CN107884427B - 一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统 - Google Patents

一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，属于水利水电工程、海洋船舶与水下航行器工程技术领域。包括X射线装置、航行体实验模型、支架系统和通气系统。打开空气压缩机和空气干燥过滤器，调节气压调节阀到实验所需压力，待气体充满稳压罐后，打开气体稳压阀。通过气体流量调节阀调整到小流量气体后再打开回水阀，确保气体进入实验段后即可开始实验观测和数据测量等工作。本发明可以实现通入气体的压力和流量的精确调节以及空泡内部气体含量的精确测量，解决了水洞试验中空泡内部气体含量不可检测的问题。

Description

一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统
技术领域
本发明涉及一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，属于水利水电工程、海洋船舶与水下航行器工程技术领域。
背景介绍
在水下航行器工程技术领域，潜射航行体作为一种高效的军事武器，由于其打击精度高、射程远、隐蔽性好等特点，逐渐受到各军事强国的重视。为了适应高海情作战，且具备大深度和变深度发射能力，潜射航行体朝着高速趋势发展。然由于航行体的高速运行，其表面发生自然空化，且随着航行体运动速度和所处水深的不断变化，空泡发生断裂、脱落和溃灭等复杂物理过程。加之发射平台运动、洋流、海浪等因素的影响，航行体出现一定的攻角使得流动不再对称，迎、背水面空化区域存在差异，导致航行体横向载荷变得复杂多变，且攻角越大，这种差异性越大，对水下弹道稳定性提出了巨大挑战。因此，为了有效的控制航行体水下弹道稳定性，研究者通过人为地向航行体表面通入高压气体，增大原有泡内压力，达到抑制自然空化发生的目的。然而，通入气体与蒸汽相相互作用使得流场成为气、汽、液三相，空泡内气体含量发生变化导致空泡形态改变，航行体出水前空泡的形态对其穿越自由液面有着至关重要的作用。因此，了解通气空泡泡内气体含量的变化是分析潜射航行体水下运动阶段空泡形态变化及相应的流体动力特性的基础，也是潜射航行体控制与结构设计的关键技术所在，对未来研制远程制导水下武器有着重要的意义。
目前对通气空泡的研究工作大多是基于对其整体空泡进行的，对于其内部流动结构也多是基于数值计算开展的，对航行体通气空泡泡内气体含量的实验测量的研究鲜有涉及
发明内容
本发明的目的是针对现有技术无法通过实验方式对气泡内气体进行检测的问题，提供一种可用于水洞实验的航行体通气空泡泡内气体含量测量系统，可实现通气压力和通气量的精确改变。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，包括X射线装置、航行体实验模型、支架系统和通气系统；
所述X射线装置包括微焦点X射线机和碘化钠X射线接收探头；
所述航行体实验模型包括空化器与航行体实验模型圆柱段；
所述空化器前段为圆盘结构，后段为圆柱结构；沿所述圆柱结构的端面向内开设深孔；在靠近圆盘的深孔外壁上开设若干通孔；所述圆柱结构上开设外螺纹；
所述航行体实验模型圆柱段为空心圆形直杆，内部一端为内螺纹，另一端为阶梯孔，靠近中部的阶梯处开设螺纹；
所述支架系统包括实验模型支杆、支杆固定翼和托盘；
所述实验模型支杆为一端带有螺纹的中空圆柱形直杆，在远离螺纹端周向位置开有螺纹孔，用于与支杆固定翼的凸台固定连接；
所述支杆固定翼为中心带有通孔的翼型，翼型顶端带有中空凸台；所述托盘整体为圆盘状，端面中心处开有翼型槽；
所述通气系统包括：空气压缩机、空气干燥过滤器、气压调节阀、气体稳压罐、气体稳压阀、气体流量调节阀、玻璃转子流量计、回水阀以及通气管道；
连接关系：空化器通过螺纹连接固定在航行体实验模型圆柱段上；航行体实验模型圆柱段通过螺纹连接固定在实验模型支杆上；实验模型支杆通过螺纹连接固定在支杆固定翼上；支杆固定翼固定在托盘的翼型槽内；托盘通过螺栓螺母固定在水洞实验段面板的钢架上；空气压缩机、空气干燥过滤器、气体稳压罐和玻璃转子流量计通过通气管道依次连接；气压调节阀、位于气体稳压罐和空气干燥过滤器之间的通气管道上；气体流量调节阀和气体稳压阀位于玻璃转子流量计和气体稳压罐之间的通气管道上；回水阀位于玻璃转子流量计和水洞实验段面板之间的通气管道上；
所述气体稳压罐用于存储气体；
所述通气管道为快插式密封型塑料管道。
工作过程：根据航行体实验模型所处位置调整微焦点X射线机和碘化钠X射线接收探头位置，保证三者处于同一平面，确认无误通电工作。打开空气压缩机和空气干燥过滤器，调节气压调节阀到实验所需压力，待气体充满稳压罐后，打开气体稳压阀。通过气体流量调节阀调整到小流量气体后再打开回水阀，确保气体进入实验段后即可开始实验观测和数据测量等工作。
有益效果
1、本发明的一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，实验装置结构简单，易于拆卸，保证高效、快捷地完成实验并获取实验数据；
2、本发明的一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，节省空间，造价低廉，节约能源，适用于小型水下航行体模型通气空泡研究；
3、本发明的一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，通过气压调节阀和气体玻璃转子流量计可以定量精确地控制通入气体压力和通入气体体积；
4、本发明的一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，通过气体稳压阀和气体稳压罐可以实现气体平稳通入；
5、本发明的一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，通过X射线可以快速的测量出空泡内气体含量。
附图说明
图1是本发明基于循环水洞通气空泡泡内气体含量测量系统组装立体示意图；
图2是本发明航行体模型装配图；
图3是本发明航行体模型空化器正视图；
图4是本发明航行体模型圆柱段正视图；
图5是本发明支架系统实验模型支杆正视图；
图6是本发明支架系统实验模型支杆仰视图；
图7是本发明支架系统支杆固定翼正视图；
图8是本发明支架系统支杆固定翼俯视图；
图9是本发明支架系统支杆固定翼仰视图；
图10是本发明支架系统托盘正视图；
图11是本发明支架系统托盘俯视图；
图12是本发明支架系统托盘仰视图；
图13是本发明通气系统气体稳压罐正视图；
图14是本发明通气系统气体稳压罐俯视图与仰视图；
其中，1—微焦点X射线机，2—碘化钠X射线接收探头，3—航行体实验模型圆柱段，4—实验模型支杆，5—支杆固定翼，6—托盘， 7—水洞实验段面板，8—通气管道，9—回水阀，10—玻璃转子流量计，11—气体流量调节阀，12—气体稳压阀，13—气体稳压罐，14—气压调节阀，15—空气干燥过滤器，16—空气压缩机，17—空化器。
具体实施方式
下面结合附图，具体说明本发明的具体实施方式进行详细说明。
实施例1
一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，包括X射线装置、航行体实验模型、支架系统和通气系统，如图1所示；
所述X射线装置包括微焦点X射线机1和碘化钠X射线接收探头2，如图1所示；
所述航行体实验模型包括空化器17与航行体实验模型圆柱段3，如图2所示；
所述空化器17为前段为圆盘结构、后段为圆柱结构；沿所述圆柱结构的端面向内开设深孔；在靠近圆盘的深孔外壁上沿轴向和周向均匀开设12个通孔；所述圆柱结构上开设外螺纹，如图3所示；
所述航行体实验模型圆柱段3为空心圆形直杆，内部一端为内螺纹，另一端为阶梯孔，靠近中部的阶梯处开设螺纹，螺纹孔之间为光孔，如图4所示；
所述支架系统包括实验模型支杆4、支杆固定翼5和托盘6，如图1 所示；
所述实验模型支杆4为一端带有螺纹的中空圆柱形直杆，在远离螺纹端周向位置开有螺纹孔，用于与支杆固定翼5的凸台固定连接，如图5、6所示；
所述支杆固定翼5为中心带有通孔的Naca系列翼型，翼型顶端带有中空凸台，如图7、图8所示；翼型底端开有2个螺纹孔，如图 9所示；
所述托盘6整体为圆盘状，一端面中心处开有翼型槽，槽内中心处开设通孔，通孔两侧开设螺纹孔，用于固定支杆固定翼5，如图10、图11所示；另一端面边缘处开有4个螺纹通孔，如图12所示；
所述通气系统包括空气压缩机16、空气干燥过滤器15、气压调节阀14、气体稳压罐13、气体稳压阀12、气体流量调节阀11、玻璃转子流量计10、回水阀9以及通气管道8，如图1所示；
所述气体稳压罐13为一端为方形板，方形板中心处开有2个螺纹通孔；另一端为圆形空腔，用于存储气体，如图13、14所示；
所述气体管道为快插式密封型塑料管道
连接关系：微焦点X射线机1和碘化钠X射线接收探头位置2 分别放置于航行体实验模型两侧，位置可根据需要进行调整，微焦点 X射线机型号为MAPT-250；空化器17通过螺纹连接固定在航行体实验模型圆柱段3上；航行体实验模型圆柱段3通过螺纹连接固定在实验模型支杆4上；实验模型支杆4通过螺纹连接固定在支杆固定翼 5上；支杆固定翼5通过螺钉固定在托盘上，螺钉参照GB/T 68-2000，根据支杆固定翼5端面两侧螺纹孔直径选取；托盘6通过螺栓固定在水洞实验段面板7的钢架上，螺栓参照GB/T 5782-2000，根据托盘螺纹孔直径选取；空气压缩机16、空气干燥过滤器15、气体稳压罐13 和玻璃转子流量计10通过通气管道8依次连接，空气压缩机 16OTS-1500X2-60L，空气干燥过滤器15型号为AK-107FC，玻璃转子流量计10型号为LZB-40；气压调节阀14位于气体稳压罐13和空气干燥过滤器15之间的通气管道8上，型号为YQD系列全铜单级气体调压阀；气体流量调节阀11和气体稳压阀12位于玻璃转子流量计10和气体稳压罐13之间的通气管道8上，气体流量调节阀11型号为KLA-06，气体稳压阀12型号为JTF-5；回水阀9位于玻璃转子流量计10和实验段下面板7之间的通气管道8上，型号为Q11F高压球阀。
工作过程：打开空气压缩机16和空气干燥过滤器15，调节气压调节阀14到实验所需压力，待气体充满稳压罐13后，打开气体稳压阀12。通过气体流量调节阀11调整到小流量气体后再打开回水阀9，确保气体进入实验段后调节气体流量调节阀11到实验所需流量。待航行体实验模型上形成附着空泡后接通微焦点X射线机1和碘化钠X 射线接收探头位置2电源，根据形成空泡所处位置调整微焦点X射线机1和碘化钠X射线接收探头2位置，保证三者处于同一平面后即可开始实验数据测量。依次关闭回水阀9和气体流量调节阀11，待形成的附着空泡完全消失后开始测量X射线穿过水介质后的光子强度衰减并且记录，重新打开回水阀9和气体流量调节阀11到实验所需流量，待形成稳定附着空泡后开始测量X射线穿过水介质和气泡后的光子强度衰减并且记录。将两组数据进行比较，根据比尔-郎伯光吸收定律即可计算出气泡内混合区域的气体含气量。为了减小实验误差，需要对同一工况下的数据进行多次测量求其平均值。
最后需要说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换。凡在本发明的精神和原则之内所作修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，其特征在于：包括X射线装置、航行体实验模型、支架系统和通气系统；
所述X射线装置包括微焦点X射线机(1)和碘化钠X射线接收探头(2)；
所述航行体实验模型包括空化器(17)与航行体实验模型圆柱段(3)；
所述空化器(17)前段为圆盘结构，后段为圆柱结构；沿所述圆柱结构的端面向内开设深孔；在靠近圆盘的深孔外壁上开设若干通孔；所述圆柱结构上开设外螺纹；
所述航行体实验模型圆柱段(3)为空心圆形直杆，内部一端为内螺纹，另一端为阶梯孔，靠近中部的阶梯处开设螺纹；
所述支架系统包括实验模型支杆(4)、支杆固定翼(5)和托盘(6)；
所述通气系统包括：空气压缩机(16)、空气干燥过滤器(15)、气压调节阀(14)、气体稳压罐(13)、气体稳压阀(12)、气体流量调节阀(11)、玻璃转子流量计(10)、回水阀(9)以及通气管道(8)；
连接关系：空化器(17)通过螺纹连接固定在航行体实验模型圆柱段(3)上；航行体实验模型圆柱段(3)通过螺纹连接固定在实验模型支杆(4)上；实验模型支杆(4)通过螺纹连接固定在支杆固定翼(5)上；支杆固定翼(5)固定在托盘(6)的翼型槽内；托盘(6)通过螺栓螺母固定在水洞实验段面板(7)的钢架上；空气压缩机(16)、空气干燥过滤器(15)、气体稳压罐(13)和玻璃转子流量计(10)通过通气管道(8)依次连接；气压调节阀(14)、位于气体稳压罐(13)和空气干燥过滤器(15)之间的通气管道(8)上；气体流量调节阀(11)和气体稳压阀(12)位于玻璃转子流量计(10)和气体稳压罐(13)之间的通气管道(8)上；回水阀(9)位于玻璃转子流量计(10)和水洞实验段面板(7)之间的通气管道(8)上。
2.如权利要求1所述的一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，其特征在于：所述实验模型支杆(4)为一端带有螺纹的中空圆柱形直杆，在远离螺纹端周向位置开有螺纹孔，用于与支杆固定翼(5)的凸台固定连接。
3.如权利要求1或2所述的一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，其特征在于：所述支杆固定翼(5)为中心带有通孔的翼型，翼型顶端带有中空凸台。
4.如权利要求1所述的一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，其特征在于：所述托盘(6)整体为圆盘状，端面中心处开有翼型槽。
5.如权利要求1所述的一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，其特征在于：所述气体稳压罐(13)用于存储气体。
6.如权利要求1所述的一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，其特征在于：所述通气管道为快插式密封型塑料管道。
7.如权利要求1所述的一种基于循环水洞的通气空泡泡内气体含量测量系统，其特征在于：所述系统的工作过程为：根据航行体实验模型所处位置调整微焦点X射线机(1)和碘化钠X射线接收探头(2)位置，保证三者处于同一平面；打开空气压缩机(16)和空气干燥过滤器(15)，调节气压调节阀(14)到实验所需压力，待气体充满气体稳压罐(13)后，打开气体稳压阀(12)；通过气体流量调节阀(11)调整到小流量气体后再打开回水阀(9)，确保气体从空化器(17)中流出后即可开始实验观测和数据测量工作。
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