CN106353066A - 旋转物体稳定高速变角度入水实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于水力学实验模型设施，具体涉及一种旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，包括透明水箱、由工控计算机控制连接的数据采集系统以及设置于透明水箱上方的入水物体释放装置，入水物体释放装置包括入水角度量角器以及与横向支撑杆活动连接的气体导杆，气体导杆底端套接设置有旋转齿轮以及设有与旋转齿轮相配合旋转头的电机，电机的运行带动入水物体旋转。气体导杆通过高压气管与气体供应装置密封连接，气体供应装置包括设有电磁开关阀的高压气瓶以及与其相连的空气压缩机，通过控制空气压缩机工作使高压气瓶中形成负压或正压，从而控制入水物体的吸附与高速释放。本发明可稳定高速释放不同形状的高速旋转中的入水物体，且可精确控制物体的入水角度。

Description

旋转物体稳定高速变角度入水实验装置

技术领域

本发明属于水力学实验模型设施，具体涉及一种定速旋转物体稳定高速变角度入水实验装置。

背景技术

物体入水问题广泛存在于日常生活和工程、科学研究等众多领域，如返回舱入水、潜艇入水、飞机水面迫降、运动员跳水等，在理论和实际应用方面具有重要的价值。物体入水过程虽然只是一个非常短暂的瞬态过程，但这个短暂的过程涉及强非线性自由面运动及破碎、湍流与漩涡、物体的运动与变形、物体与水的耦合相互作用等，使得此过程在运动体整个运动过程中占有极其重要的地位。由于高速运动物体，如鱼雷、导弹等在运动过程中一般伴随着着剧烈的旋转，且当速度足够大时，在进入水中后产生超空泡现象，使得高速旋转运动物体入水研究在航空、水中兵器等领域具有极其重要意义。由于入水问题涉及到的运动十分复杂，现有的理论分析方法不能很好地对此物理过程准确分析，因此目前主要采用大量实验研究数据和数值模拟技术来测量预报近似数据。而实验研究的数据常常又被用来与数值模拟结果对比以验证数值模拟技术的准确性。因此物体入水试验研究对入水问题的研究有不可取代的作用。1983年Greenhow 和Lin做了水平圆柱入水和楔形体入水的实验。1990年，A.M.Worthington利用当时出现的闪光摄影技术，观察入水物体落入不同液面时出现的飞溅和空泡现象。目前现有的物体入水实验装置一般都采用入水物体自由下落的方法来获得物体入水初速度，且一般都不考虑物体的旋转及入水角度问题，很难真实模拟如导弹、子弹头、鱼雷等高速旋转物体的入水过程，使得与现实接近的高速旋转物体变角度入水实验数据缺乏，很难给这类物体的现实设计应用提供有力可靠的依据。因此目前迫切需要一种实验装置以实现不同旋转速度下入水物体以不同角度和不同初速度高速入水研究。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，其可稳定释放不同形状的高速旋转中的入水物体，且可精确控制物体的入水角度。

为解决上述技术问题，本发明包括透明水箱、由工控计算机控制连接的数据采集系统以及设置于透明水箱上方的入水物体释放装置，所述入水物体释放装置包括入水角度量角器以及与横向支撑杆活动连接的气体导杆，所述气体导杆底端固定设置有入水物体旋转装置。

进一步的，所述入水物体旋转装置包括套接在气体导杆底端的旋转齿轮以及设有与旋转齿轮相配合的旋转头的电机，所述旋转齿轮与入水物体固定壳体固定连接。

进一步的，所述气体导杆通过高压气管与气体供应装置密封连接。

进一步的，所述气体供应装置包括设有电磁开关阀的高压气瓶以及与高压气瓶相连的空气压缩机。

进一步的，所述入水物体固定壳体与入水物体相配合固定，所述入水物体为球体、锥体或者一端为可与入水物体固定壳体相配合的球体的物体等。

进一步的，所述入水物体固定壳体内壁设有一层密封垫。

进一步的，所述入水角度量角器固定设置在气体导杆上，所述横向支撑杆上固定设有与入水角度量角器相配合的入水角度调节指针。

进一步的，所述入水角度量角器固定设置在横向支撑杆上，所述气体导杆上固定设有与入水角度量角器相配合的入水角度调节指针。

进一步的，所述横向支撑杆的一端与气体导杆铰接连接，另一端与可拆卸套接设置在支撑柱上的升降套筒固定连接。

进一步的，所述数据采集系统包括由工控计算机控制连接的同步仪、激光发射器、高速摄像仪和高速照相机。

本发明的有益效果如下：

1.本发明所述入水物体旋转装置包括套接在气体导杆底端的旋转齿轮以及设有与旋转齿轮相配合的旋转头的电机，所述旋转齿轮与入水物体固定壳体固定连接，入水物体固定壳体与入水物体相配合，入水物体随入水物体固定壳体同步转动。并且，通过控制电机的转速从而可以控制入水物体的旋转速度，从而实现入水物体定速旋转入水实验。

2. 本发明所述气体导杆通过高压气管与设有电磁开关阀的高压气瓶密封相连，高压气瓶与空气压缩机相连。通过控制空气压缩机工作使高压气瓶中形成负压或正压，负压气体吸住入水物体可以避免如之前机械夹持固定装置释放时的不稳定抖动，使入水物体受力更加均匀释放更加稳定，还可防止物体在旋转过程中脱落造成危险，同时可通过控制释放气压使得入水物体得到很大的入水速度以开展高速旋转体入水实验。相比于其他入水物体释放装置，本发明通过气体压力控制入水物体的释放，可根据实验需要提供不同气压释放入水物体，从而得到高的入水速度，还可有效减少入水物体与释放端的摩擦，使得实验人员更加精确地控制其入水速度。

3.本发明设置有入水角度量角器和与之相配合的入水角度调节指针，可准确调节物体入水角度，可顺利开展物体多角度入水实验。

4.本发明所述支撑柱上通过螺栓可拆卸套接设置有升降套筒，所述横向支撑杆的一端焊接在升降套筒上，通过升降套筒可将入水物体释放装置设置在所需高度，灵活方便。

5.本发明所述入水物体固定壳体内壁上设有一层密封垫，更好地实现入水物体与入水物体固定壳体之间的密封性，从而使得对入水物体与入水物体固定壳体接触面光洁度的要求在一定程度上有所降低，有效降低实验成本。

6本发明所述数据采集系统还包括与工控计算机相连接的同步仪，通过同步仪控制电磁式释放装置、高速摄影仪、高速照相机同时工作，可有效提高实验的精确度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明入水物体释放装置的构示意图。

其中，1是电机；2是气体导杆；3是入水角度量角器；4是横向支撑杆；5是升降套筒；6是支撑柱；7是高压气管；8是旋转齿轮；9是入水物体固定壳体；10是入水物体；11是透明水箱；12是数据采集系统；13是电磁开关阀；14是高压气瓶；15是空气压缩机；16是工控计算机；17是入水角度调节指针；18是密封垫；19是旋转头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括透明水箱11、由工控计算机16控制连接的数据采集系统12以及设置于透明水箱11上方的入水物体释放装置，其中透明水箱11为玻璃水箱或者透明塑料水箱，该透明水箱11放置在支架上，使得透明水箱11底部距离地面一定的高度。入水物体释放装置包括入水角度量角器3以及与横向支撑杆4活动连接的气体导杆2，气体导杆2底端固定设置有入水物体旋转装置。其中横向支撑杆4和气体导杆2之间采用铰接、栓杆、螺纹连接等方式，只要满足以下条件即可：需要调节入水角度时可令气体导杆2相对横向支撑杆4转动，角度调节完毕时，可将横向支撑杆4和气体导杆2固定锁死以固定入水角度。入水角度量角器3和入水角度调节指针17的安装优选以下两种方式，第一种：将入水角度量角器3焊接、螺钉固定连接等方式固定设置在气体导杆2上，使得入水角度量角器3随气体导杆2一起转动，将入水角度调节指针17配合固定设置在横向支撑杆4上，用以指示转动角度；第二种：将入水角度调节指针17焊接、螺钉固定连接等方式固定设置在气体导杆2上，使得入水角度调节指针17随气体导杆2一起转动，将入水角度量角器3配合固定设置在横向支撑杆4上。但本发明中入水角度的测量并不限于上述方法和设备，只要能够对入水角度进行精确测量即可。另外，横向支撑杆4与可拆卸套接设置在支撑柱6上的升降套筒5固定连接。套接在支撑柱6上的升降套筒5上设置有锁定部件，如螺栓等，拧紧锁定部件可将升降套筒5固定在支撑柱6上的某一位置，拧松锁定部件后升降套筒5可沿支撑柱6上下移动，从而对入水物体释放装置的高度进行调节。本发明数据采集系统12的组成根据实验需求而定，包括PIV测速系统等，一般包括由工控计算机16控制连接的同步仪、激光发射器、高速摄像仪和高速照相机。

如图2所示，入水物体旋转装置包括套接在气体导杆2底端的旋转齿轮8，旋转齿轮8的底部固定连接有入水物体固定壳体9，使得入水物体固定壳体9随旋转齿轮8同步同速转动。由电机1带动旋转齿轮8转动，电机1上设有与旋转齿轮8相配合的旋转头19，通过控制电机1的转速便可间接控制入水物体固定壳体9的转速。需要说明的是，本发明入水物体旋转装置并不仅限于上述实施例，也可采用皮带传动、传动轮组传动等，只要能够使得入水物体固定壳体9定速旋转即可。另外，入水物体固定壳体9的形状结构根据入水物体10的形状结构而定，二者相互配合，保证二者可以密闭接触，且接触面不漏气。入水物体10可以为球体、锥体或者一端为可与入水物体固定壳体相配合的球体的物体等。

如图1所示，本发明中入水物体10的释放利用气压控制方法，首先为保证控制系统的密闭性，在入水物体固定壳体9内壁上设有一层密封垫18，不仅可以有效增强密封性能，还可以降低对入水物体10光洁度的要求，降低实验成本。该控制系统包括入水物体固定壳体9、气体导杆2、高压气管7、高压气瓶14以及空气压缩机15，气体导杆2为具有密封空腔的导杆或者在导杆内部设置高压气管，通过高压气管7与入水物体固定壳体9密封连接。高压气瓶14上设有可由工控计算机16控制的电磁开关阀13，通过空气压缩机15的运行状况控制高压气瓶14内的气压。本发明所适用的入水物体的释放装置并不仅仅限于上述实施例，还可以为利用电磁吸附原理的电磁释放装置，或者传统的入水物体释放方法。

实验时，操作人员首先对整个装置的气密性进行检查，然后对入水物体10的入水角度进行调节，再通过工控计算机16控制空气压缩机15运行，使得高压气瓶14处于负压状态。当其内部负压达到设定值后，控制高压气瓶14上的电磁开关阀13打开，此时高压气管7、气体导杆2和入水物体固定壳体9内部均处于负压状态。将入水物体10放入入水物体固定壳体9内，在负压作用下，入水物体10牢固吸附在入水物体固定壳体9中，关闭电磁开关阀13，自此在高压气管7、气体导杆2和入水物体固定壳体9之间形成一个处于负压状态的密闭空间。通过工控计算机16控制电机1以设定转速值转动，旋转头19带动旋转齿轮8同速转动，旋转齿轮8带动与其固定连接的入水物体固定壳体9同速转动。同时，控制空气压缩机15运行，使高压气瓶14中形成高压。待入水物体10达到实验设定值稳定旋转、数据采集系统稳定工作时，控制电磁开关阀13开启，并控制高压气瓶14中的气压值及电磁开关阀13的开度，使得入水物体10得以以设定速度释放。待入水物体10入水完成，各数据采集装置数据采集完毕，本次实验完成。本发明可对导弹、子弹头、鱼雷等高速旋转物体的入水运动进行有效的模拟和研究。

Claims (10)

1.旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，其特征在于包括透明水箱（11）、由工控计算机（16）控制连接的数据采集系统（12）以及设置于透明水箱（11）上方的入水物体释放装置，所述入水物体释放装置包括入水角度量角器（3）以及与横向支撑杆（4）活动连接的气体导杆（2），所述气体导杆（2）底端固定设置有入水物体旋转装置。

2.根据权利要求1所述的旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，其特征在于所述入水物体旋转装置包括套接在气体导杆（2）底端的旋转齿轮（8）以及设有与旋转齿轮（8）相配合的旋转头（19）的电机（1），所述旋转齿轮（8）与入水物体固定壳体（9）固定连接。

3.根据权利要求1所述的旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，其特征在于所述气体导杆（2）通过高压气管（7）与气体供应装置密封连接。

4.根据权利要求3所述的旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，其特征在于所述气体供应装置包括设有电磁开关阀（13）的高压气瓶（14）以及与高压气瓶（14）相连的空气压缩机（15）。

5.根据权利要求2所述的旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，其特征在于所述入水物体固定壳体（9）与入水物体（10）相配合固定，所述入水物体（10）为球体、锥体或者一端为可与入水物体固定壳体（9）相配合的球体的物体等。

6.根据权利要求2或5所述的旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，其特征在于所述入水物体固定壳体（9）内壁设有一层密封垫（18）。

7.根据权利要求1所述的旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，其特征在于所述入水角度量角器（3）固定设置在气体导杆（2）上，所述横向支撑杆（4）上固定设有与入水角度量角器（3）相配合的入水角度调节指针（17）。

8.根据权利要求1所述的旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，其特征在于所述入水角度量角器（3）固定设置在横向支撑杆（4）上，所述气体导杆（2）上固定设有与入水角度量角器（3）相配合的入水角度调节指针（17）。

9.根据权利要求1所述的旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，其特征在于所述横向支撑杆（4）的一端与气体导杆（2）铰接连接，另一端与可拆卸套接设置在支撑柱（6）上的升降套筒（5）固定连接。

10.根据权利要求1所述的旋转物体稳定高速变角度入水实验装置，其特征在于所述数据采集系统（12）包括由工控计算机（16）控制连接的同步仪、激光发射器、高速摄像仪和高速照相机。