一種可變水箱體積的航行體帶超空泡出水實驗裝置制造方法
【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(guān)與高壓氮?dú)馄窟B接，高壓氮?dú)馄砍隹谔幵O(shè)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(fā)射管相通，高壓氣缸輸出口處設(shè)有電磁閥，可伸縮發(fā)射管內(nèi)裝有航行體，可伸縮發(fā)射管通過錫紙密封并伸入到水箱的介質(zhì)水中；工控計算機(jī)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(xiàn)水箱實際有效體積大小可變，有助于研究不同空間大小流場里的超空泡現(xiàn)象，解決了每次實驗過程中大量介質(zhì)流出，重新補(bǔ)充流體介質(zhì)的問題，并解決了實驗中照明強(qiáng)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(shù)領(lǐng)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(xué)中流體壓力發(fā)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(shù)】
[0002]超空泡是一種物理現(xiàn)象，是液體中空化現(xiàn)象的一種表現(xiàn)形式。當(dāng)根據(jù)流體動力學(xué)中的“伯努利定律”，水下航行體與周圍液體相對運(yùn)動速度增大，航行體周圍壓強(qiáng)將降低；速度增大到一定程度時，部分水體的壓強(qiáng)將低于其飽和蒸汽壓，從而變?yōu)槠麘B(tài)，稱為空化現(xiàn)象。隨著航行體速度的不斷增加，空泡不斷增大，當(dāng)空泡包裹著整個航行體之后便形成了超空泡。早期對于空化腐蝕現(xiàn)象的研究，人們一直想避免空泡現(xiàn)象，然而在20世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，運(yùn)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(chǎn)生“超空化現(xiàn)象”，此時水的阻力會大大降低，氣泡也不會因為爆裂而對運(yùn)動物體表面產(chǎn)生沖擊。此后，研究人員發(fā)現(xiàn)航行體在水中的摩擦阻力約為空氣中阻力的850倍，通過應(yīng)用超空泡技術(shù)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(shù)發(fā)現(xiàn)后，鑒于其良好的減阻特性，在軍事國防方面得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]我國對于超空泡技術(shù)的研究起步較晚，與國外技術(shù)相比還有一定的差距。在高速物體出水誘導(dǎo)產(chǎn)生自然超空泡的基礎(chǔ)試驗研究方面剛剛起步不久，相關(guān)的研究單位大多是在水洞中進(jìn)行，但由于水洞實驗受弗勞德數(shù)的影響較大，空泡變形較嚴(yán)重，難以準(zhǔn)確分析空泡的形態(tài)特性。而且與常規(guī)水洞試驗相比，射彈試驗成本較低、周期較短，更容易實現(xiàn)水下航行體帶超空泡的高速運(yùn)動，因此我們通過利用自行研發(fā)設(shè)計的射彈實驗裝置對超空泡現(xiàn)象展開研究。
[0004]高速射彈實驗發(fā)生裝置在實驗過程中，由于射彈模型從發(fā)射管中高速運(yùn)動沖破被法蘭盤固定的錫紙后，到人為關(guān)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(zhì)流出，導(dǎo)致每次實驗后需要重新補(bǔ)充介質(zhì)，重新處理實驗裝置周圍流出的介質(zhì)，同樣由于介質(zhì)的泄漏以及某些介質(zhì)的特殊性質(zhì)，如海水的腐蝕性、有機(jī)溶劑的毒性等，該裝置也不能用于模擬海水、有機(jī)溶液等特殊介質(zhì)中的超空泡發(fā)生、發(fā)展和潰滅的過程。此外由于水箱體積固定，不能用于研究較小流場中的超空泡現(xiàn)象，較單一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述【背景技術(shù)】中所存在的問題，本實用新型的目的在于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(xiàn)不同大小流場、不同流體介質(zhì)的高速射彈表面帶超空泡運(yùn)動的實驗研究。
[0006]本實用新型采用的技術(shù)方案包括:
[0007]本實用新型包括高速攝影組件、發(fā)射組件和水箱觀察組件，其特征在于:發(fā)射組件包括第一壓力表、可伸縮發(fā)射管、電磁閥、氣閥控制開關(guān)、高壓氣缸、第二壓力表、支撐柱、高壓氮?dú)馄?；高壓氣缸通過支撐柱固定在地面，高壓氣缸上安裝有用于檢測高壓氣缸內(nèi)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(guān)與高壓氮?dú)馄窟B接，高壓氮?dú)馄砍隹谔幵O(shè)有用于檢測高壓氮?dú)馄績?nèi)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(jī)玻璃、水下光源和用于調(diào)節(jié)水箱所用體積的調(diào)節(jié)組件；用于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(shè)有用于實驗觀察的透明有機(jī)玻璃，高壓氣缸輸出口與可伸縮發(fā)射管底部連接相通，高壓氣缸輸出口處設(shè)有用于控制高壓氣缸啟閉的電磁閥，可伸縮發(fā)射管內(nèi)裝有用于出水實驗的航行體，可伸縮發(fā)射管頂部通過錫紙密封并從水箱底部中心伸入到水箱的介質(zhì)水中；
[0009]高速攝影組件包括用于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(jī)，高速攝影儀朝向水箱中心。
[0010]所述的用于調(diào)節(jié)水箱所用體積的調(diào)節(jié)組件包括隔板夾和兩塊隔板，水箱內(nèi)沿高速攝影儀朝向方向的兩內(nèi)壁上設(shè)有對稱且間隔均布的一排隔板夾，兩塊隔板通過內(nèi)壁上的隔板夾平行對稱裝在水箱內(nèi)，水箱的介質(zhì)水注入到兩塊隔板與水箱底面形成的隔斷空間內(nèi)，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(shù)量為12個。
[0013]所述的可伸縮發(fā)射管為由兩節(jié)直管活動套接而成進(jìn)行調(diào)節(jié)長度的發(fā)射管。
[0014]所述的水箱內(nèi)底部設(shè)有用于增強(qiáng)水箱內(nèi)照明的水下光源，水下光源安裝在水箱內(nèi)底部的四角上。
[0015]所述的航行體為加速子彈。
[0016]本實用新型采取的有益效果是:
[0017]本實用新型實現(xiàn)水箱實際有效體積大小可變，有助于研究不同空間大小流場里的超空泡現(xiàn)象。
[0018]本實用新型有效的解決了每次實驗過程中大量介質(zhì)流出，重新補(bǔ)充流體介質(zhì)的問題，而且可用于模擬海水、有機(jī)溶液等特殊介質(zhì)中的超空泡發(fā)生、發(fā)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(qiáng)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(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本實用新型水箱的三維結(jié)構(gòu)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后的剖面圖。
[0024]圖5是本實用新型水箱的俯視圖。
[0025]圖6是可伸縮發(fā)射管的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖7是可伸縮發(fā)射管的二維剖面圖。
[0027]圖中:1、工控計算機(jī)，2、高速攝影儀，3、第一壓力表，4、泡沫板，5、透明有機(jī)玻璃，6、水下光源,7、發(fā)射管,8、水箱支架,9、電磁閥，10、氣閥控制開關(guān),11、高壓氣缸,12、第二壓力表，13、支撐柱，14、高壓氮?dú)馄浚?5、隔板，16、隔板夾。

【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實例對本實用新型作進(jìn)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(fā)射組件和水箱觀察組件。
[0030]如圖1所示，發(fā)射組件包括第一壓力表3、可伸縮發(fā)射管7、電磁閥9、氣閥控制開關(guān)10、高壓氣缸11、第二壓力表12、支撐柱13、高壓氮?dú)馄?4 ;高壓氣缸11通過支撐柱13固定在地面，高壓氣缸11上安裝有用于檢測高壓氣缸內(nèi)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(guān)10與高壓氮?dú)馄?4連接，高壓氮?dú)馄?4出口處設(shè)有用于檢測高壓氮?dú)馄?4內(nèi)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(guān)10用于控制氮?dú)馄繂㈤]，高壓氣缸11用于儲存高壓氣體的。實驗中通過第一壓力表3和第二壓力表12配合將壓力調(diào)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(jī)玻璃5、水下光源6和用于調(diào)節(jié)水箱所用體積的調(diào)節(jié)組件；用于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(shè)有用于實驗觀察的透明有機(jī)玻璃5，采用有機(jī)玻璃5有利于觀測水箱內(nèi)部超空泡流場，高壓氣缸11輸出口與可伸縮發(fā)射管7底部連接相通，高壓氣缸11輸出口處設(shè)有用于控制高壓氣缸啟閉的電磁閥9，可伸縮發(fā)射管7內(nèi)裝有用于出水實驗的航行體，可伸縮發(fā)射管7頂部通過錫紙密封并從水箱底部中心伸入到水箱的介質(zhì)水中。
[0032]如圖1所示，高速攝影組件包括用于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(jī)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，所述的用于調(diào)節(jié)水箱所用體積的調(diào)節(jié)組件包括隔板夾16和兩塊隔板15，水箱內(nèi)沿高速攝影儀2朝向方向的前后兩內(nèi)壁上設(shè)有對稱且間隔均布的一排隔板夾16，兩塊隔板15通過前后兩內(nèi)壁上的隔板夾16平行對稱裝在水箱內(nèi)，水箱的介質(zhì)水注入到兩塊隔板與水箱底面形成的隔斷空間內(nèi)，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(xiàn)實驗中所用的流場區(qū)域大小的調(diào)整。這樣可以有助于研究狹窄流場中固體壁面對航行體表面的超空泡的產(chǎn)生、發(fā)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(zhì)泄漏，因此還可以用來研究不同介質(zhì)下的超空泡現(xiàn)象，如模擬海水、有機(jī)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(yōu)選地，單排中的隔板夾16的數(shù)量為12個。
[0036]如圖6、圖7所示，可伸縮發(fā)射管7為由兩節(jié)直管活動套接而成進(jìn)行調(diào)節(jié)長度的發(fā)射管。每次實驗前將發(fā)射管拉長使得其伸出水面，安裝射彈模型，然后將發(fā)射管的開口處用錫紙密封，再收縮發(fā)射管使其頂端處于水下實驗所需的位置，實驗結(jié)束后再將發(fā)射管伸出水面安裝射彈模型進(jìn)行下一次實驗。
[0037]水箱內(nèi)底部設(shè)有用于增強(qiáng)水箱內(nèi)照明的水下光源6，水下光源6安裝在水箱內(nèi)底部的四角上，這樣彌補(bǔ)了實驗過程中照明強(qiáng)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，可采用加速子彈。
[0039]水箱觀察組件還包括用于減速緩沖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，由于射彈的速度很大，起緩沖作用的泡沫板要保證足夠的厚度。
[0040]水箱的左右側(cè)面和前后兩面上均設(shè)有透明的有機(jī)玻璃的觀測窗口，透過有機(jī)玻璃可以觀測到水箱內(nèi)的水位和射彈在水中高速運(yùn)動時其表面超空泡的發(fā)生、發(fā)展和潰滅的過程。
[0041]如圖6、圖7所示，利用可伸縮發(fā)射管，實驗前把發(fā)射管伸出水面，裝上射彈模型，用錫紙封住端口，再將發(fā)射管收縮至箱底合適的位置，每次實驗結(jié)束后再將發(fā)射管伸出，安裝射彈模型，進(jìn)行下一次的實驗。這樣可以有效的解決之前射彈穿破錫紙后到關(guān)閉球閥的過程中大量液體介質(zhì)泄漏的問題，以及流出的介質(zhì)對高壓氣缸的腐蝕性影響，由于該水箱是一個密閉的環(huán)境，因此不僅可以用于研究水中的超空泡，還可以研究模擬海水、有機(jī)溶劑等特殊介質(zhì)中的超空泡現(xiàn)象。
[0042]打開電磁閥，高壓氣缸11中充入的高壓氮?dú)膺M(jìn)入到發(fā)射管7中，驅(qū)動射彈模型以較高的速度進(jìn)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(jìn)行拍攝記錄，研究航行體表面超空泡的產(chǎn)生、發(fā)展和潰滅現(xiàn)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(zhì)淡水、模擬海水或有機(jī)溶劑等至所需的位置，將射彈模型放入伸出液面的發(fā)射管7中，用0.4_厚的錫紙封住發(fā)射管的端口，將發(fā)射管收縮至箱底，打開氣閥控制開關(guān)10，高壓氣瓶14中的氮?dú)忾_始流入高壓氣缸11中，當(dāng)壓力表3中的壓力為實驗所需的壓力時關(guān)閉氣閥控制開關(guān)，打開水下光源6，將高速攝影儀2的攝像頭對準(zhǔn)聚焦于觀察窗口內(nèi)的液體自由面處，打開電磁閥9，高壓氣缸中的高壓氮?dú)膺M(jìn)入到發(fā)射管中，驅(qū)動發(fā)射管內(nèi)的射彈模型以較高的速度沖破錫紙，在水箱里向上運(yùn)動，直至沖出液面，最終撞到鋪在水箱頂部的一層泡沫板4上，速度得到充分的緩沖再墜落下來，通過利用高速攝影儀拍攝到航行體表面帶超空泡運(yùn)動和沖出液面時空泡潰滅的整個過程。實驗結(jié)束后將發(fā)射管伸出水面，打開電磁閥9，高壓氣缸中殘余的壓力可以將發(fā)射管內(nèi)流入的液體排出，保證發(fā)射管內(nèi)部的干燥和通暢，然后安裝射彈模型，進(jìn)行下一次實驗。
[0045]由此可見，本實用新型通過利用調(diào)節(jié)水箱所用體積的調(diào)節(jié)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里的超空泡流動，及箱體壁面對超空泡發(fā)展的影響。其發(fā)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(huán)境的問題，同時由于整個箱體得到密封，在使用模擬海水和有機(jī)溶劑等介質(zhì)時就不會泄露，不會腐蝕高壓氣缸和支架等，還可以用來研究海水、有機(jī)溶液等流場中的超空泡現(xiàn)象。通過水下光源，解決了實驗中照明強(qiáng)度不足的問題。
【權(quán)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(fā)射組件和水箱觀察組件，其特征在于:發(fā)射組件包括第一壓力表(3)、可伸縮發(fā)射管(7)、電磁閥(9)、氣閥控制開關(guān)(10)、高壓氣缸(11)、第二壓力表(12)、支撐柱(13)、高壓氮?dú)馄?14)；高壓氣缸(11)通過支撐柱(13)固定在地面，高壓氣缸(11)上安裝有用于檢測高壓氣缸內(nèi)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(guān)(10)與高壓氮?dú)馄?14)連接，高壓氮?dú)馄?14)出口處設(shè)有用于檢測高壓氮?dú)馄?14)內(nèi)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(jī)玻璃(5)、水下光源(6)和用于調(diào)節(jié)水箱所用體積的調(diào)節(jié)組件；用于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(shè)有用于實驗觀察的透明有機(jī)玻璃(5)，高壓氣缸(11)輸出口與可伸縮發(fā)射管(7)底部連接相通，高壓氣缸(11)輸出口處設(shè)有用于控制高壓氣缸啟閉的電磁閥(9)，可伸縮發(fā)射管(7)內(nèi)裝有用于出水實驗的航行體，可伸縮發(fā)射管(7)頂部通過錫紙密封并從水箱底部中心伸入到水箱的介質(zhì)水中； 高速攝影組件包括用于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(jī)(I)，高速攝影儀(2 )朝向水箱中心。
2.根據(jù)權(quán)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，其特征在于:所述的用于調(diào)節(jié)水箱所用體積的調(diào)節(jié)組件包括隔板夾(16)和兩塊隔板(15)，水箱內(nèi)沿高速攝影儀(2)朝向方向的兩內(nèi)壁上設(shè)有對稱且間隔均布的一排隔板夾(16)，兩塊隔板(15)通過內(nèi)壁上的隔板夾(16)平行對稱裝在水箱內(nèi)，水箱的介質(zhì)水注入到兩塊隔板與水箱底面形成的隔斷空間內(nèi)，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(jù)權(quán)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，其特征在于: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(jù)權(quán)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，其特征在于:所述的單排中的隔板夾(16)的數(shù)量為12個。
5.根據(jù)權(quán)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，其特征在于:所述的可伸縮發(fā)射管(7)為由兩節(jié)直管活動套接而成進(jìn)行調(diào)節(jié)長度的發(fā)射管。
6.根據(jù)權(quán)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，其特征在于:所述的水箱內(nèi)底部設(shè)有用于增強(qiáng)水箱內(nèi)照明的水下光源(6)，水下光源(6)安裝在水箱內(nèi)底部的四角上。
7.根據(jù)權(quán)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，其特征在于: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(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)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(xué)