CN104240579A - 微气泡循环水槽 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种微气泡循环水槽。它包括水槽、循环水泵、微气泡发生器和控制器，所述控制器控制循环水泵工作状态；水槽内部两端分别设有第一隔板和第二隔板，第一隔板和第二隔板顶部与液面之间形成工作段；第一隔板与水槽一端的侧壁之间间隔形成进水段，进水段底部开有进水口，进水口与循环水泵的出水端相连；第二隔板与水槽另一端的侧壁之间间隔形成出水段，出水段底部开有出水口，出水口与循环水泵的进水端相连；所述微气泡发生器设置在进水段底部。本发明能够使水体表层的微气泡随同循环水一起流动，形成流动的微气泡层，更有效地模拟海洋表层和舰船尾流中的微气泡分布，结构简单、制作方便、成本低。

Description

微气泡循环水槽

技术领域

本发明属于海洋工程技术领域，具体涉及一种微气泡循环水槽。

背景技术

由于海洋波浪、舰船运动产生的兴波、舰船外壳的湍流边界层和螺旋桨扰动都要在海洋表层和舰船航行的尾流中形成一条明显的微气泡层，其长度可达数千米，气泡的尺寸分布主要集中在1000μm以下，而且气泡形成时10-20μm的气泡数密度最高。当螺旋桨搅动等形成的湍流衰减后，气泡运动进入远程尾流发展区，尾流中仅剩下10-300μm的气泡，而且气泡的数密度也由刚产生时的10¹⁰1/m³变为10⁷-10⁸1/m³。在远程尾流区气泡半径为40-60μm的数密度最高。尾流中的气泡除数密度比海洋背景中的高外，气泡大小的分布与海洋背景的是相似的。气泡半径r<r_a时，气泡的数密度随半径的增加逐渐增多，在r_a<r<r_b一个较窄的半径范围，气泡的数密度最大，当r_b<r时气泡的数密度随半径的增加逐渐减少。尾流气泡的分布满足幂指数分布。舰船尾流中的气泡随时间的增加，即沿尾流长度方向，由于气泡的浮升和溶解，数密度会迅速降低。气泡数密度的衰减满足指数衰减规律，舰船航行后随着时间的演化，微气泡层的厚度、数密度及其分布逐渐衰减，最后与海洋背景一致。

利用舰船尾流气泡数密度和分布与周围海水的差异，可作为探测和识别舰船的目标，也可作为水中兵器的一种有效的自导手段。因此，模拟海洋表层水中微气泡和舰船尾流微气泡的分布，对开展气泡尾流声、光和电导率等探测技术的研究都有重要的意义。目前，现有的产生微气泡的水槽只能在静止的水槽中，利用微孔陶瓷管或电解方法作为微气泡发生器产生的微气泡层，但该微气泡层是垂直向上的，不能模拟海洋环境中水体表层形成的流动的微气泡层。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种微气泡循环水槽，它能够使水体表层的微气泡随同循环水一起流动，形成流动的微气泡层，更有效地模拟海洋表层和舰船尾流中的微气泡分布。

本发明采用的技术方案是：一种微气泡循环水槽，包括水槽、位于水槽外部的循环水泵和位于水槽内部的微气泡发生器，以及控制器，所述控制器控制循环水泵工作状态；所述水槽内部两端分别设有高度可调的第一隔板和第二隔板，所述第一隔板和第二隔板的高度均低于水槽内液面高度，所述第一隔板和第二隔板顶部与液面之间形成工作段；所述第一隔板与水槽一端的侧壁之间间隔形成进水段，进水段底部开有进水口，进水口与循环水泵的出水端相连；所述第二隔板与水槽另一端的侧壁之间间隔形成出水段，出水段底部开有出水口，出水口与循环水泵的进水端相连；所述微气泡发生器设置在进水段底部。

进一步地，所述第一隔板和第二隔板的底部和两个侧边分别与水槽底面和两内侧面紧密连接。

进一步地，所述第一隔板高度与第二隔板高度相同。

进一步地，所述第一隔板和第二隔板均由多段可拆卸的钢化玻璃拼接而成。

进一步地，所述微气泡发生器包括多根微孔陶瓷管和压气机，所述多根微孔陶瓷管位于进水段底部，所述压气机位于水槽外部，压气机分别与多根微孔陶瓷管连接。

更进一步地，所述水槽外部设有不锈钢支撑框架，水槽底部设有支撑底座。

本发明结构简单、制作方便、成本低，在水槽内通过隔板隔出进水段、出水段和工作段，作为微气泡的流通通道，利用微气泡发生器产生微气泡，通过循环水泵使水槽内的水循环流动，进而带动微气泡随水一起循环流动，在工作段形成流动的微气泡层，能有效模拟海洋表层和舰船尾流中的微气泡分布，为声、光尾流信号探测系统提供了实验条件。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的侧视图。

图3为本发明水槽的结构示意图。

图4为本发明循环水泵速度为5、快门速度1/100秒时水槽中的气泡分布图像。

图5为本发明循环水泵速度为15、快门速度1/125秒时水槽中的气泡分布图像。

图6为本发明变频调速器频率为5Hz时的气泡分布示意图。

图7为本发明变频调速器频率为10Hz时的气泡分布示意图。

图8为本发明变频调速器频率为15Hz时的气泡分布示意图。

图中：1、水槽；2、循环水泵；3、控制器；4、第一隔板；5、第二隔板；6、工作段；7、进水段；8、出水段；9、进水口；10、出水口；11、微气泡发生器；12、支撑框架；13、支撑底座；14、工作台架梯；15、微气泡层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1-3所示，本发明包括水槽1、循环水泵2和位于水槽内部的微气泡发生器11，以及控制器3，所述控制器3控制循环水泵2工作状态；所述水槽1内部两端分别设有高度可调的第一隔板4和第二隔板5，所述第一隔板4和第二隔板5的底部和两个侧边分别与水槽1底面和两内侧面紧密连接，第一隔板4和第二隔板5均由多段可拆卸的钢化玻璃拼接而成，通过安装不同数量的钢化玻璃可控制第一隔板4和第二隔板5的高度，进而控制微气泡层15的厚度。为保证微气泡层厚度的均匀性，第一隔板4高度与第二隔板5高度相同且都低于水槽1内液面高度。

第一隔板4和第二隔板5将水槽1内部分隔成了三段，第一隔板4和第二隔板5顶部与水槽1内的液面之间形成工作段6；第一隔板4与水槽1一端的侧壁之间间隔形成进水段7，进水段7底部开有进水口9，进水口9与循环水泵2的出水端相连；第二隔板5与水槽1另一端的侧壁之间间隔形成出水段8，出水段8底部开有出水口10，出水口10与循环水泵1的进水端相连；进水段7、工作段6和出水段8形成微气泡的流通通道，循环水泵2产生的流动的水流作为微气泡的流动动力。优选的进水段7和出水段8平行布置，且进水段7和出水段8厚度相同，使微气泡的流动更为平稳。

微气泡发生器11设置在进水段7底部，在循环水泵1的作用下，从进水口9进入的循环水将沿第一隔板4一侧的进水段7向上流动，同时携带微气泡发生器11产生的大量微气泡一起流动，循环水携带微气泡流过工作段6，在工作段6表层形成微气泡层15，沿第二隔板5一侧的出水段8向下流动，通过出水口10流回至循环水泵2形成循环。水槽1的工作段6表层的微气泡厚度可通过控制第一隔板4和第二隔板5的高度进行调整，本实施例中产生的微气泡层厚度约为300-500mm，微气泡的数密度和大小可通过循环水泵2的流速和微气泡发生器11的压气机压力来调整。

微气泡发生器11由多根微孔陶瓷管和压气机组成，多根微孔陶瓷管位于进水段底部，压气机位于水槽外部，压气机分别与多根微孔陶瓷管连接。微孔陶瓷管长250mm、直径50mm，微孔孔径5-10μm。压气机的最大排气压力的1Mpa，排量为0.1m³/min，排气压力可在0-1Mpa之间连续可调。在压气机的作用下，空气通过微孔陶瓷管进入水中，形成大量的微气泡，微气泡的大小和数量可由压气机的压力来控制，通过调整压气机的排气压力和微孔陶瓷管产气的根数，可得到需要的气泡数密度和分布。

水槽1采用20mm厚钢化玻璃制成，其横截面优选为矩形，也可以是腰圆或多边形，玻璃结构胶作为水槽玻璃粘结密封剂。水槽槽体尺寸长1900mm，高2000mm，宽850mm；工作段长1500mm，宽800mm，水深1800mm，槽体与工作段尺寸还可根据实际需要改变。为防止水槽1破裂，在水槽1外部设有支撑框架12，支撑框架12由70×70×6mm不锈钢角钢加工而成。水槽1底部由高500mm的槽钢钢架支撑底座13支撑，槽钢尺寸为160×85mm。为方便调整水槽内的隔板高度及其它操作，在水槽外部的两侧还分别设有工作台架梯14。

循环水泵2设置在水槽1底部，循环水泵2的进水端和出水端分别通过PVC管与水槽1内的出水口10和进水口9相连。循环水泵2的工作通过控制器3控制，控制器3包括继电器开关和变频调速器，由继电器开关控制循环水泵工作，变频调速器则控制循环水泵的转速和流量。

上述各部件安装好后进行模拟海洋表层和舰船尾流中的微气泡分布的过程为：在控制器3上接通电源开关，打开继电器开关使水泵工作，调整变频调速器的频率可控制循环水泵2的转速和流量，保证水槽1内的流通通道内的水具有一定的流速，使微气泡能跟随循环水一起运动，在水槽1的工作段6表层形成气泡层；然后开启压气机，调节排气压力在0-1Mpa之间，使空气在压气机的作用下，通过微孔陶瓷管进入水中，形成大量的微气泡，气泡的大小和数量可由压气机的压力来控制。通过调整压气机的排气压力和微孔陶瓷管产气的根数，可得到需要的气泡数密度和分布，微气泡的数密度和大小通过循环水泵的流速和微气泡发生器产生的气泡数密度来调整。

为了测量实际流动条件下水槽气泡的数密度和分布，我们采用光学照相的方法对微气泡进行分析。利用NIKON相机配105mm微距镜头拍摄了微气泡的分布图像，每幅图像由3872×2592个像数组成，实际拍摄区大小为51.1×35.4毫米，每个像数代表13.7微米。在不同变频调速器频率及不同水泵循环速度下分别拍摄了水中气泡的分布，如图4、图5所示。

通过数据处理，得到在变频调速器频率为5、10、15、20和25Hz条件下，水槽中的气泡数密度分别为7.84×10⁵个/m³、4.0⁷×10⁶个/m³、5.92×10⁶个/m³、1.21×10⁷个/m³和1.49×10⁷个/m³。可见变频调速器频率越低，气泡数密度越低，变频调速器频率越高，水槽中气泡的数密度也越高。通过调整调速器频率可模拟出离船不同距离处的远尾流中的微气泡数密度的变化。

图6-8为变频调速器在不同频率时，产生的微气泡大小的分布规律。由图可见产生的气泡主要由10至200微米的微气泡组成，气泡数密度最大的半径为40-60微米，与实际舰船远程尾流的气泡数密度分布是相似的。随着调速器频率的增加，气泡浓度最高的半径逐渐降低，水槽在低速时，可模拟远程尾流的气泡分布；高速时，产生的气泡分布与较近距离尾流的分布一致，这与气泡浓度的变化规律也是一致的。可见，利用本发明的微气泡模拟装置可较准确的同时模拟出不同离船距离时气泡的数密度和分布。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种微气泡循环水槽，包括水槽(1)，其特征在于：还包括位于水槽(1)外部的循环水泵(2)和位于水槽(1)内部的微气泡发生器(11)，以及控制器(3)，所述控制器(3)控制循环水泵(2)工作状态；所述水槽(1)内部两端分别设有高度可调的第一隔板(4)和第二隔板(5)，所述第一隔板(4)和第二隔板(5)的高度均低于水槽内液面高度，所述第一隔板(4)和第二隔板(5)顶部与液面之间形成工作段(6)；所述第一隔板(4)与水槽(1)一端的侧壁之间间隔形成进水段(7)，进水段底部开有进水口(9)，进水口(9)与循环水泵(2)的出水端相连；所述第二隔板(5)与水槽(1)另一端的侧壁之间间隔形成出水段(8)，出水段(8)底部开有出水口(10)，出水口(10)与循环水泵(2)的进水端相连；所述微气泡发生器(11)设置在进水段(7)底部。

2.根据权利要求1所述的微气泡循环水槽，其特征在于：所述第一隔板(4)和第二隔板(5)的底部和两个侧边分别与水槽(1)底面和两内侧面紧密连接。

3.根据权利要求1或2所述的微气泡循环水槽，其特征在于：所述第一隔板(4)高度与第二隔板(5)高度相同。

4.根据权利要求3所述的微气泡循环水槽，其特征在于：所述第一隔板(4)和第二隔板(5)均由多段可拆卸的钢化玻璃拼接而成。

5.根据权利要求1所述的微气泡循环水槽，其特征在于：所述微气泡发生器(11)包括多根微孔陶瓷管和压气机，所述多根微孔陶瓷管位于进水段底部，所述压气机位于水槽外部，压气机分别与多根微孔陶瓷管连接。

6.根据权利要求1所述的微气泡循环水槽，其特征在于：所述水槽(1)外部设有不锈钢支撑框架(12)，水槽(1)底部设有支撑底座(13)。