一种非定常空化流内部流场结构的测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公布了一种非定常空化流内部流场结构的测量系统。该测量系统由闭式空化水力回路和同步辐射X射线快速成像系统组成，空化水力回路包括实验段、储水箱、变频循环泵、冷却水箱、管道式电加热器、涡轮流量计和K型热电偶；X射线快速成像系统包括同步辐射光源、快门装置、光学放大镜、X射线探测器、90

【技术实现步骤摘要】
一种非定常空化流内部流场结构的测量系统及方法


[0001]本专利技术属于复杂多相流实验测量
，特别涉及一种非定常空化流内部流场结构的测量系统及方法。

技术介绍

[0002]空化是一种涉及液相及其蒸汽相之间传质传热的非定常多相流动现象。当液体的局部压力由于加速、流动分离、漩涡等原因降到饱和蒸汽压力以下时，空化就会发生。根据流场条件不同，空化可呈现出游移泡空化、片空化、云空化和涡空化等不同形式，其中云空化是片空化整体失稳脱落后形成的大尺度云状汽液混合物结构。空化强烈的非定常脱落和溃灭过程会导致机组性能下降、噪声、振动和结构破坏等负面效果。可见，空化问题是水动力学领域具有重大工程应用背景的基础科学问题，为了有效抑制或降低空化带来的不利因素，有必要深入研究其不稳定性动力学机制。
[0003]当前空化数值模拟面临许多困难与挑战，实验观测仍是空化流动深层次研究的主要手段。空化内部汽液两相形态的可视化以及两相流场的测量对揭示空化不稳定性流动机制具有重要意义，然而由于可见光在蒸汽/液体界面上的高反射和多重散射，使得空化流变得光学不透明，因此利用现有的光学测量技术(高速摄影、粒子图像测速和激光多普勒测速等)无法准确获取空化内部结构和流场信息。

技术实现思路

[0004]针对现有空化测量技术或方法的不足，本专利技术的目的是提供一种基于同步辐射X射线快速成像的空化内部汽液两相形态结构和流场的测量系统及方法。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种非定常空化流内部流场结构的测量系统，包括闭式空化水力回路和同步辐射X射线快速成像系统；
[0007]所述同步辐射X射线快速成像系统依次包括同步辐射光源、快门装置、光学放大镜、X射线探测器、90
°
反射镜和高速CCD相机；所述同步辐射光源用于释放高能高频脉冲式X射线；所述快门装置为一个上下开闭的机械式装置，可限制短时间内所接受到的X射线剂量；所述光学放大镜用于增大X射线照射区域面积；所述X射线探测器由闪烁晶体制成，可将X射线转变成可见光，经所述90
°
反射镜转向，由所述高速CCD相机记录下来。
[0008]所述闭式空化水力回路包括实验段、压力传感器、储水箱、真空泵、变频循环泵、冷却水箱、管道式电加热器、涡轮流量计、K型热电偶、流量反馈调节器以及压力反馈调节器；所述的实验段、储水箱、变频循环泵、冷却水箱、管道式电加热器、涡轮流量计和K型热电偶通过金属软管依次连接，形成闭式循环水洞；所述真空泵通过塑料软管与储水箱自由液面上方连接；所述流量反馈调节器与涡轮流量计和变频循环泵通过数据传输线连接，形成流量反馈调节回路，可实现流量的远程自动调控；所述压力反馈调节器与压力传感器和真空泵通过数据传输线连接，形成压力反馈调节回路，可实现压力的远程自动调控；所述整个空
化水力回路固定在铝制框架结构上；
[0009]进一步的，所述实验段设于所述光学放大镜和X射线探测器之间。
[0010]进一步的，所述实验段为方形文丘里型结构，包括上壁面部件、下壁面部件、前壁面部件、后壁面部件以及前后夹板；所述下壁面部件相对于所述上壁面部件的一侧具有喉部；所述上壁面部件、下壁面部件、前壁面部件和后壁面部件通过前后夹板用螺栓贯穿并用螺母固定，中间形成供流体流过的方形文丘里型流道，非定常空化流形成于所述文丘里型流道的喉部区域，也是X射线的成像区域。
[0011]进一步的，在所述前壁面部件和后壁面部件对应文丘里喉部的位置分别对称开有X射线通过窗口，可实现实验段X射线成像区域壁面厚度的减少。
[0012]进一步的，所述上壁面部件、下壁面部件、前壁面部件和后壁面部件由透明有机玻璃制成；所述前后夹板由不锈钢制成。
[0013]进一步的，所述文丘里型实验段的两端开有螺纹孔，用于与空化水力回路管道固定连接。
[0014]一种非定常空化流内部流场结构的测量方法，它使用如上所述的测量系统，并包括以下步骤：
[0015]步骤1，在储水箱中混入适量的平均直径17μm、比重1.4的镀银空心玻璃球作为示踪粒子，并搅拌均匀；
[0016]步骤2，调节的流量、压力和温度等流动参数，使闭式循环水洞中文丘里型实验段的喉部区域产生所需的非定常空化流动；
[0017]步骤3，将实验段固定在同步辐射X射线快速成像系统的样品台上，根据X射线的方向精细调节样品台的位置，保证X射线通过实验段开设的窗口照射形成空化的喉部区域；
[0018]步骤4，将高速CCD相机与X射线脉冲进行同步设置，开启同步辐射光源，X射线脉冲依次经过快门装置、光学放大镜、实验段喉部区域、X射线探测器和90
°
反射镜，最后高速CCD相机记录下空化流动的瞬态图像，包含空化内部汽液两相形态结构和散播的示踪粒子信息，对连续两张图像中的示踪粒子进行互相关分析，获得空化流的瞬态速度场分布；
[0019]步骤5，对采集的图像信息和数据进行多工况测量。
[0020]本专利技术的有益效果：
[0021]1.在闭式空化水力回路添加了流量和压力的反馈调节器，可根据设定值实现远程自动调控各流动参数，避免了实验人员靠近高能X射线带来的辐射危险；
[0022]2.本专利技术中的实验段非一体制造，而是由多个结构简单的部件组装形成，各部件易加工，成本低；对于易发生损坏的喉部区域，可对单独损坏部件进行更换，无需更换整个实验段，极大地节约了更换成本；整个实验段利用两个不锈钢夹板进行固定，无需任何粘合剂也能保证流道的气密性；
[0023]3.相比于常规的光学测量技术，本专利技术利用高能高频的脉冲式同步辐射X射线突破了空化汽液混合物的光学屏蔽问题，实现了高时空分辨率的空化内部汽液两相形态可视化以及速度场的测量。
附图说明
[0024]图1为本专利技术所述一种非定常空化流内部流场结构的测量系统结构示意图；
[0025]图2为本专利技术中文丘里型实验段的装配立体图；
[0026]图3为图2在Z方向的视图；
[0027]图4为图2在YZ平面上的剖视图；
[0028]图5为图2中实验段上、下壁面部件的立体图；
[0029]图6为图2中实验段前壁面部件的立体图；
[0030]图7为图2中实验段后壁面部件的立体图；
[0031]图8为X射线脉冲和相机的同步方案示意图。
[0032]其中，1.实验段；101.实验段上壁面部件；102.实验段下壁面部件；103.实验段前壁面部件；104.实验段后壁面部件；105.实验段前夹板；106.实验段后夹板；107.窗口；2.压力传感器；3.储水箱；4.真空泵；5.变频循环泵；6.冷却水箱；7.管道式电加热器；8.涡轮流量计，9.K型热电偶；10.流量反馈调节器；11.压力反馈调节器；12.同步辐射光源；13.快门装置；14.光学放大镜；15.X射线探测器；16.90
°
反射镜；17.高速CCD相机。
具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非定常空化流内部流场结构的测量系统，其特征在于，包括闭式空化水力回路和同步辐射X射线快速成像系统；所述同步辐射X射线快速成像系统包括：用于释放出高能脉冲式X射线的同步辐射光源(12)，沿所述同步辐射光源(12)释放出的高能脉冲式X射线的直线光路依次排列的快门装置(13)、光学放大镜(14)、X射线探测器(15)和90
°
反射镜(16)，所述高能脉冲式X射线经90
°
反射镜(16)转向后由高速CCD相机(17)记录下来；所述闭式空化水力回路包括：通过金属软管首尾相连的实验段(1)、储水箱(3)、变频循环泵(5)、冷却水箱(6)、管道式电加热器(7)、涡轮流量计(8)和K型热电偶(9)，形成闭式循环水洞；通过塑料软管与所述储水箱(3)自由液面上方连接的真空泵(4)；所述实验段(1)中空形成流体流道，所述流体流道内设有喉部，所述喉部前后连接有压力传感器(2)，所述喉部使所述流道先收缩后扩张，液体流过所述喉部时产生非定常空化流动；所述实验段(1)设于所述光学放大镜(14)和X射线探测器(15)之间。2.据权利要求1所述的非定常空化流内部流场结构的测量系统，其特征在于，所述闭式空化水力回路还包括：与所述涡轮流量计(8)和变频循环泵(5)通过数据传输线连接并形成流量反馈调节回路的流量反馈调节器(10)；与所述压力传感器(2)和真空泵(4)通过数据传输线连接并形成压力反馈调节回路的压力反馈调节器(11)。3.根据权利要求1或2所述的非定常空化流内部流场结构的测量系统，其特征在于，所述实验段(1)由透明材质制成的上壁面部件(101)、下壁面部件(102)、前壁面部件(103)和后壁面部件(104)组装成文丘里型结构，所述上壁面部件(101)和下壁面部件(102)间隔20cm～25cm相对设置，所述下壁面部件(102)相对于所述上壁面部件(101)的一侧上设置喉部，所述喉部为两条直边形成的高8cm～10cm的桥，所述前壁面部件(103)和后壁面部件(104)夹设于所述上壁面部件(101)和下壁面部件(102)沿长度方向的两侧；通...

【专利技术属性】
技术研发人员：张光建，胡必成，葛明明，张德胜，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：