CN102507137B

CN102507137B - 平面超空泡发生装置

Info

Publication number: CN102507137B
Application number: CN 201110319170
Authority: CN
Inventors: 张晓萍; 施红辉; 周浩磊; 周素云
Original assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Current assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: CN102507137A

Abstract

本发明公开了一种平面超空泡发生装置。水箱置于下底板上，水箱前后相同位置安装有机玻璃视窗板和钢板，钢板上开有导向槽和与水箱连通的长通槽；在两导向槽间装有小车，小车一端与弹簧连接，固定在立柱上的发射扳机拉住小车的另一端。打开发射扳机，与小车连接的运动物体即在水下高速运动。水箱有机玻璃视窗板一侧外，安放高速摄影仪和照明灯，高速摄影仪与工控计算机相连。水箱限制了物体高速运动所产生的超空泡在水箱厚度方向上发展，从而形成二维的超空泡形态。本发明利用高速摄影技术就能清晰观察到物体近液面高速运动时其周围所产生的空泡形态发展特点。小车装置能保证物体运动的直线性。可以更换不同头型的高速运动物体来完整实验数据。

Description

平面超空泡发生装置

技术领域

本发明涉及流体力学中流体压力的实验装置，尤其是涉及近水自由面的伴随超空泡产生的一种平面超空泡发生装置。

背景技术

当运动体入水速度足够大时，运动体头部附近的水压力会低于当地饱和蒸汽压力值，从而发生局部空化现象。当速度达到某一临界值时，运动体周围就会形成一个完全包围运动体的空泡，称为超空泡。由于超空泡中的混合气体密度明显低于水密度，因此，运动体在超空泡中的运动阻力将大大减小，超空泡的减阻特性由此显现。

超空泡技术将大大提高水下航行器的航行速度，这对于学科研究和国家超空泡及其在水下武器系统的应用都有重大意义。目前，国外对于此方面的研究技术比国内先进很多，在我国起步较晚，我国的流体力学和空化超空泡研究还在初步阶段，大部分研究均停留在基本的理论与小型试验阶段。在研究方法与内容方面，国内多采用水洞实验和数值仿真模拟来空泡形态、空化器对空泡形成的影响以及水下高速弹道的测量计算。水洞实验对于准确分析空泡形态有点难度，而且国内对于浅水以及不同水深度时高速物体运动流体特性还较少涉及，在用于研究水平运动的装置中更是无法进行物体的出入水实验而节省试验成本一器多用。而在常规的拖拽水槽里，因其运动速度较低，难以产生自然空化。

发明内容

针对上述背景技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种平面超空泡发生装置，水箱限制了物体高速运动所产生的超空泡在水箱厚度方向上发展，从而形成二维的超空泡形态。

本发明采用的技术方案是：

水箱置于四根立柱间的下底板上，水箱上部用上盖板压住固定；水箱上、下分别有法兰孔，下法兰孔与球阀连接；水箱前面中部开孔后安装有机玻璃视窗板，水箱后面与有机玻璃视窗板相同位置，连接一块相同尺寸的钢板，钢板中间开有与水箱连通的水平长通槽，长通槽两侧对称位置分别开有导向槽；在两导向槽间装有小车装置，所述的小车装置包括四个滚珠轴承，小车面板，两根轴承连接棒，主连接棒和运动物体，两根轴承连接棒的两端分别装有滚珠轴承，滚珠轴承设置在钢板的两根导向槽中，两根轴承连接棒间装有小车面板，主连接棒的一端与小车面板连接，主连接棒的另一端安装有运动物体后经钢板中间的长通槽伸入水箱内，小车面板的一侧开有两个牵引孔，两根弹簧的一端分别与各自的牵引孔连接，另一端分别与立柱上的勾环连接，小车面板的另一侧向外依次设置启动挡板和开有复位孔；与装有勾环立柱相对的立柱上装有发射扳机和两个滑轮，发射扳机与长通槽同轴布置，两个滑轮分别位于发射扳机的下方，牵引绳的一端与小车面板上的复位孔连接，牵引绳的另一端经一个滑轮后固定在另一个滑轮上，水箱有机玻璃视窗板一侧外，安放高速摄影仪和照明灯，高速摄影仪的摄像头垂直对准长通槽水平中心轴处，高速摄影仪与工控计算机相连。

所述的运动物体为头部是斜线与水平成45°的运动物体、头部是圆头形的运动物体、头部是斜线与水平成30°的运动物体或头部是平头型的运动物体，以上运动物体的头部均朝向远离发射扳机的一侧。

长通槽和导向槽远离的发射扳机的一端分别安装由牛筋垫和硬质弹簧重叠而成的缓冲垫。

本发明具有的有益效果是：

本发明中的二维水箱限制了物体高速运动所产生的超空泡在水箱厚度方向上发展，从而形成二维的超空泡形态。在玻璃视窗中所出现的物体周围的超空泡气液两相流各种行为配合使用各种高级光学仪器，就可以灵活控制水位，研究近液面物体高速运动时其周围所产生的空泡形态发展特点。小车装置也可以良好的保证物体运动的直线性。而且由于小车与运动物体的连接灵活性，可以更换不同头型的高速运动物体来使实验数据更加完整，甚至可以直接将小车装置简化成为只有水中运动物体和主连接棒所组成的装置，直接将连接棒与弹簧相连进行试验，这样能减轻物体质量而使其得到更大的运动速度，其周围的运动现象也会更明显和清晰，便于观察。

附图说明

图1是本发明的前视结构示意图。

图2是本发明的右视结构示意图。

图3是本发明的后视结构示意图。

图4是图3小车装置的放大图。

图5是图4的左视图。

图6是图5中运动物体的各种形式；其中图6（a）的运动物体其头部斜线与水平成45°，图6（b）为圆头形的运动物体，图6（c）的运动物体其头部斜线与水平成30°，图6（d）为平头型运动物体。

图7是图3的A-A剖面图。

图8是图3发射扳机的放大图。

图9是图8的俯视图。

图10是图8的侧视图。

图11是当发射扳机扣住小车时的俯视图。

图12是当发射扳机扣住小车时的前视图。

图中：1、上盖板，2、水箱，3、有机玻璃视窗板，4、工控计算机，5、高速摄影仪，6、法兰孔，7、立柱，8、固定角钢，9、下底板，10、固定架包边，11、脚轮，12、照明灯，13、球阀，14、三角支撑架，15、钢板， 16、密封圈，17、滑轮，18、发射扳机，19、小车装置，20、轨道封盖板，21、缓冲垫，22、弹簧，23、勾环，24、运动物体，25、主连接棒，26、小车面板，27、滚珠轴承，28、牵引孔，29、轴承连接棒，30、复位孔，31、启动挡板，32、长通槽，33、导向槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5、图7、图8、图9、图10所示，本发明的水箱2置于四根立柱7间的下底板9上，水箱2上部用上盖板1压住固定，上盖板1和下底板9上分别装有固定角钢8防止水箱移动，四根立柱7与下底板连接处做固定包边10，立柱7下端由三角架14固定，下面连接脚轮11；水箱2上、下分别有法兰孔6，下法兰孔与球阀13连接；水箱2前面中部开孔后安装有机玻璃视窗板3，两者中间加上密封圈16，水箱2后面与有机玻璃视窗板3相同位置，连接一块相同尺寸的钢板15，两者中间加上密封圈16，钢板15中间开有与水箱2连通的水平长通槽32，长通槽32两侧对称位置分别开有导向槽33；在两导向槽33间装有小车装置19，将轨道封盖板20用一排螺钉固定在钢板15上，限制了轴承的活动空间，防止其运动过程中的滑落（如图7所示）。所述的小车装置19包括四个滚珠轴承27，小车面板26，两根轴承连接棒29，主连接棒25和运动物体24，两根轴承连接棒29的两端分别装有滚珠轴承27，滚珠轴承27设置在钢板15的两根导向槽33中，两根轴承连接棒29间装有小车面板26，主连接棒25的一端与小车面板26连接，主连接棒25的另一端安装有运动物体24后经钢板15中间的长通槽32伸入水箱2内，小车面板26的一侧开有两个牵引孔28，两根弹簧22的一端分别与各自的牵引孔28连接，另一端分别与立柱7上的勾环23连接，小车面板26的另一侧向外依次设置启动挡板31和开有复位孔30；与装有勾环23立柱相对的立柱上装有发射扳机18和两个滑轮17，发射扳机18与长通槽32同轴布置，两个滑轮17分别位于发射扳机18的下方，牵引绳的一端与小车面板26上的复位孔30连接，牵引绳的另一端经一个滑轮17后固定在另一个滑轮17上，水箱2有机玻璃视窗板3一侧外，安放高速摄影仪5和照明灯12，高速摄影仪5的摄像头垂直对准长通槽32水平中心轴处，高速摄影仪5与工控计算机4相连。

如图6所示，所述的运动物体24为头部是斜线与水平成45°的运动物体（如图6（a）所示）、头部是圆头形的运动物体（如图6（b）所示）、头部是斜线与水平成30°的运动物体（如图6（c）所示）或头部是平头型的运动物体（如图6（d）所示），以上运动物体的头部均朝向远离发射扳机18的一侧。

所述的长通槽32和导向槽33远离的发射扳机18的一端分别安装由牛筋垫和硬质弹簧重叠而成的缓冲垫21。

在固定好装置后，将滑轮17上钢丝绳一端勾入小车面板26后端的复位孔30中并扣紧，然后利用两个滑轮17手动将整个小车装置19拉回到轨道的初始位置处，此时如图11、图12所示，发射扳机18绕轴转动，发射扳机18的前端钩子勾在启动挡板31中将扣住小车装置19，然后在长通槽32表面粘一整条的胶带，将其封住。调整高速摄影仪位置，白平衡，速度以及清晰度等一系列所需参数，保证拍到清晰的物体运动过程。球阀13保持关闭状态，水箱2上下左右法兰均为封闭状态。通过法兰孔6将水箱2注水至所需水位。开启照明灯12。将小车装置19上的滑轮17绳索勾环解开，打开发射扳机18，小车装置19由于弹簧22的拉力瞬间射出，与其连接的水中运动物体24也随之运动，最终到达轨道末端停止。期间，高速摄影仪5将透过有机玻璃视窗板16拍摄到水中运动物体24的全程运动情况，它将所拍摄到的运动物体24在近水面高速水平运动过程中所产生的超空泡流体力学过程以数字流图像的形式传输并储存到工控计算机4中，再配合使用一些光学仪器和场可视化仪器，就可以研究和了解空泡内气体的平衡状态及物体形状和物体长径比对超空泡形态发展的影响、物体在水中的阻力系数、自由面与超空泡的相互作用、汽/液界面的不稳定性、湍流边界层的发展等复杂的水动力学过程。

经上述方法，用上述发生器可使运动物体24加速到40m/s～100m/s甚至更高。如果还想取得更高的速度，可使用小口径步枪或轻气炮，将速度高于150m/s的物体打入上述发生器。运动物体24在液体中一边高速前进，一边与液体发生强烈的相互作用，诱导周围液体产生超空泡，进而使得运动物体24在液体中运行的过程中被超空泡所完全包络住，在运动物体24周围形成明显的超空泡汽/液两相流现象。在高速摄影仪所拍摄到的图像中，可以清晰的观察到产生超空泡后的运动物体尺寸明显大于其在空气中的尺寸，这就说明了高速物体周围产生了超空泡。另外，运动物体24的几何外形长径比越大，越有利于运动物体24在水中诱导产生超空泡，超空泡产生的过程也越明显和直观。而且，运动物体24的头型角度不同，对于其产生超空泡的过程也会明显不同。由于本实验的运动轨道为接近于水平液面处，那么物体运动时所产生的复杂流场很有可能与液面相互作用而出现不同的力学特性。

此外，由于水箱不与支架直接相连，将特制钢板换成全封闭的整体钢板，仍旧安装在原钢板位置，将水箱整体旋转90°，此时，可以通过上下两个法兰孔来进行高速物体出入水试验。通过有机玻璃视窗板结合高速摄影技术就可观察到物体出入水时复杂的流体力学特性。

Claims

1.一种平面超空泡发生装置，其特征在于：水箱（2）置于四根立柱间的下底板（9）上，水箱（2）上部用上盖板（1）压住固定；水箱（2）上、下分别有法兰孔，下法兰孔与球阀（13）连接；水箱（2）前面中部开孔后安装有机玻璃视窗板（3），水箱（2）后面与有机玻璃视窗板（3）相同位置，连接一块相同尺寸的钢板（15），钢板（15）中间开有与水箱（2）连通的水平长通槽（32），长通槽（32）两侧对称位置分别开有导向槽；在两导向槽间装有小车装置（19），所述的小车装置（19）包括四个滚珠轴承，小车面板（26），两根轴承连接棒，主连接棒（25）和运动物体（24），两根轴承连接棒的两端分别装有滚珠轴承，滚珠轴承设置在钢板（15）的两根导向槽中，两根轴承连接棒间装有小车面板（26），主连接棒（25）的一端与小车面板（26）连接，主连接棒（25）的另一端安装有运动物体（24）后经钢板（15）中间的长通槽（32）伸入水箱（2）内，小车面板（26）的一侧开有两个牵引孔，两根弹簧的一端分别与各自的牵引孔连接，另一端分别与立柱（7）上的勾环连接，小车面板（26）的另一侧向外依次设置启动挡板（31）和开有复位孔（30）；与装有勾环立柱相对的立柱上装有发射扳机（18）和两个滑轮，发射扳机（18）与长通槽（32）同轴布置，两个滑轮分别位于发射扳机（18）的下方，牵引绳的一端与小车面板（26）上的复位孔（30）连接，牵引绳的另一端经一个滑轮后固定在另一个滑轮上，水箱（2）有机玻璃视窗板（3）一侧外，安放高速摄影仪（5）和照明灯（12），高速摄影仪（5）的摄像头垂直对准长通槽（32）水平中心轴处，高速摄影仪（5）与工控计算机（4）相连。

2.根据权利要求1所述的一种平面超空泡发生装置，其特征在于：所述的运动物体（24）为头部是斜线与水平成45°的运动物体、头部是圆头形的运动物体、头部是斜线与水平成30°的运动物体或头部是平头型的运动物体，以上运动物体的头部均朝向远离发射扳机（18）的一侧。

3.根据权利要求1所述的一种平面超空泡发生装置，其特征在于：所述的长通槽（32）和导向槽远离的发射扳机（18）的一端分别安装由牛筋垫和硬质弹簧重叠而成的缓冲垫。