空泡与颗粒相互干涉的实验研究
发布时间：2021-02-04 02:57
在水泵、水轮机等水力机械运行过程中容易出现空化现象,而当流场中含有泥沙颗粒时,空泡-颗粒的协同作用会对设备结构产生严重的破坏,为了更好地揭示空泡-颗粒相互干涉的机理,本文采用高速摄影技术,对空泡与单颗粒、空泡与对称双颗粒以及空泡与非对称双颗粒的相互干涉开展实验研究,主要研究内容如下:（1）搭建空泡颗粒相互作用实验台,开展空泡与颗粒干涉实验。设计空泡发生装置产生空泡,并通过调节电源电压控制空泡大小,利用高速摄像机拍摄记录空泡颗粒相互干涉的全过程,使用图像处理软件对空泡的形态以及颗粒的运动进行处理和分析。（2）空泡与单颗粒的相互干涉研究,针对颗粒空泡半径比、颗粒空泡间的无量纲距离等参数对空泡与颗粒的相互干涉作用进行分析。研究发现颗粒的最大水平位移量随着无量纲距离的增大而减小,颗粒空泡半径比不会影响颗粒的基本运动形态,但是会影响其最大水平位移量。颗粒的存在会使空泡发生变形,并且空泡在不同的无量纲距离下会表现出不同的溃灭形态,其溃灭时间随着无量纲距离的增大而减小,并且最终趋近自由域情形下的空泡溃灭时间。（3）空泡与双颗粒的相互干涉研究,对不同颗粒空泡半径比、颗粒空泡间的无量纲距离以及颗粒分布的...
【文章来源】：浙江理工大学浙江省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１空泡与颗粒相互干涉的系统示意图??水箱：一个透明的有机玻璃水箱（１５０ｍｍＸ３００ｍｍＸ３００ｍｍ），里面装有８０％容积的??
浙江理工大学硕士学位论文?空泡与颗粒相互干涉的实验研究??同一水平线。??电路：包括一个６０ｖ可调直流电源，三个电容（３３００垆、３３００垆和１０００垆），一个??ｌｋＱ的电阻，以及一对电极（直径０．２６ｍｍ的细铜线）。其中直流电源的电压可根据不同??的实验条件进行调节，来产生不同尺寸的空泡。如图２．１所示，转换开关位于上侧时，电??源为电容充电，等电容充满电后，将转换开关拨到下侧，电容中的电荷被释放，在两电极??接触点处短路，从而产生电火花，进而在水中产生空泡。根据不同的电压，产生的最大空??泡半径从不等，电压越大，空泡半径越大。??高速摄像机：高速摄像机的型号为ＰＣＯ．?ｄｉｍａｘ?ＨＤ，拍摄帧率最高为２０００００ｆｐｓ?（帧??每秒），最高分辨率为１９２０Ｘ１０８０。具体的实验条件根据相关的实验要求来设置相应的拍??摄帧率、曝光时间与画面幅度。高速相机配有一个Ｎｉｋｋｏｉ－６０ｍｍ微距镜头，可以对特定拍??摄目标进行两倍放大。高速相机连接一台笔记本电脑，通过电脑上的软件控制拍摄过程。??光源：包括一个高强度无频闪的ＬＥＤ灯，功率为２０００Ｗ。为了使产生的光线均匀分??布，在水箱靠近光源的侧面粘贴了一块匀光板。??高速相机?电路系统??实验系统?高功率光源??图２．２实验系统实物图??９??
浙江理工大学硕士学位论文?空泡与颗粒相互干涉的实验研宄??２．３实验准确性与可行性验证??在实验开始前，首先进行自由域内单空泡的生长与溃灭过程的重复实验，来检验低压??电火花法的准确性。在电源电压为４５ｖ的条件下，采用直径０．２６ｍｍ的细铜丝作为电极，??在水中放电产生空泡，实验重复进行三次。将电极接触点放置在水箱中心位置处从而避免??水箱壁面以及自由液面对空泡产生影响，实验在常温常压下进行，高速相机的帧率设定为??１４４８７ｆｐｓ，曝光时间ｌｇｓ。典型的实验结果如图２．３所示，ｒ＝０ｍｓ，两电极接触点放电产生??电火花，并诱导产生等离子体，最后空泡持续膨胀直至／＝〇．６２ｍｓ空泡达到最大尺寸，此时??最大空泡半径为３．６ｍｍ，随后空泡开始收缩，直到／＝０．９７ｍｓ，空泡完全溃灭，随后空：＾包还??会经历多次小幅度的震荡反弹直至完全消失。??０?ｍｓ?０．３５?ｍｓ?０．４１?ｍｓ?０．６２?ｍｓ?０．７６?ｍｓ??ＭＭＢＭＭ?ＨＩＨＨ?ＨＨＨＨ?ＨＨＨｆｉ??０．８３?ｍｓ?０．９７?ｍｓ?１．０４?ｉｎｓ?１．３１?ｍｓ?１．７３?ｍｓ??图２．?３自由域内单空泡生长与溃灭??图２．４展示了空泡运动发展的过程，将其分为三个阶段：??第Ｉ阶段（ａ－ｃ）：膨胀阶段。电极接触点处开始放电，液体中的微小气核受激膨胀产生??空泡。此时空泡内压强大于空泡外压强，空泡不断膨胀，空泡半径不断增大，泡壁速度为??正，推动周围液体朝四周扩散。当空泡内外压强相等时，空泡不再膨胀，此时空泡达到最??大半径。整个膨胀阶段空泡的泡径变化特征是迅速而不剧烈的。??第ＩＩ阶段（ｃ－ｅ）：溃灭阶段。当空泡达到最大半径时，泡内夕
本文编号：3017605
【文章来源】：浙江理工大学浙江省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１空泡与颗粒相互干涉的系统示意图??水箱：一个透明的有机玻璃水箱（１５０ｍｍＸ３００ｍｍＸ３００ｍｍ），里面装有８０％容积的??
浙江理工大学硕士学位论文?空泡与颗粒相互干涉的实验研究??同一水平线。??电路：包括一个６０ｖ可调直流电源，三个电容（３３００垆、３３００垆和１０００垆），一个??ｌｋＱ的电阻，以及一对电极（直径０．２６ｍｍ的细铜线）。其中直流电源的电压可根据不同??的实验条件进行调节，来产生不同尺寸的空泡。如图２．１所示，转换开关位于上侧时，电??源为电容充电，等电容充满电后，将转换开关拨到下侧，电容中的电荷被释放，在两电极??接触点处短路，从而产生电火花，进而在水中产生空泡。根据不同的电压，产生的最大空??泡半径从不等，电压越大，空泡半径越大。??高速摄像机：高速摄像机的型号为ＰＣＯ．?ｄｉｍａｘ?ＨＤ，拍摄帧率最高为２０００００ｆｐｓ?（帧??每秒），最高分辨率为１９２０Ｘ１０８０。具体的实验条件根据相关的实验要求来设置相应的拍??摄帧率、曝光时间与画面幅度。高速相机配有一个Ｎｉｋｋｏｉ－６０ｍｍ微距镜头，可以对特定拍??摄目标进行两倍放大。高速相机连接一台笔记本电脑，通过电脑上的软件控制拍摄过程。??光源：包括一个高强度无频闪的ＬＥＤ灯，功率为２０００Ｗ。为了使产生的光线均匀分??布，在水箱靠近光源的侧面粘贴了一块匀光板。??高速相机?电路系统??实验系统?高功率光源??图２．２实验系统实物图??９??
浙江理工大学硕士学位论文?空泡与颗粒相互干涉的实验研宄??２．３实验准确性与可行性验证??在实验开始前，首先进行自由域内单空泡的生长与溃灭过程的重复实验，来检验低压??电火花法的准确性。在电源电压为４５ｖ的条件下，采用直径０．２６ｍｍ的细铜丝作为电极，??在水中放电产生空泡，实验重复进行三次。将电极接触点放置在水箱中心位置处从而避免??水箱壁面以及自由液面对空泡产生影响，实验在常温常压下进行，高速相机的帧率设定为??１４４８７ｆｐｓ，曝光时间ｌｇｓ。典型的实验结果如图２．３所示，ｒ＝０ｍｓ，两电极接触点放电产生??电火花，并诱导产生等离子体，最后空泡持续膨胀直至／＝〇．６２ｍｓ空泡达到最大尺寸，此时??最大空泡半径为３．６ｍｍ，随后空泡开始收缩，直到／＝０．９７ｍｓ，空泡完全溃灭，随后空：＾包还??会经历多次小幅度的震荡反弹直至完全消失。??０?ｍｓ?０．３５?ｍｓ?０．４１?ｍｓ?０．６２?ｍｓ?０．７６?ｍｓ??ＭＭＢＭＭ?ＨＩＨＨ?ＨＨＨＨ?ＨＨＨｆｉ??０．８３?ｍｓ?０．９７?ｍｓ?１．０４?ｉｎｓ?１．３１?ｍｓ?１．７３?ｍｓ??图２．?３自由域内单空泡生长与溃灭??图２．４展示了空泡运动发展的过程，将其分为三个阶段：??第Ｉ阶段（ａ－ｃ）：膨胀阶段。电极接触点处开始放电，液体中的微小气核受激膨胀产生??空泡。此时空泡内压强大于空泡外压强，空泡不断膨胀，空泡半径不断增大，泡壁速度为??正，推动周围液体朝四周扩散。当空泡内外压强相等时，空泡不再膨胀，此时空泡达到最??大半径。整个膨胀阶段空泡的泡径变化特征是迅速而不剧烈的。??第ＩＩ阶段（ｃ－ｅ）：溃灭阶段。当空泡达到最大半径时，泡内夕
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