可视化粘性油液非定常空化观测试验台

1.本发明涉及一种空化观测试验台，具体涉及一种可视化粘性油液非定常空化观测试验台，属于流体力学、空化和试验观测技术领域。


背景技术：

2.当液体中某个部位的压力低于一定阈值时将产生空泡，空化是研究液体中空泡产生、发展、破灭机理及规律的物理科学。随着工业技术的迅速发展，粘性油液如油液因其润滑性、抗氧抗腐性、耐低/高温性等优越的特性成为泵、阀、离合器、液力元件、液压系统的工作介质，在冶金、制造、能源、汽车、航空航天等领域得到广泛应用，成为人类工业中不可或缺的润滑剂、冷却剂和工作剂。因此，粘性油液的空化现象也出现在各种流体机械中。
3.粘性油液空化作为高速低压流动产物，贯穿于阀、泵、马达、液力变矩器等各类流体元件服役过程，成为流体元件的顽症及性能、可靠性提升的技术瓶颈。随着流体元件向着高速、重载和高功率密度方向发展，其内部空间进一步压缩、油液流动更加复杂，极易出现局部高速射流、强涡流及高温，导致空化更容易产生。空化不仅严重影响流体元件或系统的性能，还会改变其内部流动状态、阻塞液体流动，同时空泡的溃灭也会造成局部瞬时超高压和强振动，在结构表面产生气蚀破坏，降低使用寿命或导致元件失效，造成经济损失甚至严重事故。
4.然而，目前的空化研究主要围绕水或特定的流体元件进行，针对粘性油液空化的基础研究相对较少。然而，粘油的物理性质与水相比有很大的不同，主要表现为极低的汽化压力、较高的粘度和气体溶解度、较多的非凝结气体含量以及尺寸较大的空化核。水介质空化后空泡内气相物质主要为水蒸汽，其空化实质为水的相变过程，称为蒸汽型空化，对应模型也以相变为基础。而粘性油液的粘度往往为水的100～1000倍，饱和蒸汽压为水的1/100～1/10，因此油液由液相变为气相需要更为苛刻的条件，在一般情况下液压油很难发生相变。但是，常温下水的空气体积含量通常为2％～3％，而粘性油液的空气体积含量通常为5.6％～9.4％甚至更高，是水的2.5～3.1倍。因此从物理机理上看，油介质空化与水介质空化有着较大的不同，目前对流体元件、系统空化的研究依然以实验及数值方法为主，针对具体对象开展了系列空化特性测试及仿真，并获得了一些规律，但尚缺乏针对粘性油液空化初生机理及动态演变特性方面系统性的研究。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种可视化粘性油液非定常空化观测试验台，可用于粘性油液如液压油的空化的发生和观测。
6.本发明的技术方案为：一种可视化粘性油液非定常空化观测试验台，包括：流体动力源、温控单元、空化发生单元、传感器单元以及测控单元；
7.所述流体动力源作为供油单元，用于向所述空化发生单元提供具有设定压力和流速的粘性油液，并形成循环的粘性油液流动回路；
8.所述温控单元用于对所述流体动力源中的粘性油液进行温度调控；
9.所述空化发生单元具有可视化试验段，具有设定压力和流速的粘性油液流速流经所述可视化验段，产生非定常空化现象；
10.所述传感器单元用于实时监测所述空化发生单元前后粘性油液的压力、流速、温度以及气体含量；
11.所述测控单元包括用于控制整个试验台运行的控制单元以及对所述空化发生单元中可视化试验段内发生的空化现象进行观察的观测单元。
12.优选的，所述流体动力源包括：储液箱、液压主泵及其配套电机a；
13.所述储液箱内部具有吸油区与回油区，所述吸油区与回油区之间通过过滤孔连通；
14.所述液压主泵的进油口通过管路与储液箱的吸油区相连，出油口通过管路与空化发生单元的进油口相连，所述空化发生单元的出油口通过回油管路与储液箱中的回油区相连；
15.通过调节所述电机a的转速控制所述粘性油液的流速；
16.通过调节所述回油管路上背压溢流阀的开口大小调节所述粘性油液的压力。
17.优选的，所述空化发生单元的出油口分别通过两条回油管路与储液箱中的回油区相连；
18.令两条回油管路分别为回油管路a和回油管路b，仅在所述回油管路a上设置背压溢流阀；当所述回油管路a和所述回油管路b均打开时，实现0压大流量工况；当所述回油管路b关闭，所述回油管路a打开时，通过调节所述背压溢流阀的开口大小实现所述粘性油液压力的调节。
19.优选的，所述流体动力源中还设置有蓄能器组；
20.所述液压主泵的出油口设置一个分支管路，该分支管路进一步分为两个支路，一个支路通过所述蓄能器组与储液箱连通，另一个支路通过设置有安全卸荷阀的管路与储液箱连通。
21.优选的，所述储液箱中设置有空气滤清器和液位/液温计；
22.外部大气通过空气滤清器与所述储液箱连通；
23.所述液位/液温计用于实时监测储液箱内粘性油液的液面高度以及粘性油液的温度。
24.优选的，所述温控单元为独立于所述流体动力源的温控循环；包括：循环泵及配套电机b、冷却器以及加热器；
25.所述循环泵的进口通过管路与储液箱连通，出口通过依次设置有冷却器和加热器的管路与储液箱连通，由此形成温控循环管路。
26.优选的，所述冷却器并联有一个带有开关阀的管路，当开关阀处于打开状态时，所述循环泵出来的粘性油液直接到达加热器中，经过加热后再流回储液箱。
27.优选的，所述空化发生单元包括：整流栅、收缩段、可视化试验段以及扩散段；
28.所述整流栅安装在所述流体动力源出口和所述收缩段之间，其内部分布栅格式的稳流道装置；
29.所述收缩段位于所述整流栅的下游，用于均匀加速粘性油液；
30.所述可视化试验段位于所述收缩段和所述扩散段之间；所述可视化试验段中安装有可旋转的被试翼型，当所述粘流体流经可视化试验段时，在被试翼型表面产生空化现象；
31.所述扩散段位于所述可视化试验段的下游，用于降低粘性油液的流速。
32.优选的，所述被试翼型与设置在可视化试验段外部的带有刻度且可在一定角度范围内自由旋转的圆盘相连，通过圆盘能够实现被试翼型攻角的调整，通过所述圆盘上的刻度能够明确获知所调整的角度。
33.优选的，所述测控单元中的控制单元包括：主泵控制器、循环泵控制器、温度控制器和数采模块；
34.观测单元包括：高速相机、piv片光源和同步器；
35.所述主泵控制器用于所述流体动力源中液压主泵及其配套电机a的控制；
36.所述循环泵控制器为温控单元中循环泵及其配套电机b的控制；
37.所述温度控制器用于温控单元中冷却器和加热器的启停以及功率的控制；
38.所述高速相机用于实时拍摄记录所述可视化试验段内的流动状态和空化现象；
39.所述piv片光源为脉冲激光片光源，通过用激光器转换出的片光原照亮流场中的粒子或者空泡，用于辅助高速相机进行所述可视化试验段内的空化观测；
40.所述同步器用于给所述高速相机和piv片光源中的激光器发出同步信号，协调所述高速相机和激光器的同步工作；
41.所述数采模块实现所述传感器单元中所有传感器信号以及所述高速相机所拍摄数据的同步采集。
42.有益效果：
43.(1)本发明的试验台实现了粘性油液空化的发生和可视化观测试验：
44.本发明从粘性油液机械的空化现象出发，通过分析其内部空化产生的参数需求(如压力、流速、温度等参数)，基于粘性油液空化产生的条件(临界空化数、粘性油液的饱和蒸汽压)，设计了该可视化粘性油液空化发生和观测的试验平台和系统。
45.(2)本发明的试验台能够开展多种压力工况(0～4mpa)的粘性油液的空化发生和观测试验：本发明的试验台中，通过变频电机调节流体的循环流量，即试验段中流体的流速；通过背压阀调节系统的压力，即试验段中流体的压力，调节范围为0～4mpa。具体实施方案为：流体动力源中有两条回油管路，分别为包含背压阀的回油管路a和不包含背压阀的回油管路b；当回油管路a和回油管路b均打开时，则可实现0压大流量的工况；当回油管路b关闭，回油管路a打开时，可通过调节背压阀先导阀芯的开口大小实现流体压力的调节。
46.(3)本发明的试验台能够实现大温度范围尤其是高温度工况(120℃)的粘性油液的空化发生和观测：与水不同，粘性油液具有很强的粘温特性，即温度的变化会严重改变粘性油液的密度、粘度和饱和蒸汽压等属性，也就对其空化的产生和发展有着巨大的影响。为了实现温度工况范围内的粘性油液空化研究，本发明的试验台中设置有独立的大功率温控单元，可对粘性油液进行温度控制，可实现0～120℃的温控调节。此外，本试验台中的所有部件、设备和传感器等都为耐高温型的，完全可以满足大温度范围尤其是高温度工况(120℃)的粘性油液的空化发生和观测。
47.(4)本发明的试验台能够对试验粘性油液的气体含量进行实时监测：本发明的试验台在传感器单元中除了包含常用的压力、温度和流量传感器外，还增加了气体含量传感
器，分别安装在空化发生单元的前后两端，以对通过试验段前后的粘性油液的气体含量进行实时监测，充分了解和研究粘性油液的空化产生和演变机理。
48.(5)本发明的试验台能够根据试验需求进行角度变换、尺寸更改、翼型更换、结构调整或者自主设计，以满足多种流动试验的观测：本发明试验台中的空化发生单元为组合式结构，各部件可根据试验需求自由拆装和更换。此外，可视化试验段中的翼型连接一个带有刻度且可在一定角度范围内自由旋转的圆盘，不仅可以实现翼型攻角的调整，还可拆卸和更换为其他翼型或者结构，以满足多种结构流动的空化试验观测。
49.(6)本发明的试验台结构和尺寸小，便于安装和维护：本发明的试验台参考水洞空化试验平台原理，基于粘性油液的空化初生机理，获取相关粘油发生空化所需条件，并作为粘油翼型绕流空化试验的最低设计参数。依据相似理论，以斯德鲁哈数(反映了流动的非定常特性)和空化数(反映了流动的空化性质)为相似参数，对空化发生单元进行了缩比设计，不仅满足了粘性油液空化发生的基本参数条件，还降低了对试验系统的设计参数需求，因此使得整个试验系统的结构、尺寸和体积得以缩小，便于安装和维护。
附图说明
50.图1为本发明的可视化粘性油液非定常空化观测试验台总装图；
51.图2为本发明的可视化粘性油液非定常空化观测试验台原理图；
52.图3为流体动力源三维图；
53.图4为温控单元三维图；
54.图5为空化发生单元三维图；
55.图6为空化可视化试验段三维图；
56.图7为整流栅段示意图。
57.其中：1-流体动力源、2-温控单元、3-空化发生单元、4-传感器单元、5-测控单元、1.1-储液箱、1.2-空气滤清器、1.3-液位液温计、1.4-液压主泵、1.5-电机a、1.6-过滤器、1.7-蓄能器组、1.8-安全卸荷阀、1.9-背压溢流阀、1.10-耐震压力表、2.1-循环泵、2.2-电机b、2.3-冷却器、2.4-加热器、3.1-整流栅、3.2-收缩段、3.3-可视化试验段、3.4-扩散段、3.5-圆盘、4.1-高频动态压力传感器、4.2-高频动态温度传感器、4.3-高频动态流量传感器、4.4-高频动态气体含量传感器、5.1-主泵控制器、5.2-循环泵控制器、5.3-温度控制器、5.4-高速相机、5.5-相机光源、5.6-piv片光源、5.7-同步器、5.8-数采模块
具体实施方式
58.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
59.为了具体研究粘性油液的空化产生及演变机理，本实施例基于粘性油液的空化的初生条件，构建了一种可视化粘性油液非定常空化观测试验台，以通过试验技术对粘性油液的空化进行研究，揭示粘油非定常空化流动机理及其粘性特征，为空化抑制提供理论指导。
60.该粘性油液空化观测试验台的基本工作原理是：通过组建一个循环的粘性油液流
动回路，以流体动力源作为供油单元，使具有设定压力和流速的粘性油液流过装有翼型的可视化透明试验段；通过调整粘性油液的流速和压力，可使试验段达到临界状态并在翼型表面形成一个局部低压区域，当该区域压力低于流体的饱和蒸汽压时，空化也就随之产生。在试验段前后安装超高频动态压力、流速、温度、气体含量传感器，试验段正前方固定超高速照相机、piv流场测量系统及其配套光源等，可对试验段的流场进行多数据记录和全方位观测。同时，试验段粘性油液的压力、流速、温度、气体含量等均可调可控，可开展多工况多参量下的空化对比试验。
61.基于上述原理，所组建的可视化非定常粘性油液空化观测试验台如图1和图2所示，包括：流体动力源1、温控单元2、空化发生单元3、传感器单元4以及测控单元5。
62.如图3所示，流体动力源1作为供油单元，用于向空化发生单元3提供具有设定压力和流速的粘性油液；包括：储液箱1.1及其辅件空气滤清器1.2、液位/液温计1.3、液压主泵1.4及其配套电机a1.5、过滤器1.6、蓄能器组1.7、安全卸荷阀1.8、背压溢流阀1.9、耐震压力表1.10及连接管路等。
63.其中储液箱1.1为碳钢材质开放式储液箱，是流体动力源中储存粘性油液的专用容器；储液箱1.1表面均经过防腐处理，内部有隔板将箱体内部空间分为吸油区与回油区，吸油区与回油区之间通过过滤孔连通，保持吸油区内粘性油液清洁；储液箱1.1除了用于储存粘性油液外，还起着散热、分离流体中的气泡、沉淀杂质等作用。其中储液箱1.1的吸油区通过吸油管路与空化发生单元3连通，空化发生单元3通过回油管路与储液箱1.1的回油区连通，由此形成循环的粘性油液流动回路。
64.液压主泵1.4的进油口通过设置有过滤器1.6和开关阀的管路与储液箱1.1中的吸油区相连，为粘性油液的循环流动提供动力和压力，并可通过调节电机a1.5的转速控制液压主泵1.4的排量，即控制粘性油液的流速。液压主泵1.4的出油口通过依次设置有单向阀和开关阀的管路与空化发生单元3的进油口相连，通过单向阀防止流体的倒灌和回流。
65.空化发生单元3的出油口分别通过两条回油管路与储液箱1.1中的回油区相连；令两条回油管路分别为回油管路a和回油管路b，其中回油管路a上依次设置有开关阀、背压溢流阀1.9、单向阀以及过滤器，回油管路b上依次设置有开关阀和单向阀；当回油管路a和回油管路b均打开时，则可实现0压大流量的工况；当回油管路b关闭，回油管路a打开时，可通过调节背压溢流阀1.9先导阀芯的开口大小实现流体压力的调节。
66.蓄能器组1.7为皮囊式蓄能器组，皮囊的材质为耐高温的hnbr氢化丁晴橡胶或fkm氟橡胶，其在流体动力源中主要起稳压、吸收冲击的作用。具体的：液压主泵1.4的出油口设置一个分支管路，该分支管路进一步分为两个支路，一个支路通过蓄能器组1.7与储液箱1.1的吸油区连通，另一个支路通过设置有安全卸荷阀1.8的管路与储液箱1.1的吸油区连通。
67.此外，储液箱1.1中安装有很多辅件，如空气滤清器1.2和液位/液温计1.3等；其中空气滤清器1.2用于保证储液箱1.1中粘性油液与大气相通(即外部大气通过空气滤清器1.2与开放式储液箱1.1连通)，通过空气滤清器1.2起到滤除空气中灰尘、砂粒的作用。液位/液温计1.3用于实时监测储液箱1.1内粘性油液的液面高度以及粘性油液的温度，本例中液位/液温计1.3为利用观察窗显示储液箱1.1内粘性油液的液面高度同时利用双金属片热胀冷缩灵敏度相当高的特点来测量粘性油液的温度的液位液温显示测量一体化仪表，其
具有准确度高，读数容易，坚固耐震等特点。
68.本例中液压主泵1.4及其配套电机1.5分别采用中压大流量三联螺杆泵和变频电机，两者通过联轴器连接后固定在储液箱1.1侧面。该液压主泵1.4具有粘度适应范围大、供油流量范围大、自吸能力强、供油压力脉动平稳、具有很强的抗污染能力、结构紧凑和噪音低等特点；最高压力为4mpa，最大流量1000l/min，耐温可达120℃。
69.过滤器1.6包括吸油过滤器和回油过滤器，安装在吸油管路上的过滤器1.6为吸油过滤器(安装在储液箱1.1内部吸油管路端部)，安装在回油管路上的过滤器1.6为回油过滤器(安装在储液箱1.1顶部回油管路端部)；过滤器1.6用于过滤管路内粘性油液中的杂质和颗粒物，防止对液压元件造成损伤。
70.上述安全卸荷阀1.8和背压溢流阀1.9均为先导型插装溢流阀，压力调节范围0.1～4,0mpa，最大流量1500l/min。其中安全卸荷阀1.8主要用来设定安全压力，防止载荷过大造成的故障；背压溢流阀1.9作用是调节背压，使得管路中的压力达到试验要求，尤其是空化发生单元3中的压力。
71.在液压主泵1.4的出口处以及回油管路上均安装有耐震压力表1.10，耐震压力表1.10为机械式耐高温压力表，用于实时监测和显示吸油管路和回油管路中的压力。
72.安装在液压主泵1.4出口处的单向阀1.11用于防止流体的倒灌和回流。
73.开关阀1.12为耐高温高压的球阀，主要安装在液压主泵1.4的出口、回油管路1.4中部，以及其他可能需要流体截止和设备连接的地方。
74.温控单元2独立于流体动力源1，用于对储液箱1.1中的粘性油液进行单独循环和温度调控制，包括：循环泵2.1及配套电机b2.2、冷却器2.3、加热器2.4及连接管路等。
75.本例中循环泵2.1及配套电机2.2分别采用低压中流量螺杆泵和变频电机，两者通过联轴器连接后固定在储液箱1.1侧面。循环泵2.1最高压力为1mpa，最大流量300l/min，耐温可达120℃。循环泵2.1为将储液箱1.1中粘性油液的温控循环流动提供动力，保证其稳定高效的在加热器和冷却器流动。循环泵2.1的进口通过设置有阀门的管路与储液箱1.1连通，出口通过依次设置有开关阀、冷却器2.3、加热器2.4以及单向阀的管路与储液箱1.1连通，由此形成温控循环管路；冷却器2.3和加热器2.4分别为风冷却器和管路式加热器，具有体积小，功率高，温升/降快，控制精度高等特点；分别用于对粘性油液进行冷却和加热。其中冷却器2.3安装在循环泵2.1的下游，加热器2.4安装冷却器2.3的下游。依次实际控温需求选择冷却器2.3和加热器2.4的启停此外，冷却器2.3并联有一个带有开关阀的管路，当开关阀处于打开状态时候则可使循环泵2.1出来的流体直接到达加热器2.4中(避免油液流经管路较长的冷却器2.3)，经过加热后的流体再流回储液箱1.1。
76.如图5所示，空化发生单元3包括：整流栅3.1、收缩段3.2、可视化试验段3.3、扩散段3.4及连接管路等。
77.其中整流栅3.1安装在流体动力源1出口和收缩段3.2之间，其内部分布着栅格式的稳流道装置，如图7所示；整流栅作用是消除或减少旋涡及改善流速分布，使液流平稳，改善流动状态。
78.收缩段3.2位于整流栅3.1的下游，其出口尺寸要小于入口尺寸，主要作用是均匀加速流体，降低试验段湍流度、提高试验段流场速度的均匀性和稳定性、降低流体噪音、节约能耗。
79.可视化试验段3.3位于收缩段3.2和扩散段3.4之间，其由钢化玻璃制成，具有耐高温、强度高、透光性好等特点，可用于实时观测内部的流场状态，如图6所示。可视化试验段3.3中安装有可旋转的被试翼型，当高粘流体流经可视化试验段3.3时，可模拟变矩器叶轮翼型内部的流场状态，翼型表面产生空化现象。同时翼型跟根据试验需求进行更换和旋转角度，以满足多种结构流动的空化试验观测。
80.如图6所示，被试翼型与设置在可视化试验段3.3外部的带有刻度且可在一定角度范围内自由旋转的圆盘3.5相连，通过圆盘3.5可以实现被试翼型攻角的调整，通过圆盘3.5上的刻度能够明确获知所调整的角度。
81.扩散段3.4位于可视化试验段3.3的下游，与收缩段3.2相反，其具有较小的入口尺寸和较大的出口尺寸，通过增大管路过流面积来降低流速，以保证可视化试验段内流体的压力稳定。
82.传感器单元4包括：高频动态压力传感器4.1、高频动态温度传感器4.2、高频动态流量传感器4.3、高频动态气体含量传感器4.4。在空化发生单元3上游的进油管路以及空化发生单元3下游的回油管路上各设置一套传感器单元4。
83.高频动态压力传感器4.1、高频动态温度传感器4.2、高频动态流量传感器4.3、高频动态气体含量传感器4.4具有超高频响、高精度、灵敏度高、响应快、耐高温等特点，分别安装在空化发生单元3的上游和下游，用以实时监测和记录通过空化发生单元3前后的流体的压力、温度、流速和气体含量等。同时在储液箱1.1中还分别装有高频动态温度传感器4.2和高频动态气体含量传感器4.4，用于实时监测和控制储液箱1.1中粘性油液的基本属性(温度和气体含量)。
84.测控单元5包括：主泵控制器5.1、循环泵控制器5.2、加热器和冷却器的温度控制器5.3、高速相机5.4、相机光源5.5、piv片光源5.6、同步器5.7、数采模块5.8等。
85.主泵控制器5.1为流体动力源1中液压主泵1.4及其配套电机1.5的控制器，主要用于检测储液箱1.1各检测元件的信号和控制液压主泵1.4及其配套电机1.5各部件的按照自动程序或手动控制做出正常有效的动作。循环泵控制器5.2为温控单元2中循环泵2.1及其配套电机b2.2的控制器，用于控制循环泵2.1及其配套电机b2.2部件的按照自动程序或手动控制做出正常有效的动作。温度控制器5.3为冷却器2.3和加热器2.4的温度控制器，用于控制冷却器2.3和加热器2.4的启停。
86.高速相机5.4是基于ccd(charge coupled device)芯片的数字工业相机，分辨率为1280
×
1024，最高拍照频率150,000帧/秒，具有高图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等。在试验时，高速相机.4固定在空化发生单元可视化试验段3.3的正前方，用于实时拍照记录可视化试验段3.3内的流动状态和空化现象。
87.相机光源5.5为led(light-emitting diode)无频闪超高亮度光源，具有高级镀膜分光镜，减少光损失，使得成像清晰，亮度均匀。试验中，相机光源5.5固定在可视化试验段3.3斜前方配合高速相机5.4使用，以保证高速相机5.4成像清晰明亮。
88.piv(particle image velocimetry)片光源5.6为脉冲激光片光源，安装在可视化试验段3.3的一侧，通过用激光器转换出的片光原照亮流场中的粒子或者空泡，用于辅助高速相机5.4进行试验段内的空化观测。
89.同步器5.7同步器负责给高速相机5.4和piv片光源5.6中的激光器发出同步信号，
协调高速相机5.4和激光器的同步工作，在同步器5.7输出端子，用bnc(bayonet nut connector)电缆线分别连接高速相机5.4和双腔激光器。
90.数采模块5.8为ni-pxie(pci extensions for instrumentation express,national instruments)测控单元，其中包含有系统控制器以及数个外设模块，数采模块5.8也与同步器相连，可实现所有传感器信号的同步高度采集和其他控制器、高速相机等的控制。
91.上述粘性油液空化观测试验台对推动粘性油液空化初生机理和非定常空化流动特性研究具有重要的学术价值，同时对粘性油液元件及系统非定常条件下空化演变特性及其空化抑制技术具有重要的工程应用价值，对推动流体机械的高性设计理论和空化抑制技术的发展具有重要意义。
92.以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。