CN102650566A - 水平超空泡与自由面相互作用的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平超空泡与自由面相互作用的实验装置。水箱内的一侧放置橡胶挡板，发射管的一端穿过水箱，发射管另一端经电磁阀与高压气缸连接，高压气瓶经减压阀、针阀与气缸进气接口连接；发射管和高压气缸均能在在小车移动；高速摄影仪的摄像头正对水箱观测窗口，高速摄影仪与工控计算机相连。实验钝体在高压气体的驱动下，在发射管中加速，破膜，射入水中，其周围逐步出现了伴随超空泡产生的三维流场。采用高速摄影技术，拍摄到高速钝体入水时超空泡的形成、发展和溃灭的过程以及超空泡与自由面的相互作用过程，以便研究水中稳态与非稳态超空泡运动规律和水弹道研究等问题。可以用于研究不同水深度、不同角度下所形成的超空泡全过程。

Description

水平超空泡与自由面相互作用的实验装置

技术领域

本发明涉及流体力学领域水中航行体的加速发射装置，尤其是涉及一种水平超空泡与自由面相互作用的实验装置。

背景技术

水下航行体受到的阻力约是空中飞行器受到的阻力的800~1000倍，导致传统水下兵器普遍存在速度慢、航程短、精度低的缺陷。为了提高水下航行体的航速，改善水下兵器的作战性能，目前一般采用增大推动力和降低航行阻力这两种技术途径。由于在常规情况下，推力增加8倍才能将水下航行体的航速提高1倍。于是，各国进行了大量研究工作来寻求降低水下航行体阻力的方法，超空泡现象就是在这个途中逐渐被发现的。

所谓“超空泡”就是物体在水中运动时，自行或人为地沿运动物体的表面产生的空气包层，即在运动物体周围形成一种类似于可与流体隔离开的“空气环境”，使之如同在空气中飞行一般。超空泡技术的出现源自空化理论，即当液体流动在一定压力和一定温度下，液体内部局部压力降到一定程度时，在液体或固体与液体交界面上会形成蒸汽或气体的空穴，即空泡。超空泡技术是一种革命性的减阻方法，它可以使水下高速运动的航行体获得90％的减阻量，基于这种新概念、新原理研制的水下超空泡射弹，可以突破常规水下射弹的运动的极限，显著提高其速度，使其达到1000m/s的量级，大大增加射弹的行程和杀伤力，提高进攻和防御的能力，使运动在水中的物体实现超高速的“飞行”。我国在高速物体出入水诱导产生自然超空泡的基础试验研究方面刚刚起步不久，相关的研究单位大多是在水洞中进行，大部分的研究均停留在基本的理论和小型实验阶段，对于准确测量空泡形态、实验观察空化器对空泡形成的影响以及超空泡与自由面的相互作用等方面研究很少且不够深入，并且，多数水洞试验受弗鲁德数Fr的影响较大，空泡变形较严重，难以准确分析空泡的形态特性。

特别是在浅水区发射超空泡武器，还没有确切的技术论证。目前，超空泡兵器的设计理论都基于经典的空泡独立膨胀原理，而此原理又基于深水区的超空泡实验结果。在深水区，因为周围水体质量很大，空泡无法拖动水介质，于是独立前行，在水中留下的空泡就“独立”膨胀。然而，当水层较薄时，存在着空泡与水层的相互作用，空泡独立膨胀原理不再成立。因此，开发相应的实验装置是十分必须的。

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水平超空泡与自由面相互作用的实验装置，可开展近水自由面或水深度不同时高速物体的出入水诱导超空泡实验，同时可以开展不同角度下高速物体的出入水诱导超空泡实验，其速度增加迅速，实验速度范围可以达到100m/s至500m/s。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种研究水平超空泡与自由面相互作用的实验装置，包括工控计算机、高速摄影仪、橡胶挡板、水箱、水箱法兰、水箱法兰盖板、发射管卡环、发射管、两条轨道、发射管法兰、管阀连接器、电磁阀、阀缸连接器、高压气缸、针阀、气缸法兰盖板、小车支撑架和高压气瓶；水箱正面设有观测窗口，水箱内的一侧放置橡胶挡板，水箱的另一侧开有圆管口，圆管口上焊有水箱法兰，水箱法兰向外依次安装水箱密封圈和水箱法兰盖板；发射管的一端穿过水箱法兰盖板，套在发射管外的发射管卡环固定在水箱法兰盖板上，发射管另一端内装有钝体，发射管另一端与发射管法兰连接，发射管法兰经发射管密封圈与管阀连接器一端的法兰相连接，管阀连接器的另一端与电磁阀出口连接，电磁阀进口与阀缸连接器的一端连接，阀缸连接器的另一端与高压气缸的一端连接，高压气缸的另一端与气缸法兰盖板通过法兰连接；气缸压力表接口与气缸压力表连接，高压气瓶经减压阀与针阀相连，针阀与气缸进气接口连接；发射管安装在结构相同的两个小车上，高压气缸安装在另一小车上，三个小车均能在两条轨道上滚动，两条轨道水平放置在小车支撑座上面；高速摄影仪的摄像头正对水箱观测窗口，高速摄影仪与工控计算机相连。

所述的结构相同的两个小车，均包括四个小车车轮、小车小托板、小车螺母、四根小车螺柱、发射管托块和发射管压盖；小车小托板下部安装四个小车车轮，小车小托板上部经小车螺母和小车螺柱与发射管托块连接，发射管安放在发射管托块凹槽中，发射管压盖盖在发射管托块上。

所述的另一小车包括小车大托板、小车螺母、小车螺柱、气缸托块、气缸压盖和小车车轮；小车大托板下部安装四个小车车轮，小车大托板上部经小车螺母和小车螺柱与气缸托块连接，高压气缸安放在气缸托块凹槽中，气缸压盖盖在气缸托块上。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用高压气源所释放的氮气(或其他气体，如氦气、压缩空气等)来驱动试验物体加速、发射，实现试验物体以100m/s至500m/s的速度出入水诱导产生三维自然超空泡流。第一，可以灵活控制水位，实现不同深度下高速物体的出入水诱导超空泡实验，尤其是实现近液面物体高速运动时其周围所产生的超空泡与自由面相互的过程；第二，通过调节小车的高度，以实现不同角度下高速物体的出水诱导超空泡实验，研究功角对于超空泡形成过程的影响；第三，感测窗大，配合使用各种光学仪器和高速摄影技术，可以拍摄到高速钝体出水时超空泡的形成、发展和溃灭的全过程以及超空泡与自由面的相互作用过程，这样，就可以研究高速物体出水诱导产生超空泡与自由面的相互作用机理、出水时物体周围空化气泡的溃灭机理以及小攻角出水过程中所涉及到的液面和空泡面两个非线性自由边界之间的复杂的流体力学行为，同时研究水中准稳态超空泡运动规律和水弹道研究等问题。采用本发明观察超空泡流方便且直观，第四，由于发射管水平或者接近水平放置，这使得可根据需要加长或缩短其长度，以使航行体充分加速或达到所需的速度。另外，本发明结构简单，成本较低，易于推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是发射段结构图。

图3是高压气缸段结构图。

图4是发射管底部小车结构主视图。

图5是发射管底部小车结构侧视图。

图6是气缸底部小车结构主视图。

图7是气缸底部小车结构侧视图。

图中：1、工控计算机，2、高速摄影仪，3、橡胶挡板，4、水箱，5、钝体，6、水箱法兰，7、水箱密封圈，8、水箱法兰盖板，9、发射管卡环，10、发射管，11、小车车轮，12、小车小托板，13、小车螺母，14、小车螺柱，15、锁紧夹，16、发射管托块，17、发射管压盖，18、两条轨道，19、发射管法兰，20、发射管密封圈，21、管阀连接器，22、电磁阀，23、阀缸连接器，24、高压气缸，25、气缸压盖，26、针阀，27、气缸托块，28、小车大托板，29、气缸压力表，30、气缸压力表接口，31、气缸法兰盖板，32、气缸进气接口，33、第二气体导管，34、小车支撑座，35、第一气体导管，36、减压阀，37、高压气瓶，38、第一螺栓，39、第一螺母，40、第一垫圈，41、第二螺栓，42、第二螺母，43、第二垫圈，44、第一气缸密封圈，45、第二气缸密封圈，46、第四螺栓，47、第五螺栓，48、第三垫圈，49、第三螺母，50、第三螺栓，27-1、第一气缸托板，27-2、第二气缸托板，28-1、第一小车大托板，28-2、第二小车大托板，12-1、第一小车小托板，12-2、第二小车小托板， 16-1、第一发射管托板，16-2、第二发射管托板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本发明包括工控计算机1、高速摄影仪2、橡胶挡板3、水箱4、水箱法兰6、水箱法兰盖板8、发射管卡环9、发射管10、两条轨道18、发射管法兰19、管阀连接器21、电磁阀22、阀缸连接器23、高压气缸24、针阀26、气缸法兰盖板31、小车支撑架34和高压气瓶37；水箱4正面设有观测窗口，水箱4内的一侧放置橡胶挡板3，水箱4的另一侧开有圆管口，圆管口上焊有水箱法兰6，水箱法兰6向外依次安装水箱密封圈7和水箱法兰盖板8；发射管10的一端穿过水箱法兰盖板8，套在发射管10外的发射管卡环9固定在水箱法兰盖板8上，发射管10另一端内装有钝体5，发射管10另一端与发射管法兰19连接，发射管法兰19经发射管密封圈20通过第一螺栓38、第一螺母39和第一垫圈40与管阀连接器21一端的法兰相连接，管阀连接器21的另一端与电磁阀22出口连接，电磁阀22进口与阀缸连接器23的一端连接，阀缸连接器23的另一端与高压气缸24的一端连接，阀缸连接器23与高压气缸24的中间加装第二气缸密封圈45，高压气缸24的另一端与气缸法兰盖板31通过第二螺栓41、第二螺母42和第二垫圈43螺钉连接，高压气缸24与气缸法兰盖板31中间加装第一气缸密封圈44；气缸压力表接口30与气缸压力表29连接，高压气瓶37经减压阀36通过第一气体导管35与针阀26相连，针阀26通过第二气体导管33与气缸进气接口32连接；发射管10安装在结构相同的两个小车上，高压气缸24安装在另一小车上，三个小车均能在两条轨道18上滚动，两条轨道18水平放置在小车支撑座34上面；高速摄影仪2的摄像头正对水箱4观测窗口，高速摄影仪2与工控计算机1相连。

如图4、图5所示，所述的结构相同的两个小车，均包括四个小车车轮11、小车小托板12、第一小车小托板12-1、第二小车小托板12-2、小车螺母13、四根小车螺柱14、发射管托块16、射管压盖17、第一发射管托板16-1、第二发射管托板16-2、第四螺栓46、第五螺栓47、第三垫圈48、第三螺母49和第三螺栓50。小车小托板12由第一小车小托板12-1和第二小车小托板12-2焊接而成，小车小托板12下部安装四个小车车轮11，四个小车车轮11通过第三垫圈48、第三螺母49、第三螺栓50和第二小车小托板12-2螺钉连接，小车小托板12上部经小车螺母13和小车螺柱14与第二发射管托板16-2连接，第二发射管托板16-2与第一发射管托板16-1通过第五螺栓47螺钉连接，发射管10安放在发射管托块16凹槽中，发射管压盖17与第一发射管托板16-1通过第四螺栓46螺钉连接。

如图6、图7所示，所述的另一小车包括小车大托板28、第一小车大托板28-1、第二小车大托板28-2、小车螺母13、小车螺柱14、气缸托块27、第一气缸托板27-1、第二气缸托板27-2、气缸压盖25和小车车轮11；小车大托板28由第一小车大托板28-1和第二小车大托板28-2焊接而成，小车大托板28下部安装四个小车车轮11，小车大托板28上部经小车螺母13和小车螺柱14与气缸托块27连接，气缸托块27由第一气缸托块板27-1、第二气缸托块板27-2通过螺钉连接而成，高压气缸24安放在气缸托块27凹槽中，气缸压盖25盖在气缸托块27上。

本发明的工作原理如下：

如图1所示，调节好高速摄影仪的观测位置，安装好试验装置，调节好小车的高度至适当位置，打开发射管法兰盘19和管阀连接器21的连接处，移动小车，把实验研究所用的钝体放入发射管10内，依次将发射管10、发射管法兰盘19、密封圈20、管阀连接器21连接起来，将发射管卡环9套在发射管上，用塑料胶带将发射管10左边端口封住，移动小车，将发射管经水箱密封圈的十字叉口推入水箱内部，直至适当拍摄位置，把发射管卡环9连同发射管一起固定在水箱法兰盖板8上，锁紧锁紧夹15，将小车固定；打开高压气瓶瓶口的减压阀36和针阀26，使高压气瓶37所释放的氮气依次通过第一气体导管35、针阀26和第二气体导管33进入高压气缸24，当高压气缸24内的氮气储量达到预期值时，也即气缸压力表29表征显示出预期值时，立即关闭针阀26，同时开启高速摄影仪2，打开电磁阀22开关，通过高压气缸24内所释放出的氮气来驱动钝体5从发射管10中高速发射，钝体(也可以是细长体或其他形状的物体)5压缩在发射管10中的空气，当管内空气吹开密封胶带纸之后，物体进入水中产生超空泡。然后，快速打开锁紧夹15，将小车向后移动，直至发射管位于水箱的外侧，实验钝体在水中高速向前运动，最终碰撞橡胶挡板，下落至水箱底部，实验结束。高速摄影仪2将所拍摄到的钝体5在高速出入水运动过程中诱导产生超空泡的流体动力学作用过程以数字图像的形式传输并储存到工控计算机1中，再配合使用一些光学仪器和流场可视化仪器，就可以研究高速物体诱导产生的超空泡和自由面的相互作用机理、钝体出水时物体周围空化气泡的溃灭机理、水中准稳态超空泡运动规律和水弹道研究等问题。

经上述方法，用上述试验装置可使钝体5加速到100m/s至500m/s。钝体5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，进而使得钝体5在液体中运行的过程中被超空泡所完全包络住，在钝体5周围形成明显的细长的自然超空泡、以及含有一定动量和能量的汽/液两相流尾迹。钝体5在水中的运动轨迹，用高速摄影仪所拍摄的数字图像来分析，若数字图像显示某一时刻钝体5周围被一个尺寸略大于自身尺寸的细长椭球体状液柱包络住时，说明此时钝体5在液体运行过程中伴随有超空泡产生。通过高速摄影仪2的显微镜头拍摄钝体周围产生的超空泡与自由面相互作用的图像，可以分析超空泡和自由面的相互作用机理以及超空泡溃灭的一些问题。当水深较浅时，自由面会在空泡的影响下鼓起变形，本装置可以很好地研究这些现象。如果应用PIV粒子成像速度测量仪，还能测出空泡周围的速度场，特别是浅水层里的速度场等。

Claims (3)

1.一种水平超空泡与自由面相互作用的实验装置，包括工控计算机（1）、高速摄影仪（2）、橡胶挡板（3）、水箱（4）、水箱法兰（6）、水箱法兰盖板（8）、发射管卡环（9）、发射管（10）、两条轨道（18）、发射管法兰（19）、管阀连接器（21）、电磁阀（22）、阀缸连接器（23）、高压气缸（24）、针阀（26）、气缸法兰盖板（31）、小车支撑架（34）和高压气瓶（37）；水箱（4）正面设有观测窗口，水箱（4）内的一侧放置橡胶挡板（3），水箱（4）的另一侧开有圆管口，圆管口上焊有水箱法兰（6），水箱法兰（6）向外依次安装水箱密封圈（7）和水箱法兰盖板（8）；发射管（10）的一端穿过水箱法兰盖板（8），套在发射管（10）外的发射管卡环（9）固定在水箱法兰盖板（8）上，发射管（10）另一端内装有钝体（5），发射管（10）另一端与发射管法兰（19）连接，发射管法兰（19）经发射管密封圈（20）与管阀连接器（21）一端的法兰连接，管阀连接器（21）的另一端与电磁阀（22）出口连接，电磁阀（22）进口与阀缸连接器（23）的一端连接，阀缸连接器（23）的另一端与高压气缸（24）的一端连接，高压气缸（24）的另一端与气缸法兰盖板（31）通过法兰连接；气缸压力表接口（30）与气缸压力表（29）连接，高压气瓶（37）经减压阀（36）与针阀（26）相连，针阀（26）与气缸进气接口（32）连接；发射管（10）安装在结构相同的两个小车上，高压气缸（24）安装在另一小车上，三个小车均能在两条轨道（18）上滚动，两条轨道（18）水平放置在小车支撑座（34）上面；高速摄影仪（2）的摄像头正对水箱（4）观测窗口，高速摄影仪（2）与工控计算机（1）相连。

2.根据权利要求1所述的一种水平超空泡与自由面相互作用的实验装置，其特征在于：所述的结构相同的两个小车，均包括四个小车车轮（11）、小车小托板（12）、小车螺母（13）、四根小车螺柱（14）、发射管托块（16）和发射管压盖（17）；小车小托板（12）下部安装四个小车车轮（11），小车托板（12）上部经小车螺母（13）和小车螺柱（14）与发射管托块（16）连接，发射管（10）安放在发射管托块（16）凹槽中，发射管压盖（17）盖在发射管托块（16）上。

3.根据权利要求1所述的一种水平超空泡与自由面相互作用的实验装置，其特征在于：所述的另一小车包括小车大托板（28）、小车螺母（13）、小车螺柱（14）、气缸托块（27）、气缸压盖（25）和小车车轮（11）；小车大托板（28）下部安装四个小车车轮（11），小车大托板（28）上部经小车螺母（13）和小车螺柱（14）与气缸托块（27）连接，高压气缸（24）安放在气缸托块（27）凹槽中，气缸压盖（25）盖在气缸托块（27）上。

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