求更换匹配的空化发生器，空化发生器的空泡溃灭区由透明材料制成，且空泡溃灭区对应设置有空泡监测系统，流体循环系统内的流体为固液两相，其中固相为悬浮水泥基颗粒、空心微珠、二氧化硅颗粒、金属氧化物颗粒中的一种或多种组合。
3、本专利技术还提供了一种用于上述方法的实验系统，包括流体循环系统、空化发生器、冷光源、滤光镜、piv系统和上位机，空化发生器为透明材质制成的发生器，空化发生器接入流体循环系统的流体循环管路中，冷光源与piv系统正对地设置于空化发生器空泡溃灭区的相对两侧，滤光镜设置于piv系统与空化发生器之间，piv系统与上位机相连。
4、前述系统中，所述流体循环系统为水循环系统，包括水箱，一段输水管的一端伸至水箱的水体内，输水管的另一端经管道扩张段与空化发生器的入口端通过管路密封连接装置对接固定，输水管上设置有水泵，另一段输水管的一端伸至水箱内，另一端与空化发生器的出口端通过管路密封连接装置对接固定，在打开水泵后，叶轮在泵体内做高速旋转运动，泵体内的液体随着叶轮一块转动，水箱的水被吸入管内，开始形成水循环。
5、前述系统中，输水管和管道扩张段均对应设置有管道固定装置，用于将管道与墙体或地面进行固定，采用钢材质，保证管道在循环水流作用下不出现震动、移位等，不影响实验观测效果；
6、前述系统中，水箱和输水管均为透明材质制成，水箱的下部具有排水出口和对应的排水阀门；
7、前述系统中，所述管路密封连接装置包括密封橡胶圈和环向紧箍装置，空化发生器的入口端与管道扩张段的出口端直径相同，空化发生器的出口端与输水管直径相同，且空化发生器的两端分别与管道扩张段的出口端和输水管的端部之间对接，对接处环向套设密封橡胶圈并在密封橡胶圈外增设环向紧箍装置，以使空化发生器与管路之间密封对接，对接方式也可替换为法兰盘连接的方式；
8、前述系统中，所述管道扩张段上还设置有压力调节罐连接装置，用于与压力调节罐连接，通过压力调节罐调节管道扩张段内流体压力，管道扩张段的下游段上设置有水压力传感器，用于检测流体压力；
9、前述系统中，所述空化发生器为两端宽、中间窄的变径管状结构，由透明耐高温石英玻璃材质制作而成，硬度为摩氏七级，可见光透过率85％以上，空化发生器长度为250cm，其二氧化硅含量可达99.99％以上，具有耐高温、热膨胀系数低、耐热震性和电绝缘性能良好等特点，可透明的显示管道内部流场变化情况；
10、前述系统中，所述空化发生器由上至下依次为上部连接段、等直径工作段、空化观察及空蚀损伤测试段和下部连接段，上部连接段为缩径段，上部连接段和等直径工作段均为圆形管路，空化观察及空蚀损伤测试段的中部是横截面为方形的扩径段，扩径段处具有外突的试件安装区，用于将试件置于空化发生器内并嵌入试件安装区处，试件内侧面与试件安装区上下两侧扩径段的内壁相平齐，空化观察及空蚀损伤测试段的上部为由圆形至方形渐变段，空化观本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种探测固液两相流中空泡初生与空蚀损伤交互影响的实验方法，其特征在于：该方法是在流体循环系统内可拆卸式的接入空化发生器，根据实验需求更换匹配的空化发生器，空化发生器的空泡溃灭区由透明材料制成，且空泡溃灭区对应设置有空泡监测系统，流体循环系统内的流体为固液两相，其中固相为悬浮水泥基颗粒、空心微珠、二氧化硅颗粒、金属氧化物颗粒中的一种或多种组合。
2.一种用于权利要求1所述方法的实验系统，其特征在于：包括流体循环系统、空化发生器(10)、冷光源(11)、滤光镜(12)、PIV系统(13)和上位机(14)，空化发生器(10)为透明材质制成的发生器，空化发生器(10)接入流体循环系统的流体循环管路中，冷光源(11)与PIV系统(13)正对地设置于空化发生器(10)空泡溃灭区的相对两侧，滤光镜(12)设置于PIV系统(13)与空化发生器(10)之间，PIV系统(13)与上位机(14)相连。
3.根据权利要求2所述实验系统，其特征在于：所述流体循环系统为水循环系统，包括水箱(1)，一段输水管(4)的一端伸至水箱(1)的水体内，输水管(4)的另一端经管道扩张段(6)
4.根据权利要求2所述实验系统，其特征在于：输水管(4)和管道扩张段(6)均对应设置有管道固定装置(5)，用于将管道与墙体或地面进行固定。
5.根据权利要求3所述实验系统，其特征在于：所述管路密封连接装置(9)包括密封橡胶圈(16)和环向紧箍装置(17)，空化发生器(10)的入口端与管道扩张段(6)的出口端直径相同，空化发生器(10)的出口端与输水管(4)直径相同，且空化发生器(10)的两端分别与管道扩张段(6)的出口端和输水管(4)的端部之间对接，对接处环向套设密封橡胶圈(16)并在密封橡胶圈(16)外增设环向紧箍装置(17)，以使空化发生器(10)与管路之间密封对接。
6.根据权利要求2所述实验系统，其特征在于：所述管道扩张段(6)上还设置有压力调节罐连接装置(7)，用于与压力调节罐连接，通过压力调节罐调节管道扩张段(6)内流体压力，管道扩张段(6)的下游段上设置有水压力传感器(8)，用于检测流体压力。
7.根据权利要求2所述实验系统，其特征在于：所述空化发生器(10)为两端宽、中间窄的变径管状结构，由透明耐高温石英玻璃材质制作而成，硬度为摩氏七级，可见光透过率85％以上。
8.根据权利要求7所述实验系统，其特征在于：所述空化发生器(10)由上至下依次为上部连接段(19)、等直径工作段(20)、空化观察及空蚀损伤测试段(21)和下部连接段(22)，上部连接段(1)为缩径段，上部连接段(19)和等直径工作段(20)均为圆形管路，空化观察及空蚀损伤测试段(21)的中部是横截面为方形的扩径段，扩径段处具有外突的试件安装区(23)，用于将试件(29)置于空化发生器(10)内并嵌入试件安装区(23)处，试件(29)内侧面与试件安装区(23)上下两侧扩径段的内壁相平齐，空化观察及空蚀损伤测试段(21)的上部为由圆形至方形渐变段，空化观察及空蚀损伤测试段(21)的下部为由方形至圆形渐变段。
9.根据权利要求8所述实验系统，其特征在于：试件安装区(23)为楔形外凸结构，用于将楔形的试件(29)置于空化发生器(10)内并嵌入试件安装区(23)处，试件(29)内侧面与试件安装区(23)上下两侧扩径段的内壁相平齐，试件安装区(23)上分布开设有试件安装孔(24)，螺栓(27)经试件安装孔(24)打入试件(29)内，螺栓(27)外端旋紧设置有螺母(28)以将试件(29)紧固于试件安装区(23)内，且螺母(28)与试件安装孔(24)之间的螺栓(27)上密封压设有密封橡胶垫圈(25)和钢垫圈(26)。
10.根据权利要求7所述实验系统，其特征在于：所述空化发生器(10)为耦合式空化撞击流发生器，空化发生器(10)由上至下依次为上部连接段(19)、变径一段(30)、变径二段(31)、变径三段(32)、变径四段(33)和下部连接段(22)，各段均为均直径的圆形管路，即每一段各部位直径均相同，且变径三段(32)直径>上部连接段(19)直径>下部连接段(22)直径>变径一段(30)直径>变径二段(31)直径＝变径四段(33)直径。
...【技术特征摘要】
1.一种探测固液两相流中空泡初生与空蚀损伤交互影响的实验方法，其特征在于：该方法是在流体循环系统内可拆卸式的接入空化发生器，根据实验需求更换匹配的空化发生器，空化发生器的空泡溃灭区由透明材料制成，且空泡溃灭区对应设置有空泡监测系统，流体循环系统内的流体为固液两相，其中固相为悬浮水泥基颗粒、空心微珠、二氧化硅颗粒、金属氧化物颗粒中的一种或多种组合。
2.一种用于权利要求1所述方法的实验系统，其特征在于：包括流体循环系统、空化发生器(10)、冷光源(11)、滤光镜(12)、piv系统(13)和上位机(14)，空化发生器(10)为透明材质制成的发生器，空化发生器(10)接入流体循环系统的流体循环管路中，冷光源(11)与piv系统(13)正对地设置于空化发生器(10)空泡溃灭区的相对两侧，滤光镜(12)设置于piv系统(13)与空化发生器(10)之间，piv系统(13)与上位机(14)相连。
3.根据权利要求2所述实验系统，其特征在于：所述流体循环系统为水循环系统，包括水箱(1)，一段输水管(4)的一端伸至水箱(1)的水体内，输水管(4)的另一端经管道扩张段(6)与空化发生器(10)的入口端通过管路密封连接装置(9)对接固定，输水管(4)上设置有水泵(3)，另一段输水管(4)的一端伸至水箱(1)内，另一端与空化发生器(10)的出口端通过管路密封连接装置(9)对接固定。
4.根据权利要求2所述实验系统，其特征在于：输水管(4)和管道扩张段(6)均对应设置有管道固定装置(5)，用于将管道与墙体或地面进行固定。
5.根据权利要求3所述实验系统，其特征在于：所述管路密封连接装置(9)包括密封橡胶圈(16)和环向紧箍装置(17)，空化发生器(10)的入口端与管道扩张段(6)的出口端直径相同，空化发生器(10)的出口端与输水管(4)直径相同，且空化发生器(10)的两端分别与管道扩张段(6)的出口端和输水管(4)的端部之间对接，对接处环向套设密封橡胶圈(16)并在密封橡胶圈(16)外增设环向紧箍装置(17)，以使空化发生器(10)与管路之间密封对接。
6.根据权利要求2所述实验系统，其特征在于：所述管道扩张段(6)上还设置有压力调节罐连接装置(7)，用于与压...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐桂弘，胡毅，王静竹，陈孜伟，杨荣山，林红松，任娟娟，刘次啟，冉世欣，刘庆，段莉，
申请(专利权)人：贵州理工学院，
类型：发明
国别省市：
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