一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置製造方法

2023-09-24 01:22:45

一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置。高壓氣缸通過支撐柱固定在地面，高壓氣缸上安裝有第一壓力表，高壓氣缸的輸入口通過氣閥控制開關與高壓氮氣瓶連接，高壓氮氣瓶出口處設有第二壓力表；水箱通過水箱支架安裝在高壓氣缸正上方，高壓氣缸與可伸縮發射管相通，高壓氣缸輸出口處設有電磁閥，可伸縮發射管內裝有航行體，可伸縮發射管通過錫紙密封並伸入到水箱的介質水中；工控計算機與高速攝影儀連接，高速攝影儀朝向水箱中心。本實用新型實現水箱實際有效體積大小可變，有助於研究不同空間大小流場裡的超空泡現象，解決了每次實驗過程中大量介質流出，重新補充流體介質的問題，並解決了實驗中照明強度不足的問題。
【專利說明】一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種超空泡出水實驗裝置，尤其是涉及作為流體力學中流體壓力發生器的一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置。

【背景技術】
[0002]超空泡是一種物理現象，是液體中空化現象的一種表現形式。當根據流體動力學中的「伯努利定律」，水下航行體與周圍液體相對運動速度增大，航行體周圍壓強將降低；速度增大到一定程度時，部分水體的壓強將低於其飽和蒸汽壓，從而變為汽態，稱為空化現象。隨著航行體速度的不斷增加，空泡不斷增大，當空泡包裹著整個航行體之後便形成了超空泡。早期對於空化腐蝕現象的研究，人們一直想避免空泡現象，然而在20世紀60年代前蘇聯科學家發現，運動物體的速度提高到一定程度時，物體表面會被一層氣泡所包圍，即產生「超空化現象」，此時水的阻力會大大降低，氣泡也不會因為爆裂而對運動物體表面產生衝擊。此後，研究人員發現航行體在水中的摩擦阻力約為空氣中阻力的850倍，通過應用超空泡技術可以使水下航行體航行時的摩擦阻力大幅減小。超空泡技術發現後，鑑於其良好的減阻特性，在軍事國防方面得到了廣泛的應用。
[0003]我國對於超空泡技術的研究起步較晚，與國外技術相比還有一定的差距。在高速物體出水誘導產生自然超空泡的基礎試驗研究方面剛剛起步不久，相關的研究單位大多是在水洞中進行，但由於水洞實驗受弗勞德數的影響較大，空泡變形較嚴重，難以準確分析空泡的形態特性。而且與常規水洞試驗相比，射彈試驗成本較低、周期較短，更容易實現水下航行體帶超空泡的高速運動，因此我們通過利用自行研發設計的射彈實驗裝置對超空泡現象展開研究。
[0004]高速射彈實驗發生裝置在實驗過程中，由於射彈模型從發射管中高速運動衝破被法蘭盤固定的錫紙後，到人為關閉球閥之間存在一個時間差，在這個過程中會有大量的液體介質流出，導致每次實驗後需要重新補充介質，重新處理實驗裝置周圍流出的介質，同樣由於介質的洩漏以及某些介質的特殊性質，如海水的腐蝕性、有機溶劑的毒性等，該裝置也不能用於模擬海水、有機溶液等特殊介質中的超空泡發生、發展和潰滅的過程。此外由於水箱體積固定，不能用於研究較小流場中的超空泡現象，較單一。


【發明內容】

[0005]針對上述【背景技術】中所存在的問題，本實用新型的目的在於提供一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置，可以實現不同大小流場、不同流體介質的高速射彈表面帶超空泡運動的實驗研究。
[0006]本實用新型採用的技術方案包括:
[0007]本實用新型包括高速攝影組件、發射組件和水箱觀察組件，其特徵在於:發射組件包括第一壓力表、可伸縮發射管、電磁閥、氣閥控制開關、高壓氣缸、第二壓力表、支撐柱、高壓氮氣瓶；高壓氣缸通過支撐柱固定在地面，高壓氣缸上安裝有用於檢測高壓氣缸內部壓力的第一壓力表，高壓氣缸的輸入口通過氣閥控制開關與高壓氮氣瓶連接，高壓氮氣瓶出口處設有用於檢測高壓氮氣瓶內壓力的第二壓力表，高壓氣缸輸出口朝上；
[0008]水箱觀察組件包括水箱、透明有機玻璃、水下光源和用於調節水箱所用體積的調節組件；用於出水實驗觀察的水箱通過水箱支架安裝在高壓氣缸正上方，水箱的正面設有用於實驗觀察的透明有機玻璃，高壓氣缸輸出口與可伸縮發射管底部連接相通，高壓氣缸輸出口處設有用於控制高壓氣缸啟閉的電磁閥，可伸縮發射管內裝有用於出水實驗的航行體，可伸縮發射管頂部通過錫紙密封並從水箱底部中心伸入到水箱的介質水中；
[0009]高速攝影組件包括用於高速拍攝出水實驗的高速攝影儀與連接到高速攝影儀的工控計算機，高速攝影儀朝向水箱中心。
[0010]所述的用於調節水箱所用體積的調節組件包括隔板夾和兩塊隔板，水箱內沿高速攝影儀朝向方向的兩內壁上設有對稱且間隔均布的一排隔板夾，兩塊隔板通過內壁上的隔板夾平行對稱裝在水箱內，水箱的介質水注入到兩塊隔板與水箱底面形成的隔斷空間內，通過將隔板嵌入到不同位置的隔板夾來改變實驗中所用空間的體積。
[0011 ] 所述的隔板夾由兩條豎直平行排列的橡膠條組成。
[0012]所述的單排中的隔板夾的數量為12個。
[0013]所述的可伸縮發射管為由兩節直管活動套接而成進行調節長度的發射管。
[0014]所述的水箱內底部設有用於增強水箱內照明的水下光源，水下光源安裝在水箱內底部的四角上。
[0015]所述的航行體為加速子彈。
[0016]本實用新型採取的有益效果是:
[0017]本實用新型實現水箱實際有效體積大小可變，有助於研究不同空間大小流場裡的超空泡現象。
[0018]本實用新型有效的解決了每次實驗過程中大量介質流出，重新補充流體介質的問題，而且可用於模擬海水、有機溶液等特殊介質中的超空泡發生、發展和潰滅的過程。
[0019]本實用新型通過水下光源提高了高速攝影儀的拍攝亮度，解決了實驗中照明強度不足的問題，獲得的超空泡圖片更加清晰。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型的整體結構示意圖。
[0021]圖2是本實用新型水箱的三維結構示意圖。
[0022]圖3是本實用新型水箱的剖面圖。
[0023]圖4是本實用新型水箱除去隔板後的剖面圖。
[0024]圖5是本實用新型水箱的俯視圖。
[0025]圖6是可伸縮發射管的三維結構示意圖。
[0026]圖7是可伸縮發射管的二維剖面圖。
[0027]圖中:1、工控計算機，2、高速攝影儀，3、第一壓力表，4、泡沫板，5、透明有機玻璃，6、水下光源,7、發射管,8、水箱支架,9、電磁閥，10、氣閥控制開關,11、高壓氣缸,12、第二壓力表，13、支撐柱，14、高壓氮氣瓶，15、隔板，16、隔板夾。

【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖和實例對本實用新型作進一步說明。
[0029]如圖1、圖2所示，本實用新型包括高速攝影組件、發射組件和水箱觀察組件。
[0030]如圖1所示，發射組件包括第一壓力表3、可伸縮發射管7、電磁閥9、氣閥控制開關10、高壓氣缸11、第二壓力表12、支撐柱13、高壓氮氣瓶14 ;高壓氣缸11通過支撐柱13固定在地面，高壓氣缸11上安裝有用於檢測高壓氣缸內部壓力的第一壓力表3，高壓氣缸11的輸入口通過氣閥控制開關10與高壓氮氣瓶14連接，高壓氮氣瓶14出口處設有用於檢測高壓氮氣瓶14內壓力的第二壓力表12,高壓氣缸11輸出口朝上,氣閥控制開關10用於控制氮氣瓶啟閉，高壓氣缸11用於儲存高壓氣體的。實驗中通過第一壓力表3和第二壓力表12配合將壓力調至實驗所需的合適壓力。
[0031]如圖1所示，水箱觀察組件包括水箱、有機玻璃5、水下光源6和用於調節水箱所用體積的調節組件；用於出水實驗觀察的水箱通過水箱支架8安裝在高壓氣缸11正上方，水箱的四周設有用於實驗觀察的透明有機玻璃5，採用有機玻璃5有利於觀測水箱內部超空泡流場，高壓氣缸11輸出口與可伸縮發射管7底部連接相通，高壓氣缸11輸出口處設有用於控制高壓氣缸啟閉的電磁閥9，可伸縮發射管7內裝有用於出水實驗的航行體，可伸縮發射管7頂部通過錫紙密封並從水箱底部中心伸入到水箱的介質水中。
[0032]如圖1所示，高速攝影組件包括用於高速拍攝出水實驗的高速攝影儀2與連接到高速攝影儀2的工控計算機1，高速攝影儀2朝向水箱中心。
[0033]如圖2、圖3、圖4和圖5所示，所述的用於調節水箱所用體積的調節組件包括隔板夾16和兩塊隔板15，水箱內沿高速攝影儀2朝向方向的前後兩內壁上設有對稱且間隔均布的一排隔板夾16，兩塊隔板15通過前後兩內壁上的隔板夾16平行對稱裝在水箱內，水箱的介質水注入到兩塊隔板與水箱底面形成的隔斷空間內，移動隔板位置，通過將隔板嵌入到不同位置的隔板夾16來改變實驗中所用空間的體積，實現實驗中所用的流場區域大小的調整。這樣可以有助於研究狹窄流場中固體壁面對航行體表面的超空泡的產生、發展、潰滅等廣生的影響。
[0034]由此水箱是一個完全密閉的空間，不會有介質洩漏，因此還可以用來研究不同介質下的超空泡現象，如模擬海水、有機溶液等。
[0035]如圖3、圖4、圖5所示，隔板夾16由兩條豎直平行排列的橡膠條組成，隔板15夾在兩條橡膠條之間。優選地，單排中的隔板夾16的數量為12個。
[0036]如圖6、圖7所示，可伸縮發射管7為由兩節直管活動套接而成進行調節長度的發射管。每次實驗前將發射管拉長使得其伸出水面，安裝射彈模型，然後將發射管的開口處用錫紙密封，再收縮發射管使其頂端處於水下實驗所需的位置，實驗結束後再將發射管伸出水面安裝射彈模型進行下一次實驗。
[0037]水箱內底部設有用於增強水箱內照明的水下光源6，水下光源6安裝在水箱內底部的四角上，這樣彌補了實驗過程中照明強度不夠，實驗拍攝的照片較灰暗的問題。
[0038]航行體即為射彈模型，可採用加速子彈。
[0039]水箱觀察組件還包括用於減速緩衝射出水面的高速射彈的泡沫板4，泡沫板4安裝在水箱頂面，由於射彈的速度很大，起緩衝作用的泡沫板要保證足夠的厚度。
[0040]水箱的左右側面和前後兩面上均設有透明的有機玻璃的觀測窗口，透過有機玻璃可以觀測到水箱內的水位和射彈在水中高速運動時其表面超空泡的發生、發展和潰滅的過程。
[0041]如圖6、圖7所示，利用可伸縮發射管，實驗前把發射管伸出水面，裝上射彈模型，用錫紙封住埠，再將發射管收縮至箱底合適的位置，每次實驗結束後再將發射管伸出，安裝射彈模型，進行下一次的實驗。這樣可以有效的解決之前射彈穿破錫紙後到關閉球閥的過程中大量液體介質洩漏的問題，以及流出的介質對高壓氣缸的腐蝕性影響，由於該水箱是一個密閉的環境，因此不僅可以用於研究水中的超空泡，還可以研究模擬海水、有機溶劑等特殊介質中的超空泡現象。
[0042]打開電磁閥，高壓氣缸11中充入的高壓氮氣進入到發射管7中，驅動射彈模型以較高的速度進入水中，在其表面會形成超空泡，再用高速攝影儀2對整個過程進行拍攝記錄，研究航行體表面超空泡的產生、發展和潰滅現象。
[0043]本實用新型的具體實施工作過程如下:
[0044]每次實驗前將隔板15嵌入到合適的隔板夾16的橡膠條之間中，注入實驗用的液體介質淡水、模擬海水或有機溶劑等至所需的位置，將射彈模型放入伸出液面的發射管7中，用0.4_厚的錫紙封住發射管的埠，將發射管收縮至箱底，打開氣閥控制開關10，高壓氣瓶14中的氮氣開始流入高壓氣缸11中，當壓力表3中的壓力為實驗所需的壓力時關閉氣閥控制開關，打開水下光源6，將高速攝影儀2的攝像頭對準聚焦於觀察窗口內的液體自由面處，打開電磁閥9，高壓氣缸中的高壓氮氣進入到發射管中，驅動發射管內的射彈模型以較高的速度衝破錫紙，在水箱裡向上運動，直至衝出液面，最終撞到鋪在水箱頂部的一層泡沫板4上，速度得到充分的緩衝再墜落下來，通過利用高速攝影儀拍攝到航行體表面帶超空泡運動和衝出液面時空泡潰滅的整個過程。實驗結束後將發射管伸出水面，打開電磁閥9，高壓氣缸中殘餘的壓力可以將發射管內流入的液體排出，保證發射管內部的乾燥和通暢，然後安裝射彈模型，進行下一次實驗。
[0045]由此可見，本實用新型通過利用調節水箱所用體積的調節組件改變水箱實驗時所用的體積大小，研究不同空間大小流場裡的超空泡流動，及箱體壁面對超空泡發展的影響。其發射管解決了每次實驗有大量水流出，需要重新注水，清潔實驗環境的問題，同時由於整個箱體得到密封，在使用模擬海水和有機溶劑等介質時就不會洩露，不會腐蝕高壓氣缸和支架等，還可以用來研究海水、有機溶液等流場中的超空泡現象。通過水下光源，解決了實驗中照明強度不足的問題。
【權利要求】
1.一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置，包括高速攝影組件、發射組件和水箱觀察組件，其特徵在於:發射組件包括第一壓力表(3)、可伸縮發射管(7)、電磁閥(9)、氣閥控制開關(10)、高壓氣缸(11)、第二壓力表(12)、支撐柱(13)、高壓氮氣瓶(14)；高壓氣缸(11)通過支撐柱(13)固定在地面，高壓氣缸(11)上安裝有用於檢測高壓氣缸內部壓力的第一壓力表(3)，高壓氣缸(11)的輸入口通過氣閥控制開關(10)與高壓氮氣瓶(14)連接，高壓氮氣瓶(14)出口處設有用於檢測高壓氮氣瓶(14)內壓力的第二壓力表(12)，高壓氣缸(11)輸出口朝上； 水箱觀察組件包括水箱、透明有機玻璃(5)、水下光源(6)和用於調節水箱所用體積的調節組件；用於出水實驗觀察的水箱通過水箱支架(8)安裝在高壓氣缸(11)正上方，水箱的正面設有用於實驗觀察的透明有機玻璃(5)，高壓氣缸(11)輸出口與可伸縮發射管(7)底部連接相通，高壓氣缸(11)輸出口處設有用於控制高壓氣缸啟閉的電磁閥(9)，可伸縮發射管(7)內裝有用於出水實驗的航行體，可伸縮發射管(7)頂部通過錫紙密封並從水箱底部中心伸入到水箱的介質水中； 高速攝影組件包括用於高速拍攝出水實驗的高速攝影儀(2)與連接到高速攝影儀(2)的工控計算機(I)，高速攝影儀(2 )朝向水箱中心。
2.根據權利要求1所述的一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置，其特徵在於:所述的用於調節水箱所用體積的調節組件包括隔板夾(16)和兩塊隔板(15)，水箱內沿高速攝影儀(2)朝向方向的兩內壁上設有對稱且間隔均布的一排隔板夾(16)，兩塊隔板(15)通過內壁上的隔板夾(16)平行對稱裝在水箱內，水箱的介質水注入到兩塊隔板與水箱底面形成的隔斷空間內，通過將隔板嵌入到不同位置的隔板夾(16)來改變實驗中所用空間的體積。
3.根據權利要求2所述的一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置，其特徵在於:所述的隔板夾(16)由兩條豎直平行排列的橡膠條組成。
4.根據權利要求2所述的一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置，其特徵在於:所述的單排中的隔板夾(16)的數量為12個。
5.根據權利要求1所述的一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置，其特徵在於:所述的可伸縮發射管(7)為由兩節直管活動套接而成進行調節長度的發射管。
6.根據權利要求1所述的一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置，其特徵在於:所述的水箱內底部設有用於增強水箱內照明的水下光源(6)，水下光源(6)安裝在水箱內底部的四角上。
7.根據權利要求1所述的一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置，其特徵在於:所述的航行體為加速子彈。
【文檔編號】G01M10/00GK204043888SQ201420417999
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】高聚瑞, 賈會霞, 施紅輝, 周楊潔, 王昀, 周浩磊 申請人:浙江理工大學