CN103592306A - 一种可调式高电压大尺度气泡生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种实验室条件下可调式高电压大尺度气泡生成装置。一种可调式高电压大尺度气泡生成装置包括充电装置、放电装置、测量装置、安全装置。该大尺度气泡生成装置解决了以往由于气泡尺度小，浮力作用不明显的问题，本装置可成功利用高压实现大尺度气泡的生成。本装置还可外接多个电极，实现不同数目气泡同步异步生成，同时也为模拟水下爆炸气泡实验提供了更加精确的数值，与低电压放电装置相比在大尺度气泡脉动研究领域具有不可替代的作用。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种实验室条件下可调式高电压大尺度气泡生成装置。
背景技术
水中气泡的动态特性一直是很多领域关心的重要基础性问题，气泡应用十分广泛，包括石油开采、化学工业、海洋环境、医疗等领域。由于气泡运动的复杂性，人们对气泡种种特性的研究仍不够充分，很多未知的机理有待探索。研究的方法分为实验设计和数值模拟两种方法，其中实验设计是人们认识气泡最直接的手段，且为数值模拟提供了有效的验证手段。然而目前国内在实验室条件下通过非药包爆炸手段生成气泡的尺度均相对较小，在脉动过程中浮力对其纵向迁移很小，不利于对具有浮力效应的大尺度气泡进行机理性分析，因此有必要在实验室条件下设计一套大尺度爆炸气泡生成的实验装置。
与本发明申请有关的公开文件有：1、水中电火花气泡生成的实验装置及实验方法（CN102141523A申请号/专利号2010106024228分类号G01N21/85申请人/权利人:哈尔滨工程大学）；2、可调式低电压气泡发生器（CN102621146A申请号/专利号201210049782.9分类号G01N21/85申请人/权利人：哈尔滨工程大学)；3、Intensity of oscillation of spark-generatedbubbles（Journal of sound and vibration2010年4月）；4、水中高压放电气泡的实验研究（物理学报2003年07期）。专利1和专利2中所产生的气泡都是低电压下的气泡生成装置，产生的气泡尺度较小，浮力等作用小，与真实情况差别大。文献3设计了一种测量气泡脉动强度的实验，相比之下，本专利的电极选择上使用的是石墨，经多次对比试验发现，石墨电极产生的气泡尺度是同样条件下是钨电极的1.5倍。本专利实现了电源电压和电容值的可调，并设计了完备安全装置，如消除电容放电后的残余电荷的装置、地线、保险丝、封闭的金属仪器箱。文献4设计了水下高压放电的模型试验，但该装置主要研究初始总电能和气泡脉动的关系，并没有针对产生大尺度气泡进行设计，和本专利的用途不同。除此外该装置的的电极选用的铜丝，本专利的电极选择上使用的是石墨。而且在高压电源的选用上，本专利将电路转化成了直流电，而不是该文献中的电压大小改变方向不变的半波形交流电，从而解决高压部分电压电流测量的问题，即可直接用直流电压表电流表进行测量。最重要的是为了控制装置生成不同尺度的气泡，本专利实现了电容值的可调，电容值越大，气泡的尺度越大。
本发明实现了利用高压尖端放电，电解水生成大尺度气泡的目的，填补了国内在该领域研究装置的空白，并且在实验电极选择和电容可变上进行了创新。本装置具有其他装置不具有的特点：1、可更加精确的模拟实际水下爆炸。2、可观察到气泡的上浮及气泡受浮力的影响，客服了国内在实验室条件下通过非药包爆炸手段生成气泡的尺度均相对较小，在脉动过程中浮力对其纵向迁移很小，不利于对具有浮力效应的大尺度气泡进行机理性分析的困难。3、在电极的选择上，国内外通常选用铜和钨电极，但经发明人多次反复试验发现，在同样的水深和其它条件下，石墨电极所产生的气泡尺度大约是钨电极的1.5倍，比钨电极具有更大的优势。4、该发明实现了电容值的可变，在每个电容的支路上连接一个开关，即每闭合一个开关电容的数值增加20uf，为防止电容全部关闭时电路出现短路等问题，其中一组电容始终保持连通状态，不设置开关，可实现通过改变不同电容值，而实现改变气泡尺度大小的目的。5、本装置有着完善的安全措施，如电路中有保险丝的连接，地线的连接，阻断电磁向外辐射的的铝制仪器箱，消除电容中残留电荷的安全装置，以及各种不同颜色的指示灯。6、该发明实现了对高压电源输出电压的控制。7、本装置还可连多个电极，观察多个气泡融合动态特性，如同相气泡的耦合特性试验，异相气泡耦合特性试验。
综上所述，已公开发表的文献及已申请的专利与本发明均有较大差别。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设备投资少、操作简单、准确度高，可重复实验的可调式高电压大尺度气泡生成装置.
本发明的目的是这样实现的：
一种可调式高电压大尺度气泡生成装置：
（1）充电装置
包括一块低压稳压电源和一块高压稳压电源，电位器串联在电源的两端；
（2）放电装置
由N个20uf、额定电压2000V的电容并联后并联到电源和两个电极的两端，N≥2在每个电容的支路上连接一个开关，两个电极置于透明的水槽中，水槽两侧分别设置高速摄像机和光源,高速摄像机和光源处于同一水平面，水槽内装有去气的水；
（3）测量装置
包括两块数显电压表，一块测量高压电源两端输出的电压，另一块测量电容两端的电压；
（4）安全装置
在每个电容两端连接一个电阻和开关。
充电装置中低压稳压电源的输入交流电压为220V，输出直流电压为12V；高压稳压电源输入直压为12V；输出直压为2000V。
电极为石墨电极。
可调式高电压大尺度气泡生成装置安装在金属的仪器箱里。
本发明的有益效果在于：
该大尺度气泡生成装置解决了以往由于气泡尺度小，浮力作用不明显的问题，本装置可成功利用高压实现大尺度气泡的生成。本装置还可外接多个电极，实现不同数目气泡同步异步生成，同时也为模拟水下爆炸气泡实验提供了更加精确的数值，与低电压放电装置相比在大尺度气泡脉动研究领域具有不可替代的作用。
附图说明
图1可调式高电压大尺度气泡生成装置的电路图。
图2实验装置的摆放位置草图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
（1）充电装置
主要利用两块稳压电源，一块低压稳压电源（输入交流220V输出直流12V），另一块高压稳压电源（输入直压12V输出直压2000V,并在其中加入防倒流装置实现对高压电容稳定充电）。为实现电源电压的输出可调，将一个10K的电位器串联在电源的两端，则通过调节电位器的阻值即可控制电源输出电压的大小。
（2）放电装置
将若干组20uf、额定电压2000V的电容并联，分别连到电源和两个电极的两端，两带尖端的石墨电极置于透明的水槽中,水槽两侧分别设置高速摄像机和光源,高速摄像机和光源处于同一水平面,水槽内装有去气的水。为实现电容值的可调，在每个电容的支路上连接一个开关，即每闭合一个开关电容的数值增加20uf，为防止电容全部关闭时电路出现短路等问题，其中一组电容始终保持连通状态，不设置开关，同时经发明人多次对比试验发现：电容值设定的越大，产生的气泡尺度越大。在电极的选择上，国内外通常选用钨电极，但经发明人多次反复试验发现，在同样的水深和其它条件下，石墨电极所产生的气泡尺度大约是钨电极的1.5倍，比钨电极具有更大的优势。
（3）测量装置
电路中使用的是两块数显电压表，一块（量程0—5000V，防止输入电压超出量程而损坏）用于测量高压电源两端输出的电压，另一块（量程为-2000至+2000，防止电容放电时电压不稳定出现负值）用于测量电容两端的电压。
（4）安全装置
首先利用继电器实现了低压对高压的充电和放电的过程的控制，避免了人与高压的直接接触，其次电路中设计了地线的连接，再次为消除电容中残余电荷，电路中设计了专门的释放残余电荷装置（在电容两端连接一个大功率大阻值的电阻和开关，当实验结束时，闭合开关，电容中的残余电能将通过电阻生成热能释放），最后发明者将上述所有设备装在一个金属的仪器箱里，阻断了电路产生的电磁场的向外辐射，充分保证了实验人员的人身安全。
将220V的交流电转化成可直接对电容充电的高压2000V是指先将220V的交流电经保险管流入低压稳压电源，再将低压稳压电源输出的12V直流电输入到高压稳压电源，输出高压2000V的直流电，并在高压稳压电源中加入防倒流装置，输出变为恒流2MA，则该电源可实现对高压电容稳定充电，防止电流倒流。
在每个电容的支路上连接一个开关，即每闭合一个开关电容的数值增加20uf，为防止电容全部关闭时电路出现短路等问题，其中一组电容始终保持连通状态，不设置开关，可通过改变电容容量，实现改变输出能量，而达到改变生成气泡的尺度的目的。
国内外通常选用钨和铜电极，但经发明人多次反复试验发现，在同样的水深和其它条件下，石墨电极所产生的气泡尺度大约是钨电极的1.5倍，在生成气泡的大小上，比钨和铜电极具有更大的优势。
电容两端的电压表量程为-2000至+2000，防止电容放电时电压不稳定出现负值，而电源两端的电压表的量程选为远大于电源电压2000V的0至5000V，并在该特制的电压表中也加入防倒流装置，防止输入电压超出量程而损坏。
在电容两端连接一个大功率大阻值的电阻和开关，当实验结束时，闭合开关，电容中的残余电能将通过电阻转化成热能释放。
电路中的各元件的参数值，各元件参数的选定都是由发明人反复试验得出，图（1）中电源选为2000V（产生的气泡尺度才可清晰观察到气泡上浮的现象），电源的限流电阻R1=5KΩ，电压表V1的量程0—5000V，电压表V2的量程-2000至2000，每一支路电容器参数为额定电压2000V容量值20uf，滑动变阻器RM为10KΩ，消电装置中电阻R2=3MΩ。
本发明的大尺度气泡生成方法如下：
1、连接电路，通过调节滑动变阻器RM来调节电源电压输出数值至0-2000V，由与滑动变阻器并联的电压表V1读出相应的电压值；设定电容值，闭合若干组电容所对应的开关，如闭合K4、K5、K6，其他电容组开关处于关闭状态，则相应的电容值为4×20uf=80uf。
2、摆放实验相关仪器，将两带尖石墨电极置于透明的水槽中,水槽两侧设置高速摄像机和光源,高速摄像机和光源处于同一水平面,水槽内装有去气的水。
3、对电容进行充电：通电后电源指示灯L1点亮，电压表V1显示出高压电源输出的电压值（电压表V2的数值为零）。检查如符合以上描述则仪器一切正常，此时闭合仪器开关K1充电指示灯L2点亮，对电路中的已连通的高压电容充电，可由电压表V2读出电容两端的电压值，当电压表V1与电压表V2的数值稳定且基本相等时，表示充电已充满。断开开关K1指示灯L2熄灭，充电结束。
4、电容的放电，首先开启光源灯，检查高速摄像机信息采集是否正常，能否清晰显示出相对的两个电极尖端，一切无误后，同时按下电源的放电开关K2和信息采集开始按钮，此时放电指示灯L3点亮。
5、消除电容中残余的电荷，放电结束后，电压表V2的数值不为0，闭合开关K3，放尽电容内储存的电荷，电压表V2的数值会逐渐减为零。然后可断开电容的放电开关K2和开关K3，断开仪器的电源，完成实验过程。
6、数据处理，计算气泡的尺寸，观察气泡的形态和位移变化。
输出2000V的直流电压是这样实现的：首先将220V的交流电从插头经保险管送到一个低压的稳压电源中，然后从这个低压的稳压电源中输出DC12V直流2A。然后将12V、2A直流的电输入到带有防倒流装置的高压稳压电源中，输出稳定的2000V、2MA直流电。
可调式高电压的可调实现的方法是：通过调节电位器RM的阻值，使输出电压可在0—2000V间任意设定。
电容可调的方法是：通过控制开关K4，K5，K6，K7的闭合与断开，使电容值在20-100uf间变化，每闭合一个开关电容值增加20uf。
消除电容放电残余电荷的实现方法是：在电容的两端串联一个大阻值、大功率的电阻R3和开关K3，本装置中用的是2.7MΩ的电阻。当实验结束时，为防止电容中电未全部放尽而伤人，闭合开关K3，直至电压表V2上的数值为0，断开开关K3。
电极确定的方法是：通过进行一系列的对比试验得出，石墨电极所产生的气泡尺度是最大的，与国内外通常选用的钨电极相比，石墨产生的气泡直径约为钨电极的1.5倍。
本发明利用高压尖端放电的基本物理原理，提供了一种大尺度水下电火花气泡的生成装置。本装置主要分为四部分，第一部分为充电装置，220V交流电经保险丝后流入高压电源，高压电源与可调电容组串联，对电容组进行恒流充电；第二部分为放电装置，电容组与电极串联，两电极尖端相对放在透明水槽中，放电时电容组两端所累积的电荷会瞬间释放，在两个石墨电极尖端产生电火花，电解水生成大尺度气泡；第三部分为测量装置，高压电源和电容两端的电压可由两块分别与他们并联的特制数显电压表直接读出，为电源电压调节和电容充放电控制提供了方便。第四部分为安全装置，通过继电器实现低压对高压充电和放电过程的控制，避免了人与高压直接接触，以及地线的连接和电容中残余电荷的释放装置，最后将上述所有设备装在一个金属的仪器箱箱里，阻断了电路产生的电磁场向外辐射，充分保证了实验人员的人身安全。
该大尺度气泡生成装置解决了以往由于气泡尺度小，浮力作用不明显的问题，本装置可成功利用高压实现大尺度气泡的生成。本装置还可外接多个电极，实现不同数目气泡同步异步生成，。同时也为模拟水下爆炸气泡实验提供了更加精确的数值，与低电压放电装置相比在大尺度气泡脉动研究领域具有不可替代的作用。
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述，结合（图1）开关K1控制电容充电，当开关K1闭合时继电器KM1闭合，电路中电容两端与电源两端连通，电源开始向电容充电，电压表V1、V2的数值不断增加，当两表的读数基本相等且不变时，充电结束。当开关K1断开、开关K2闭合时电容两端与（图2）中的电极两端连通，电容会瞬间将电荷全部放出，电解水生成大尺度气泡。实验结束后，闭合开关K4时，电阻R2与电容两端连通，消除电容中残余电荷。
本发明的大尺度气泡生成方法是：
1、根据（图1）连接电路；通过调节滑动变阻器RM来调节电源电压输出数值至0-2000V，由与滑动变阻器并联的电压表V1读出相应电压值；设定电容值，闭合若干组电容所对应的开关，如闭合K4、K5、K6，其他电容组开关处于关闭状态，则相应的电容值为4×20uf=80uf。
2、按（图2）所示摆放实验相关仪器，将两带尖的石墨电极尖端相对置于透明的水槽中,水槽两侧设置高速摄像机和光源,高速摄像机和光源处于同一水平面,水槽内装有去气的水。
3、对电容进行充电，通电后，电源指示灯L1点亮，电压表V1显示出高压电源输出的电压值，此时电压表V2的数值为零。检查如符合以上描述，则仪器一切正常，此时闭合仪器开关K1，充电指示灯L2点亮，对电路中的已连通的电容进行充电，可由电压表V2读出电容两端的电压值，当电压表V1与电压表V2的数值稳定且基本相等时，表示充电已充满。断开开关K1，指示灯L2熄灭，充电结束。
4、电容的放电，首先开启光源灯，检查高速摄像机信息采集是否正常，能否清晰显示出相对的两个电极尖端，一切无误后，同时按下电源的放电开关K2和信息采集开始按钮，此时放电指示灯L3点亮，实现高压电容放电和气泡生成的过程。
5、消除电容中残余的电荷，放电结束后，电压表V2的数值不为0，因为放电过程中电容放电并不能完全放尽，如不妥善处理会留下安全隐患，此时闭合开关K3，电压表V2的数值会逐渐减为零。然后可断开电容的放电开关K2和开关K3，断开仪器的电源。
6、数据处理，计算气泡的尺寸，观察气泡的形态和位移变化。
Claims (4)
1.一种可调式高电压大尺度气泡生成装置，其特征是：
（1）充电装置
包括一块低压稳压电源和一块高压稳压电源，电位器串联在电源的两端；
（2）放电装置
由N个20uf、额定电压2000V的电容并联后并联到电源和两个电极的两端，N≥2在每个电容的支路上连接一个开关，两个电极置于透明的水槽中，水槽两侧分别设置高速摄像机和光源,高速摄像机和光源处于同一水平面，水槽内装有去气的水；
（3）测量装置
包括两块数显电压表，一块测量高压电源两端输出的电压，另一块测量电容两端的电压；
（4）安全装置
在每个电容两端连接一个电阻和开关。
2.根据权利要求1所述的一种可调式高电压大尺度气泡生成装置，其特征是：所述的充电装置中低压稳压电源的输入交流电压为220V，输出直流电压为12V；高压稳压电源输入直压为12V；输出直压为2000V。
3.根据权利要求1或2所述的一种可调式高电压大尺度气泡生成装置，其特征是：所述的电极为石墨电极。
4.根据权利要求1所述的一种可调式高电压大尺度气泡生成装置，其特征是：所述的可调式高电压大尺度气泡生成装置安装在金属的仪器箱里。
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