本发明属于空化、磨损与空泡动力学及流体力学测量测试领域，具体涉及一种测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置及方法。
背景技术：
1、根据目标，高度重视装备绿色低碳研发创新和清洁能源开发。其中装备领域的绿色低碳创新，作为生态文明建设的重要支柱，能够显著提升资源利用效率，减少环境污染，推动经济的高质量发展。特别以高含沙量水利资源的开发及合理利用，不仅能促进区域经济发展，还能有效保护生态环境。
2、而在实际中，工作在含有颗粒的介质条件下的设备，其过流壁面不可避免的受到空化效应引起的空蚀的同时，还会受到颗粒在流体流动效应和空化泡溃灭产生射流的作用下加速后，对壁面的冲蚀。通常在空蚀和冲蚀的共同作用下，壁面材料受到的破坏比单一作用更为严重，能使设备在较短的时间内性能下降、出现异常的震动、噪声，导致设备需要频繁检修、更换部件，造成了巨大的能源和停机损失，极大的增加了运行成本。
3、空蚀和冲蚀协同损伤效应存在于含有固体颗粒的液体介质中，其对过流壁面造成损伤来源于多个方面，包括：空化效应中空化泡在溃灭时刻产生并作用于壁面的微射流和冲击波，带有速度的颗粒对壁面造成不同角度的切削冲击，颗粒被空化泡溃灭产生微射流加速后以更高的速度对壁面的冲击。上述过程均会在金属材料表面产生凹坑、裂纹、材料剥落，使过流壁面形貌发生改变，进而影响流动状态，造成设备出现噪声、震动、效率下降等异常情况，危害设备运行安全。通过测试，评估空蚀和冲蚀协同损伤效应，是最为有效的研究途径，不但能够直观的判断损伤程度，而且能够为损伤机理研究提供重要的研究手段。
4、目前，现有公开的测试装置主要为原盘式空蚀磨损测试装置及方法，主要借助空化诱导盘的设计诱发空化效应，存在的突出问题是空化效果不稳定，空化效应产生空化泡的尺寸和位置完全是随机，没有规律的，导致测试结果不但难于定量分析，而且测试过程可重复性差，极大的限制了协同效应机理的研究。
5、因此，急需引入创新的测试装置及方法，研究空蚀和冲蚀协同损伤效应，测算协同效应下过流壁面的力学载荷特性，为过流壁面损伤预测、抗损伤结构设计，以及壁面防护方法的提出提供研究手段。
技术实现思路
1、本发明为了解决现有技术中的问题，提供一种测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置及方法，其结构简单，可适用于多种类流体介质中，空蚀和冲蚀协同损伤效应的测量和评估，并测算协同效应下过流壁面的力学载荷特性。
2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
3、测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置，包括：
4、透明测试水箱，用于安装空蚀和冲蚀测试单元，盛放不同特性的介质；
5、试件单元，位于透明测试水箱内，为空蚀和冲蚀协同损伤效应作用的对象；
6、冲蚀测量单元，用于向透明测试水箱内特定位区域处布置颗粒并控制颗粒浓度；
7、循环水单元，用于为颗粒提供冲蚀测试的冲击速度，以及透明测试水箱内流体介质的循环；
8、空蚀测量单元，用于在透明测试水箱内指定位置处按照设定频率产生特定尺寸的空化泡；
9、高速摄像系统，用于记录透明测试水箱内空化泡与颗粒协同作的过程。
10、进一步的，所述冲蚀测量单元包括颗粒料斗、颗粒送料板和颗粒均布器；
11、颗粒料斗通过料斗支架支撑固定，料斗支架为高度可调的结构；颗粒送料板的进口与颗粒料斗连接，并在连接处开有出料槽；颗粒均布器设置在颗粒送料板的出口处，且颗粒均布器与颗粒震动机构连接；颗粒均布器通过均布器支架位置可调式固定在透明测试水箱上。
12、进一步的，所述试件单元包括试件、试件固定器、位置调节支架和试件固定架；
13、试件通过试件固定器安装在试件固定架上，试件固定架与均布器支架转动连接；位置调节支架包括基座和调节架体，基座固定在透明测试水箱壁面上，调节架体为长度可调的结构，调节架体一端与基座连接，另一端连接试件固定架。
14、进一步的，所述透明测试水箱上开有出水口和进水口，进水口处设有扩散器，扩散器安装在透明测试水箱内部，进水口和扩散器朝向试件单元；透明测试水箱下部开有出料口，用于测试结束后，透明测试水箱底部颗粒的清理。
15、进一步的，所述透明测试水箱的下部偏向一侧倾斜，出料口位于透明测试水箱下部位置较低的壁面上，出水口位于透明测试水箱下部位置较高的壁面上。
16、进一步的，所述循环水单元包括离心泵、入水管路、进口流量控制阀、出口流量控制阀、出水管路和流量计；
17、离心泵通过入水管路与出水口连接，通过出水管路与进水口连接，进口流量控制阀安装在入水管路上，出口流量控制阀和流量计安装在出水管路上。
18、进一步的，所述高速摄像系统包括高速摄像机、计算机和照明灯；高速摄像机与计算机连接，由照明灯提供测试区域照明。
19、进一步的，所述空蚀测量单元包括激光空泡发生器和控制器，激光空泡发生器连接控制器，控制器并与计算机连接。
20、本发明还公开了测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的方法，基于所述的测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置，包括以下步骤：
21、(1)准备阶段，关闭出料口，并在透明测试水箱中充满至少完全没过试件的流体介质；关闭出料槽，并在颗粒料斗中填满测试所需尺寸的颗粒，通过调整料斗支架高度，使颗粒送料板的倾斜程度调整至测试所需角度；在试件固定架上安装试件，调整调节支架，使试件处于测试规定的位置和角度；调整颗粒均布器位置，使颗粒下落到透明测试水箱中后距离试件的垂直距离满足测试要求；开启进口流量控制阀，关闭出口流量控制阀；调整激光空泡发生器射出激光的焦点位置满足测试要求，通过计算机设置控制器参数，调整空泡产生频率和尺寸；打开照明灯，调整高速摄像机的对焦平面至激光的焦点位置所在平面，在计算机上设置拍摄参数；
22、(2)测试中，开启颗粒震动机构，打开出料槽；启动离心泵，调节出口流量控制阀，使流量计示数达到测试要求值；通过计算机发出控制指令到控制器，激活激光空泡发生器连续产生空泡；通过计算机控制高速摄像机进行测试过程的拍摄；记录整个测试进行的时长；
23、(3)测试结束后，依次关闭高速摄像机、照明灯、离心泵、出料槽、进口流量控制阀、出口流量控制阀；抽干透明测试水箱中的流体介质，打开出料口，清理底部沉积的颗粒；从试件固定架上取下试件，在计算机上，处理颗粒动力学特性数据及空化泡演变特性数据，结合测试全过程所需的时间和试件在测试前后质量、表面形貌变化的程度，评价给定测试条件下空蚀和冲蚀协同损伤效应对试件的损伤程度，结合壁面材料力学属性，测算协同效应下过流壁面的力学载荷特性，测试结束。
24、进一步的，协同效应下过流壁面的力学载荷特性的计算方法如下：
25、采用显微镜，观测试件2-11冲蚀和空蚀区域的损伤区域，得到表面损伤凹坑的直径d和深度h，进一步得到冲击凹坑的等效应变ε如式(1)所示：
26、
27、应变ε对应的等效应力σ根据johson-cook动态本构模型进行求解，如式(2)所示：
28、
29、式中，σ0是初始屈服应力；b是应变硬化模量；n是硬化指数；c是应变强化参数；是等效应变率；是参考应变率。
30、对应壁面受到冲击载荷f的表达式如式(3)所示：
31、
32、式中，ψ是约束因子，对于全弹性材料，取值为1.11；对于全塑性材料，取值为2.87
33、计算得到壁面在空蚀和冲蚀耦合条件下的冲击强度σp的表达式如式(4)所示：
34、
35、与现有技术相比，本发明的装置及方法具备如下优点：
36、1.可以在试件表面指定位置处，连续产生尺寸可控的空化泡，灵活调节颗粒的流动速度、颗粒与空化泡的相对位置等影响测试的重要参数，保证了测试结果的可重复性准确性，提高了测量精度。
37、2.通过更换透明测试水箱内的流体介质、颗粒料斗内颗粒材质，以及结合不同材质试件，可以研究不同流体介质或颗粒特性对不同壁面材料空蚀和冲蚀协同损伤效应的影响，测算协同效应下过流壁面的力学载荷特性。
38、3.本发明所述实验装置结构简单、操作简便、测试成本低，对空蚀和冲蚀协同损伤效应机理的研究有重要的价值。
39、4.本发明能够在多种流体介质中，在给定颗粒速度、颗粒浓度、空化泡产生频率、空化泡中心与试件壁面距离的条件下，评估空蚀和冲蚀协同损伤效应对试件的损伤程度，测算协同效应下过流壁面的力学载荷特性，为各类流体机械、液压系统、海工装备等在含有固体颗粒的流动中，过流壁面受空蚀和冲蚀协同损伤效应下的损伤预测、抗损伤结构设计，以及壁面防护方法的提供支持，具有重要的工程意义。
1.测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置，其特征在于，所述冲蚀测量单元包括颗粒料斗(2-2)、颗粒送料板(2-4)和颗粒均布器(2-6)；
3.根据权利要求2所述的测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置，其特征在于，所述试件单元包括试件(2-11)、试件固定器(2-10)、位置调节支架(2-9)和试件固定架(2-8)；
4.根据权利要求3所述的测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置，其特征在于，所述透明测试水箱(1-1)上开有出水口(1-4)和进水口(1-3)，进水口(1-3)处设有扩散器(1-5)，扩散器(1-5)安装在透明测试水箱(1-1)内部；进水口(1-3)和扩散器(1-5)朝向试件单元；透明测试水箱(1-1)下部开有出料口(1-2)，用于测试结束后，透明测试水箱(1-1)底部颗粒的清理。
5.根据权利要求4所述的测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置，其特征在于，所述透明测试水箱的下部偏向一侧倾斜，出料口(1-2)位于透明测试水箱下部位置较低的壁面上，出水口(1-4)位于透明测试水箱下部位置较高的壁面上。
6.根据权利要求4所述的测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置，其特征在于，所述循环水单元包括离心泵(3-3)、入水管路(3-1)、进口流量控制阀(3-2)、出口流量控制阀(3-4)、出水管路(3-5)和流量计(3-6)；
7.根据权利要求6所述的测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置，其特征在于，所述高速摄像系统包括高速摄像机(5-1)、计算机(5-2)和照明灯(5-3)；高速摄像机(5-1)与计算机(5-2)连接，由照明灯(5-3)提供测试区域照明。
8.根据权利要求7所述的测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置，其特征在于，所述空蚀测量单元包括激光空泡发生器(4-1)和控制器(4-3)，激光空泡发生器(4-1)连接控制器(4-3)，控制器(4-3)并与计算机(5-2)连接。
9.测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的方法，基于权利要求8所述的测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的装置，其特征在于包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的测量空蚀和冲蚀协同损伤效应及壁面载荷的方法，其特征在于，协同效应下过流壁面的力学载荷特性的计算方法如下：
