CN113058505A - 一种适于3d打印的模块式空化发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适于3D打印的的模块式空化发生装置，用于解决空化发生装置易受破坏，难于维护换件，安装后难于对装置进行观测排查故障和更新换代等技术问题。装置包括空化器基体，顶部盖板，顶部观测窗口，顶部窗口固定件，前侧观测窗口，前侧窗口固定件，后侧观测窗口，后侧窗口固定件，侧面压力计及其安装装置，底部上游压力计及其安装装置，底部插入件固定装置，底部文丘里喉部插入件，底部下游压力计及其安装装置。多个观测窗口既可直接进行观测，也可安装上各种测量传感器得到流场数据。本发明由相对独立的各部件模块组成，易于3D打印或传统制造，维护和更新方便，具有观测及调节空化强度的功能，适用场景广泛。

Description

一种适于3D打印的模块式空化发生装置

技术领域

本发明涉及一种水力空化发生装置，尤其是一种适于3D打印方便换件的模块化文丘里管型流道。

背景技术

空化是当水的静压力低于饱和蒸气压时发生的一种气化现象。用另一种常见的气化现象作为比较，即水的蒸发，其在1个大气压下需要达到100摄氏度。而空化发生时由于局部压力足够低，在室温下气化就可以进行。比如在0.023个大气压下，20摄氏度的液态水就会转变成无数的微小气泡。这些空化气泡随着液体向下游流动而不断长大、膨胀。大量的空化气泡会聚集成空化云。当液体压力在下游恢复到常压时，这些空化气泡和空化云会在瞬间溃灭，同时形成微射流和冲击波，并产生瞬间局部高温(1000至5000K)和瞬间高压(10000至50000kPa)。这种剧烈的能量释放，一方面对水力机械如叶轮造成“汽蚀”等伤害，另一方面在特定场景中也可以进行有效利用。比如在灭菌、有机污水废水处理、射流清洗以及化工分离等领域已经得到应用或显示出巨大应用潜力。

文丘里管是一种管径急剧变化的管道，往往由收缩段，喉部和扩张段组成。水流流经喉部时由于加速而使得静压力大大降低，从而液体气化形成气泡。这种水力空化具有反应装置简单，空化效果理想，易于大规模工业化运行的优点。但由于空化本身会对管道造成损伤，因此需要定期的维护与坏件更换。

3D打印是一种运用粉末状或固态可熔的金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。与传统制造方法相比，零件的生产速度更高效。合理设计的模型可以从软件上导出并在几个小时内利用3D打印机制作出来，而通过传统加工方式制造原型可能要花费几天甚至几周的时间。当然，使用3D打印需要对模型外型进行优化设计，满足一体制造成型的要求。

发明内容

针对现有技术中空化发生装置易受破坏，难于维护换件，安装后难于对装置进行故障排查和更新换代等技术问题，本发明提供一种模块化的，各部件更换方便，适于3D打印高效制造的水力空化发生器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种模块化组装式空化发生器，包括空化器基体1，顶部盖板2，顶部观测窗口3，顶部窗口固定件4，前侧观测窗口5，前侧窗口固定件6，后侧观测窗口7，后侧窗口固定件8，侧面压力计及其安装装置9，底部上游压力计及其安装装置10，底部插入件固定装置11，底部文丘里喉部插入件12，底部下游压力计及其安装装置13。

上述的模块化组装式空化发生器，所述的空化器基体，为一棱角分明的准立方体形结构，适于3D打印将材料进行逐层堆叠；其在六个面均有开口，其中左右开口为突出式柱体，用以连接上下游的进出水管道；前后开口为矩形，用以安装观测窗口或压力计，温度计等测量装置；底部共有三个开口，其中中间开口为矩形，用以安装文丘里喉部插入件；底部两边的开口为内矩形外圆形，用以安装压力计等测量装置及其固定件；上部开口跟随流道形状，为前宽后窄圆弧过渡形，由上部盖板予以封闭。六个面的其余各个部件插入安装完成后，整体形成封闭式可观测的文丘里流道结构。

较优地，基体的左右柱体开口上设计有三层锯齿台阶，提升与上下游管道的摩擦力防止泄露。

较优地，基体的前后开口周围有一圈凹槽，用以安装密封圈；及6至8个螺纹孔，用以连接两侧窗口固定件，并为密封圈提供压力。

较优地，基体底部的三个开口周围均有一圈凹槽，用以安装密封圈；及4个螺纹孔，用以连接底部的固定件，并为密封圈提供压力。

较优地，基体顶部的流道开口周围有两圈凹槽，用以安装密封圈；及17个螺纹孔，用以连接顶部盖板，并为密封圈提供压力。

上述的模块化组装式空化发生器，所述的顶部盖板，在中间流道处有一矩形开口，用以连接顶部观测窗口。

较优地，顶部盖板开口周围有一圈凹槽，用以安装密封圈；及4凸起式螺纹孔，用以连接顶部窗口固定件，并为密封圈提供压力。

上述的模块化组装式空化发生器，所述的顶部观测窗口，一般采用透明的玻璃材质，可以用于观测及拍照；也可以作为透光窗口，增加流场的亮度，方便侧面窗口的观测；也可以打入特定的激光，从而使该装置可以用于粒子图像测速(PIV)，得到整个流场的速度图；如无上述需求，该观测窗口也可以替换为其他可用材料，降低成本。

上述的模块化组装式空化发生器，所述的前后侧面观测窗口，一般采用透明的玻璃材质，两个窗口都可以用于观测及拍照；也可以由一侧作为透光窗口，从另一侧进行观测，得到特殊的背光图；也可以将一个或两个观测窗口更换为压力计，温度计，声级计等数字化测量装置，得到流场侧面的压力，温度，噪声等脉动信息。

上述的模块化组装式空化发生器，所述的底部上游和下游压力计，也可以将一个或两个更换为其他温度计，声级计等数字化测量装置，得到流场底部上游和下游的压力，温度，噪声等脉动信息；也可以将上游压力计替换为通气管道，压入外部气体以增大空化强度。

上述的模块化组装式空化发生器，所述的底部文丘里喉部插入件，为空化发生的起始位置，也是控制空化强度及形态的关键调节装置；可以使用透明玻璃材质，实现从底部的观测；可以通过改变其收缩/扩张角度，占据流道高度，材料硬度，表面摩擦力等参数，实现空泡形态的控制。具体调节办法见下文具体实施方式。

本发明的有益效果是：

本发明空化发生器采用模块化的安装和适于3D打印的模型设计，有效消除了设备维护困难。并且避免了设备故障时，需要把整体进行丢弃和更换的缺陷，节省物料和人工。增加的顶面，底面，前面和后面四个观测窗口，可以快速定位故障，也可以观察空化强度是否满足要求。另外由于模块化的设计，还可以通过对关键部件如文丘里喉部尺寸的改变，实现空化强度，空化云形态类型等的调节，满足不同空化效果需求的多种工况。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的装配体前面和顶面三维示意图；

图2为本发明的装配体后面和底面三维示意图；

图3为本发明的装配体顶视图；

图4为沿着图3中A-A线的剖面示意图和局部B放大示意图。

图5为空化器基体的顶视，侧视和底视图。

图6为顶部盖板的顶视,侧视和底视图。

图7为顶部观测窗口和顶部窗口固定件的三维示意图。

图8为前(后)侧观测窗口和前(后)侧窗口固定件的三维示意图。

图9为侧面压力计及其安装装置的三维示意图和主视图。

图10为底部上(下)游压力计及其安装装置的三维示意图和主视图。

图11为底部插入件固定装置的三维示意图，底部文丘里喉部插入件的三维示意图和主视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更容易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更加清楚明确的界定。

本发明为一种适于3D打印的可调节的多观测的模块化文丘里装置，包括空化器基体1，顶部盖板2，顶部观测窗口3，顶部窗口固定件4，前侧观测窗口5，前侧窗口固定件6，后侧观测窗口7，后侧窗口固定件8，侧面压力计及其安装装置9，底部上游压力计及其安装装置10，底部插入件固定装置11，底部文丘里喉部插入件12，底部下游压力计及其安装装置13。

作为本发明的优选实施方式，如图1和图2所示，流体从文丘里管左面流入，右面流出。基体1与顶部盖板2，前侧观测窗口5，后侧观测窗口7，底部上游压力计及其安装装置10，底部文丘里喉部插入件12，底部下游压力计及其安装装置13，进行插入式模块化安装后，初步形成整体封闭式的文丘里流道结构。

如图3所示，后面上的后侧观测窗口7，其上可以安装侧面压力计及其安装装置9，用以得到侧面压力瞬时信息。

如图4所示，基体1，顶部盖板2，顶部观测窗口3，底部文丘里喉部插入件12四个主要组件拼接成一带有收缩段101、喉部102、扩张段103的矩形腔文丘里管段。

如图5所示，基体1顶部开口104为前宽后窄圆弧过渡形，与顶部盖板2进行插件连接并由螺栓固定。基体1前面和后面开口105为矩形，与前侧观测窗口5和后侧观测窗口7进行插件连接，并由前侧窗口固定件6和后侧窗口固定件8进行螺栓固定。基体1底部共有三个开口，其中中间开口107为矩形，与文丘里喉部插入件12进行插件连接，并由底部插入件固定装置11进行螺栓固定。基体1底部两边的上游开口106和下游开口108为内矩形外圆形，与底部上游压力计及其安装装置10，和底部下游压力计及其安装装置13进行插件连接并由螺栓固定。

如图6所示，顶部盖板2顶部开口201为矩形，与顶部观测窗口3进行插件连接，并由顶部窗口固定件4进行螺栓固定。

如图7所示，顶部观测窗口3插入安装进顶部盖板2后，由顶部窗口固定件4进行固定。顶部观测窗口3材质为透明玻璃，用于观测或进光。顶部窗口固定件4上有观测用开口401。

如图8所示，前侧观测窗口5插入安装进基体1后，由前侧窗口固定件6进行固定。前侧观测窗口5材质为透明玻璃，用于观测或进光。前侧窗口固定件6上有观测用开口601。

如图9所示，侧面压力计及其安装装置9安装在后侧观测窗口7上。其中压力计可替换为声级计，温度计等测量装置以得到不同测量数据。

如图10所示，底部上游压力计及其安装装置10安装在基体1上游压力孔106中。底部下游压力计及其安装装置13具有此处相同外形，安装在基体1下游压力孔108中。其中压力计可替换为声级计，温度计等测量装置以得到不同测量数据。

如图11所示，底部插入件固定装置11与基体1进行螺栓连接，用于固定底部文丘里喉部插入件12。文丘里喉部插入件12平行贴合地插入安装在基体1上的矩形槽107内，其外侧面与矩形槽内壁紧密贴合。插入件12的顶面由两段平面1201和1202拼接组成，与基体1底面内壁重合共同构成文丘里管的收缩段101、喉部102、扩张段103，如图4所示。改变插入件12顶面1201和1202的摩擦力，如使用不同材质或镀膜，可以调整空化云的形态。改变插入件12的顶角，即收缩角1203和扩张角1202的角度值，可以调整空化云的强度。底部文丘里喉部插入件12材质可使用透明玻璃，用于观测或进光。底部插入件固定装置11上有观测用开口1101。

本发明工作时，流体由水泵加压从左侧入口进入，右侧出口流出。当流体流速在文丘里喉部加速超过10m/s时，空化就会产生。可以通过增加流体流速，对管道进行减压，从上游压力计开口106处送气，减小插入件12顶面的摩擦力，增大插入件12的顶角等诸多调节方式增强空化的效果；反之，则减小空话强度。各部件之间相对独立，模块化安装，更换和维修。

Claims (4)

1.一种适于3D打印的的模块式空化发生装置，其特征在于：包括空化器基体(1)，顶部盖板(2)，顶部观测窗口(3)，顶部窗口固定件(4)，前侧观测窗口(5)，前侧窗口固定件(6)，后侧观测窗口(7)，后侧窗口固定件(8)，侧面压力计及其安装装置(9)，底部上游压力计及其安装装置(10)，底部插入件固定装置(11)，底部文丘里喉部插入件(12)，底部下游压力计及其安装装置(13)。

2.根据权利要求1所述的模块式空化发生装置，其特征在于，由基体(1)，顶部盖板(2)，顶部观测窗口(3)，和底部文丘里喉部插入件(12)四个主要组件拼接成一带有收缩段(101)、喉部(102)、扩张段(103)的矩形腔文丘里管段。

3.根据权利要求1所述的模块式空化发生装置，其特征在于，所述的顶部观测窗口(3)，前侧观测窗口(5)，后侧观测窗口(7)，和底部文丘里喉部插入件(12)均为插入式简单结构，可由3D打印高效制造；也可采用透明玻璃材质，实现从前、后、顶、底四个面对空化进行观测和粒子图像测速。

4.根据权利要求1所述的模块式空化发生装置，其特征在于，所述的底部文丘里喉部插入件(12)的收缩角和扩张角可以根据实际工况进行调节，达到控制空化强度的效果。

Images