应用探析|高速摄像在流体机械研究中的应用
1.背景介绍
液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭的过程叫做空化。液体运动中物体受空化冲击后，表面会出现的变形和材料剥蚀现象，又称剥蚀或气蚀。空化过程中，空泡急速产生、扩张和溃灭，在液体中形成激波或高速微射流。金属材料受到冲击后，表面晶体结构被扭曲，出现化学不稳定性，使邻近晶粒具有不同的电势，从而加速电化学腐蚀过程。剥蚀区域材料的机械性能显著恶化，导致空蚀量剧增。
图1 船桨被空化气泡损坏
2.研究内容
轴向柱塞泵内部空化是影响其综合性能的一个主要因素。太原理工大学机械与运载工程学院的黄家海教授团队，针对柱塞缸体摩擦表面气蚀现象，设计了一个可观察单个柱塞腔与卸荷槽导通状态下流场特征的可视化装置，利用高速摄像机对流经卸荷槽的喷射流动现象进行测量，采用流体仿真和流场可视化测量的方法揭示了这种成因关系
图2 斜盘式轴向柱塞泵的示意图
图3 可视化试验台示意图
可视化试验台，包括可视化装置、数据采集装置及辅助装置。使用千眼狼 5KF20 高速摄像机，具有高达 120,000 幅每秒的图像采集速度，能够清晰捕捉气泡产生及消失过程，其主要参数为1920×1080@3000fps。配备专用的高频稳流电源与1KW金属卤化物灯，提高对成像目标和真实状态的记录。高倍聚光镜将光线汇聚到可视化窗口处，调节镜头光圈和曝光时间使图像更加清晰。
图4. 高速相机记录下的可视化图
图5. 不同开度下高速相机可视化图
本研究着重分析了配流盘卸荷槽与柱塞缸体摩擦表面气蚀的内在关系，综合利用流体仿真、流场可视化和轴向柱塞泵型式试验等技术手段开展了研究工作，并获得以下结论：
（1）轴向柱塞泵吸、排油过程中的流体流动具有周期性，基于该原则设计的卸荷槽流场可视化观察系统是有效可行的，能够观察到流体通过卸荷槽时的主要流动特征。
（2）射流角小于 20°时射流方向靠近配流盘/柱塞缸体摩擦表面，不仅会将大量气泡射入吸油口，影响吸油效率，还对缸体摩擦表面和配流盘内壁面形成破坏。
（3）在预卸荷阶段，柱塞腔内残余高压与配流盘卸荷槽连通时将产生高速射流，并在处于吸油阶段的上一个柱塞下方形成速度漩涡，漩涡使部分空化产生的气泡形成涡滞留，导致柱塞吸油受阻。
4.行业应用总结
流体机械涉及到如水轮机、汽轮机、泵和压缩机等，研究的内容涉及流体、机械运转、气泡、多相流等，这部分均是高速摄像所擅长的领域，目前已有多项成熟解决方案，如PIV流场观测，高速摄像，DIC应变测量等。通过解决方案的加持，老师可以通过非接触的方式获取相关研究所需信息。（文章摘自：刘珊珊，雷欣瑞，宋字宇，杨凯，黄家海 《柱塞泵配流盘卸荷槽开度对瞬态流场特征影响》）
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千眼狼高速摄像机
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