CN104359650A - 一种超空泡试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超空泡试验装置，该装置包含发射枪、发射枪保护罩、龙门架、水箱、水箱底座、空气压缩机、可调节货架、刻度带、高压软管、调节阀门等部件，采用直接发射试验模型的方式，通过模型在水中测量区域自由的运动，采用高速摄像的测量方法和图像处理技术，从而获得试验模型周围流场及其结构的试验装置，主要用于进行水下运动物体自然超空泡形成及其减阻机理的研究。

Description

一种超空泡试验装置

技术领域

本发明涉及流体力学领域，尤其是涉及一种超空泡试验装置。

背景技术

水下运动物体的减阻一直都是各个国家研究的重点，目前水下运动物体阻力减少的方法很多，包括超空泡减阻方法。当水下运动体的外表面被空泡包裹，只有小部分与水直接接触时，其所受的流体阻力显著下降，运动速度大幅提高，这种利用空泡来实现减阻的技术就是超空泡技术。超空泡运动体的总阻力系数比常规全沾湿运动体的阻力系数可降低一个数量级。阻力的大幅度降低将带来水中运动体运动速度的大幅提高。

俄罗斯、美国、德国等发达国家都非常重视超空泡形成及其减阻机理研究。常规风洞内的流动介质是空气，无法模拟水汽气多相流动，而水洞中的水流速度很低，根本无法产生自然超空泡，这些设备都极大的制约了水下运动体减阻研究的发展。

目前该类试验均采用水平发射的试验装置，但是水平试验装置只能往水平方向发射模型用于模拟全水下运动物体的水平航行，无法模拟入水状态，而且模型撞击入水时会出现水排出的现象，影响入水时的流场均匀性和稳定性，使得试验结果不能完美呈现。

发明内容

本发明的目的是提供一种超空泡试验装置，采用高压空气驱动小尺寸试验模型，将试验模型直接发射入水，使模型表面实现自然超空泡，通过高速摄像系统及其图像处理软件，对获得的模型表面超空泡流场进行判读和分析，计算形态和阻力等各种参数，以满足自然超空泡减阻试验研究的目的。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超空泡试验装置，包括发射枪、发射枪保护罩、龙门架、水箱、水箱底座、空气压缩机、高速摄像机、可调节支架和高压软管，所述发射枪通过高压软管与空气压缩机连接，发射枪固定在龙门架顶部，枪口向着水箱中央水面位置；所述水箱固定在水箱底座上，水箱底座上设置有滚轮和调节螺栓，使得水箱能沿着水平方向或垂直方向运动；所述高速摄像机设置在可调节支架上，所述发射枪的启动装置与高速摄像机的触发开关通过控制系统连接在一起，实现发射与摄像采集同步，所述发光刻度线一端连接在发射枪枪口外表面，刻度线另一端连接一个铅锥球垂直进入水箱。

在上述技术方案中，所述发射枪为高压空气发射枪，所述高压空气发射枪为卷钉枪。

在上述技术方案中，所述发射枪的的枪管上设置有泄压孔。

在上述技术方案中，所述发射枪枪管距发射枪口20mm内的管壁上设置有若干个泄压孔。

在上述技术方案中，发射枪管内通道的侧壁上设置环状模型固定点。

在上述技术方案中，所述发射枪管内通道的上部设置有环状模型固定点。

在上述技术方案中，所述环状模型与枪管内侧壁之间采用胶粘的方式固定。

在上述技术方案中，所述环状模型尾缘与该环状固定点进行粘结。

在上述技术方案中，所述可调节支架设置有三层，每层支架的距离为可调节。

在上述技术方案中，所述设置在可调节支架上的摄像机有三部，每一部摄像机各自设置在一层支架上。

本技术方案利用空气压缩机产生的高压空气驱动小尺寸射弹实验模型，将其垂直发生入水，依靠射弹在入水时的较高速度从而产生自然超空泡，沿射弹实验模型运动方向对实验水箱进行尺寸标定，采用高速摄像实验技术对超空泡形态进行拍摄，利用图像判读技术计算射弹入水前的运动速度和在水中的运动速度，为进一步分析射弹入水的超空泡减阻特性打下基础。

利用软件编写高速摄像系统的图像判读和处理程序，对实验所获得的高速摄像照片进行定量的处理。首先，根据射弹实验模型运动方向上的标尺刻度，标定实验照片像素和射弹实验模型位移之间的关系。然后，在此基础上进行射弹实验模型运动速度和加速度等参数的计算。最后，根据前面获得的各种参数，对入水射弹实验模型的减阻特性进行分析

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

该装置的优点就是可以直接模拟射弹的入水状态，不存在水排出的现象，也没有流场受到外界干扰的问题，而且发射枪喷出的高压空气提前从枪管侧壁泄出，不会直接射到水面上影响试验流场，保证了测量区域的稳定性。模型发射没有采用弹托方式，可以避免弹托入水对试验流场的破坏和干扰，保证了试验流场的稳定性。试验模型发射与高速摄影采集同步，可以大大减少浪费的照片存储空间，从而大大延长有效的拍摄记录时间，这样相应可将照片的分辨率调至最大，使拍摄的效果更加完美。

通过上述技术方案，获得了良好的超空泡形态和阻力测量试验结果，该结果得到了国内外相关专业的学者和专家认可，是目前国内外最好的试验结果。这种试验装置为开展自然超空泡的机理研究提供了一种较好的解决方案和试验平台。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构侧视图；

图2是本发明的结构立体示意图；

图3是利用本发明装置实验模拟出不同时刻的自然超空泡形态及其周围流场的系列图；

其中：1是发射枪，2是发射枪保护罩，3是龙门架，4是水箱，5是水箱底座，6是空气压缩机，7是可调节支架，8是 高压软管，9是调节阀门，10是对焦刻度带。

具体实施方式

如图1 、图2所述，本发明所述试验装置包含发射枪、发射枪保护罩、龙门架、水箱、水箱底座、空气压缩机、可调节支架、刻度带、高压软管、调节阀门等部件。

其中：发射枪采用高压空气发射枪，一是在距发射枪口20mm内的管壁上开一系列泄压孔，使得模型发射时高压空气不会冲击到水面，防止高压空气影响试验流场；二是将发射枪的触发机构与高速摄像系统的触发机构实现硬件连接，使得模型发射能与高速摄像的采集同步；三是在发射枪管内通道上部侧壁设置环状模型固定点，采用胶粘的方式将试验模型尾缘与该环状固定点进行粘结（如果固定点设置在枪管内通道下部侧壁，必须将试验模型头部与其粘结，将会影响试验模型头部的外形，从而影响试验的结果；如果固定点设置在枪管内通道中部侧壁，必须将试验模型中部与其粘结，不仅会影响试验模型的外形，而且会影响试验模型发射的压力，从而影响试验效果，设置在内通道上部侧壁，不仅在安装模型时操作方便，而且不影响试验模型外形，能起到密封作用，使得发射时高压空气能完全作用于试验模型尾部），起到固定试验模型的作用。

发射枪保护罩采用一个薄型钢板方盒结构，其中侧面开有一个活动门，侧面活动门是为了方便试验模型的安装和取出。在正对发射枪口位置，保护罩开有一个比试验模型直径更大的圆孔，使用一块旋转钢板在试验前和试验后挡住该圆孔，起安全保护作用，防止误操作时试验模型发射伤人

龙门架采用两根竖粱加一根横梁的支架结构，两侧竖粱下部固定在地面上，中间横梁与两侧竖粱固结，用于安装和固定发射枪及其保护装置。

水箱采用一个圆形有机玻璃容器，透光率超过90%，主要是承载试验所需的液态水，试验模型被发射进入水中进行试验。

水箱底座采用一个既可以固定也可以移动的可调节高度平台，一是采用螺栓调节的方式，可以任意调节平台四个脚的高度，方便水平面的调节；二是采用万向轮的方式，可以将螺栓升高悬空，并将四个万向轮放下，可方便试验装置的水平移动。

空气压缩机采用普通双缸空气压缩机，最大压力达到0.8Mpa，主要是产生试验所需的高压空气。空气压缩机通过高压软管、调节阀门与发射枪体进行连接，形成一个试验模型发射回路。

可调节架采用一个有三层升降板的货架，放置于水箱旁边，主要用于高速相机的放置，每一层升降板可以上下调节，可以调整相机的上下左右位置。

高压软管采用耐高压的柔性软管，用于将空气压缩机产生的高压空气传输至发射枪体内。

调节阀门是用于将压缩机产生的高压空气进行减压，以满足试验模型发射的压力要求。

对焦刻度带是从发射枪口垂直放置在水箱中的可发光刻度线，主要是用于试验前对高速摄像系统的镜头进行调焦，以获得清晰的拍摄效果。传统的对焦基本上都是采用镜头与水箱表面对焦，但是模型如水后的轨迹和水箱外表面还存在一定距离，会导致拍摄出的试验效果出现误差，因此本发明中之间采用与枪口位置保持一致的发光刻度线，使得镜头的对焦点能在枪口的平行发射线上，即时模型在水中的轨迹出现一定的偏差，也比镜头对焦点在水箱表面的误差小，最大精度的还原试验过程。

具体实验过程

首先将发射枪体和保护罩进行连接，之后将其固定在龙门架的横梁中央，将水箱放置于水箱底座的中央，通过移动水箱底座的位置，将发射枪口对准水箱中央位置的圆心位置。将空气压缩机和高压软管、空气过滤器、调节阀等进行连接，形成发射回路。将三台高速相机放置于可移动货架的升降板上，调节每层升降板的位置和高度，使相机对准每个测量的位置。具体的试验操作流程如下：

检查模型发射装置和各连接部位的螺钉，确保每个螺钉都紧固；

查看压缩机的储气罐压力表，如有压力则排空；

关闭减压阀，连接模型发射装置与空气压缩机间的供气管路；

打开模型发射装置舱门，检查舱中是否有模型，如有则拆除；

减压阀前管路耐压试验：开启空气压缩机、打开供气阀门，查看管路连接处是否漏气，如有漏气，则关闭供气阀门，利用减压阀滤水器泄压并处理泄露部位；试验时，压力逐步增加，依次为0.3 MPa 、0.5MPa和 0.7MPa；

减压阀后管路耐压试验：缓慢调节减压阀（顺时针为开阀、逆时针为关阀），查看模型发射装置和管路连接处，如有漏气则关闭供气阀门和减压阀，利用减压阀滤水器泄压并处理泄露部位，试验压力最大值为0.5MPa；

关闭供气阀门和减压阀，利用减压阀滤水器泄压，待减压阀压力表指针回零后，安装试验模型；

打开供气阀门，调节减压阀使阀后压力升至试验要求值；

佩戴安全眼镜，按照试验指挥人员口令扣动模型发射装置扳机发射模型；

按照试验计划，每发射一次模型，重复步骤7、8、9；

试验结束后，关闭空气压缩机，泄放模型发射装置、供气管路和空气压缩机储气罐中的压缩空气；

待空气压缩机和减压器的压力表回零，拆卸供气管路，存放空气压缩机及相关设备。

如图3所示，利用本发明所述装置在水中模拟出的超空泡的轨迹图，从该图中可以看出，获得的自然超空泡形状和轨迹都相当的完美，与同类实验装置相比，远远优于同类实验装置的试验结果和效果。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

Claims (10)

1.一种超空泡试验装置，其特征在于：包括发射枪、发射枪保护罩、龙门架、水箱、水箱底座、空气压缩机、高速摄像机、可调节支架和高压软管、发光刻度线；所述发射枪通过高压软管与空气压缩机连接，发射枪固定在龙门架顶部，枪口垂直向着水箱水面位置；所述水箱固定在水箱底座上，水箱底座上设置有滚轮和调节螺栓，使得水箱能沿着水平方向或垂直方向运动；所述高速摄像机设置在可调节支架上，所述发射枪的启动装置与高速摄像机的触发开关通过控制系统连接在一起，实现发射与摄像采集同步；所述发光刻度线一端连接在发射枪枪口外表面，刻度线另一端连接一个铅锥球垂直进入水箱。

2.根据权利要求1所述的一种超空泡试验装置，其特征在于所述发射枪为高压空气发射枪。

3.根据权利要求2所述的一种超空泡试验装置，其特征在于所述发射枪的枪管上设置有泄压孔。

4.根据权利要求3所述的一种超空泡试验装置，其特征在于所述发射枪枪管距发射枪口20mm内的管壁上设置有若干个泄压孔。

5.根据权利要求1所述的一种超空泡试验装置，其特征在于发射枪管内通道的侧壁上设置环状模型固定点。

6.根据权利要求5所述的一种超空泡试验装置，其特征在于所述发射枪管内通道的上部设置有环状模型固定点。

7.根据权利要求5所述的一种超空泡试验装置，其特征在于所述环状模型与枪管内侧壁之间采用胶粘的方式固定。

8.根据权利要求5或7所述的一种超空泡试验装置，其特征在于所述环状模型尾缘与该环状固定点进行粘结。

9.根据权利要求1所述的一种超空泡试验装置，其特征在于所述可调节支架设置有三层，每层支架的距离为可调节。

10.根据权利要求1或9所述的一种超空泡试验装置，其特征在于所述设置在可调节支架上的摄像机有三部，每一部摄像机各自设置在一层支架上。