CN108956087A - 高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置与方法，涉及高速出水航行体通气空泡多相流领域；搭配使用运动装置、充气装置、照明装置以及实验数据采集装置等，形成了一套特有的研究通气空泡融合机理以及通气空泡流动特性的实验方法；根据减压罐的特点设计了独有的运动方式、照明方式、观测方式、以及精确控制充气流量、压力的充气方式，成功解决了以往的通气空泡实验研究装置无法提供减压环境、无法精确控制通气参数以及无法克服运动装置在减压环境中工作等问题，可较好地模拟真实水下发射过程中人工通气空泡融合的过程，研究航行体的流态特性，尤其在研究通气空泡融合方面具有巨大优势。

Description

高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置与方法

技术领域

本发明涉及高速出水航行体通气空泡多相流领域，具体涉及高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置与方法。

背景技术

早期的通气空泡实验多是在空泡水洞中来进行，或者在常压环境下的水箱中开展。在空泡水洞中进行的通气空泡实验观测的是一个定常的过程，而且航行体均采用水平放置，这样人工通气形成的空泡会受到重力的影响产生偏斜，这与实际水下发射的试验环境有很大差别。不仅如此水洞实验中的导弹模型缩比实验不是在非惯性坐标系下进行，研究的也不是非定常流动问题。在常压环境下的水箱中进行的通气空泡实验由于无法满足空泡数相似，导致无法观测到通气空泡的融合过程，存在很大的问题。而真实水下发射实验受药量、弹射方式等实验条件的限制，使生成的通气气泡现象极为复杂，可控性和安全性较差，并且实验费用十分惊人，无法进行大规模的重复类比实验。

本实验基于空化流的相似理论来进行设计，设计了该减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流流动实验装置与方法，在减压环境下进行合适的缩尺实验，并结合高速摄影技术，实现了全程记录高速出水航行体通气空泡融合过程的目的。相比水洞实验而言，不存在水洞实验中的支杆干扰尾流场的问题，也不存在流动不相似和空泡整体“上漂”的问题，相比常压水箱而言，满足空化数相似条件，总体来说，本实验的实验条件更加符合符合真实情况，是在非惯性坐标系中研究非定常流动问题，得到的实验数据更加精准可信。填补了国内在该减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置的空白，并且在运动机构的选取、供气方式的设计、压力罐尺寸设计、观察窗口及光源窗口大小的选择等多个方面做出了创新。

发明内容

本发明的目的在于提供高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置与方法。

一种减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置，其特征在于，由减压系统、通气系统、运动系统和数据采集系统这四大部分组成。放置在中央的是减压罐，减压罐内部放置一个同步带滑台，减压罐右侧和后侧0.5米处各放置一盏黄头灯，减压罐右侧1米处放置一台真空泵，真空泵与减压管通过透明气管连接，减压罐前面1米处放置一台高速摄像机，高速摄像机右侧1米处放置一台与其连接记录数据的笔记本电脑，减压罐后侧1.5米处放置一台起吊机，起吊机左侧0.5米处放置的是同步带滑台的控制柜，该控制柜通过电线和航空插头与减压罐内的同步带滑台连接，同步带滑台控制柜左侧0.5米处放置一台空压机，空压机前方0.5米处通过气管连接一个储气罐，储气罐前方0.5米处通过气管连接的是通气系统控制柜，通气系统控制柜通过气管连接在减压罐上。

所述减压系统主要由减压罐和真空泵组成，减压罐要求能够满足强度要求、使用要求和观察要求；所述强度要求为，减压罐的主体材料为锅炉专用钢材，观察窗口及光源窗口的玻璃材料选用的是钢化玻璃，透光度优良，主体与上、下端口的连接处都采取圆弧过渡的方式。上下封头包括中间圆柱壳的钢板厚度是基于极限载荷法，采用塑性条件和无力矩理论，通过结构力学强度分析方法，引入一定的安全系数，并考虑到腐蚀、负偏差和加工工艺的总附加量以及焊缝强度系数来进行强度校核，结果表明减压罐的强度满足强度要求。强度校核具体计算公式见GB150中的规定所示；所述使用要求为：减压罐的总高度＝起吊环高度+顶部封头高度+圆柱壳长度+底部封头高度+底座高度，圆柱壳长度的选取则需满足至少将运动机构能够装配进去，圆柱壳内径的选取则必须考虑壁面效应对通气空泡的影响，不能太小；减压罐采用的是Q345B的锅炉专用钢，这就保证了在高真空环境下整个罐体的结构强度，满足了高真空度这一实验要求。减压罐的外部由上至下来看主要有顶部封头、圆柱壳、底部封头和支撑底座。顶部封头和圆柱壳上均焊接上了一个法兰盘，上下法兰之间用螺栓来连接，法兰面上有一个环形凹槽，凹槽里面放置有丁晴橡胶材质的O型圈，通过螺栓之间的紧固力来压紧O型圈，满足减压罐在减压环境下的气密性。顶部封头上焊接上了一个起吊环，这样利于顶部封头的拆卸。圆柱壳上开设有2个长观察窗和1个短观察窗、一个抽气口、3个走线口、1个精密真空表接口以及3个进气口。底部封头的底端开设了1个进水口，也可作为排水口来使用。减压罐内部主要安装上了运动机构的紧固件，可以将运动机构竖直地安装在圆柱壳内壁上，也可以实现带一定倾角地安装，满足实验不同工况的要求。罐体内壁上做了喷砂、防腐处理。所述观察要求为，减压罐上开设三个长圆孔，即三个玻璃观察窗，详见附图3，前后视镜以及罐体右侧视镜都是竖直放置，均为钢化玻璃制成，用来打光和拍摄实验现象，所有观察窗口都做凹槽过渡。

所述通气系统主要包括空气压缩机、稳压罐，流量和压力的测量与控制部件；可以实现通气流量和压力的精确调控，便于形成稳定的空泡，通气流量和通气压力的范围根据所选用的气体质量流量计和调压阀的能力来决定；通过使用继电器和电磁阀，并进行编程，使得通气能够与运动机构同步开启，两者基本没有时间差；充气过程稳定，能够分多路分别供气。

所述运动系统采用了同步带滑台来实现这一目标同步带滑台安装在罐体内壁上，将模型固定在滑台的滑块上，浸泡在水中的部分均做了防锈处理，以保证长时间浸泡在水里使用，同步带滑台竖直安装，或通过减压罐内部安装的变角度板来实现带一定倾角地安装，满足实验工况对发射角度的要求；同步带滑台操作简便，设有控制箱，滑台的控制箱放置在罐体外，供电线缆和信号控制线缆通过穿板航空插头从减压管内传出连接到控制箱上，控制箱上设有触屏操作面板，可以手动输入参数，并且可以进行编程来满足不同的需运动需求。

所述数据采集系统采用电压220v额定功率为2kw的2盏黄头灯作为连续光源，1台高速摄像机和1台用于存储图像的计算机组成。采用在背面和右侧同时打光的方法，拍摄面的观察窗上贴上毛玻璃贴纸，以达到最好的拍摄效果。通过数据线及摄像软件实现摄像机与控制电脑之间的连接，并可同步完成数据传输、存储等，软件可同时实现对图像中气泡长度和角度的测量。为了达到理想的实验拍摄效果，选用的高速摄像机拍摄参数应不低于本实验所选用的高速摄像机参数。

一种减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：实验设备布置工作：将减压系统、通气系统、运动系统、信息采集系统以及其他实验辅助设备按照要求布置好；

步骤二：提供减压环境：将实验模型安装好并封上减压罐，确保减压罐的气密性，利用真空动力装置将减压罐内空气抽出，直到压力满足实验工况要求的真空度为止；

步骤三：各个子系统的预热工作：将通气系统进行提前预热，将运动系统进行归零设置，并将灯源和高速摄像机准备好，调节高速摄像机的各个拍摄参数，将拍摄效果调整至最佳状态；

步骤四：实验前的标定工作：根据实验工况要求下模型不同的运动速度，用高速摄像机来标定同步带滑台的电机转速并记录下来，并将通气系统的延迟时间标定好；

步骤五：参数设置工作：根据上一步中标定好的结果来设置运动系统控制面板上的各个运动参数以及通气系统的各个通气参数；

步骤六：开始实验：同步击发运动系统和通气系统，并通过信息采集系统捕捉到通气空泡产生、发展、融合以及溃灭的全过程；

步骤七：实验冷却过程：在进行下一次实验前需要保证减压罐内水体以及气泡恢复到平稳状态，以免影响下一次实验的拍摄效果；

步骤八：改变实验工况继续实验：根据实验工况的要求，重复进行步骤五至步骤八，直至所有实验工况都进行完毕；

步骤九：实验数据分析工作：通过分析软件对影像中通气空泡尺寸、均匀度、融合过程实验数据进行分析。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置，能够实现在减压环境下高速出水航行体的高速直线运动，模拟真实水下垂直发射过程，并且还可以带一定倾角地倾斜发射。并能够在高速出水航行体发射过程中进行人工通气，通气压力和流量均可精确调控和测量。

2.本发明的减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验方法，能够在非惯性坐标系下模拟实际水下发射过程中的非定常出水问题，能够在满足空泡数相似的条件下开展高速出水航行体通气空泡实验，在实验可重复性、精确度方面均有很好的效果。

附图说明

图1为本发明实验装置总示意图；

图2为本发明减压罐总装配图；

图3为本发明减压罐观察窗示意图；

图4为本发明通气系统结构图；

图5为本发明同步带滑台装配示意图；

图6为本发明通气系统示意图；

图7为本发明实验方法及流程图；

图8为本发明各个实验系统的作用。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

具体实施例1

一种减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置，见附图1，其特征在于，由减压系统、通气系统、运动系统和数据采集系统这四大部分组成。放置在中央的是减压罐，减压罐内部放置一个同步带滑台，减压罐右侧和后侧0.5米处各放置一盏黄头灯，减压罐右侧1米处放置一台真空泵，真空泵与减压管通过透明气管连接，减压罐前面1米处放置一台高速摄像机，高速摄像机右侧1米处放置一台与其连接记录数据的笔记本电脑，减压罐后侧1.5米处放置一台起吊机，起吊机左侧0.5米处放置的是同步带滑台的控制柜，该控制柜通过电线和航空插头与减压罐内的同步带滑台连接，同步带滑台控制柜左侧0.5米处放置一台空压机，空压机前方0.5米处通过气管连接一个储气罐，储气罐前方0.5米处通过气管连接的是通气系统控制柜，通气系统控制柜通过气管连接在减压罐上。下面是这四个子系统的详细介绍：

(1)减压系统

减压系统主要由减压罐和真空泵组成，减压罐要求能够满足强度要求、使用要求和观察要求，减压罐总装配图见附图2所示。

强度要求：减压罐的主体材料为锅炉专用钢材，观察窗口及光源窗口的玻璃材料选用的是钢化玻璃，透光度优良，主体与上、下端口的连接处都采取圆弧过渡的方式。上下封头包括中间圆柱壳的钢板厚度是基于极限载荷法，采用塑性条件和无力矩理论，通过结构力学强度分析方法，引入一定的安全系数，并考虑到腐蚀、负偏差和加工工艺的总附加量以及焊缝强度系数来进行强度校核，结果表明减压罐的强度满足强度要求。强度校核具体计算公式见GB150中的规定所示。

使用要求：减压罐的总高度＝起吊环高度+顶部封头高度+圆柱壳长度+底部封头高度+底座高度，圆柱壳长度的选取则需满足至少将运动机构能够装配进去，圆柱壳内径的选取则必须考虑壁面效应对通气空泡的影响，不能太小；减压罐采用的是Q345B的锅炉专用钢，这就保证了在高真空环境下整个罐体的结构强度，满足了高真空度这一实验要求。减压罐的外部由上至下来看主要有顶部封头、圆柱壳、底部封头和支撑底座。顶部封头和圆柱壳上均焊接上了一个法兰盘，上下法兰之间用螺栓来连接，法兰面上有一个环形凹槽，凹槽里面放置有丁晴橡胶材质的O型圈，通过螺栓之间的紧固力来压紧O型圈，满足减压罐在减压环境下的气密性。顶部封头上焊接上了一个起吊环，这样利于顶部封头的拆卸。圆柱壳上开设有2个长观察窗和1个短观察窗、一个抽气口、3个走线口、1个精密真空表接口以及3个进气口。底部封头的底端开设了1个进水口，也可作为排水口来使用。减压罐内部主要安装上了运动机构的紧固件，可以将运动机构竖直地安装在圆柱壳内壁上，也可以实现带一定倾角地安装，满足实验不同工况的要求。罐体内壁上做了喷砂、防腐处理，这就保证了实验用水的水质，使得拍摄效果更好。

观察要求：减压罐上开设三个长圆孔，即三个玻璃观察窗，详见附图3，前后视镜以及罐体右侧视镜都是竖直放置，均为钢化玻璃制成，用来打光和拍摄实验现象，所有观察窗口都做凹槽过渡。

(2)通气系统

通气系统主要包括空气压缩机、稳压罐，流量和压力的测量与控制部件。这套通气系统可以实现通气流量和压力的精确调控，便于形成稳定的空泡，通气流量和通气压力的范围根据所选用的气体质量流量计和调压阀的能力来决定；通过使用继电器和电磁阀，并进行编程，使得通气能够与运动机构同步开启，两者基本没有时间差；充气过程稳定，能够分多路分别供气。通气系统的结构图如图4所示：

(3)运动系统

为了使模型能在水下以高速运动，采用了同步带滑台来实现这一目标，滑台电机功率需根据流体力学知识估算出所需的动力大小来选取。同步带滑台安装在罐体内壁上，将模型固定在滑台的滑块上，滑台的控制箱放置在罐体外，供电线缆和信号控制线缆通过穿板航空插头从减压管内传出连接到控制箱上，操作控制箱即可带动模型做直线运动。

(4)数据采集系统

本系统由2台黄头灯，1台高速摄像机和1台用于存储图像的计算机组成。此灯的优点是亮度很高，在高速摄影机的拍摄画面中不会出现频闪现象。拍摄面的观察窗上贴上毛玻璃贴纸，以达到最好的拍摄效果。记录空泡融合过程采用的是Phantom V12.1高速摄像机，其基本参数如表1所示。

表1高速摄像机参数

相机型号	最高拍摄速率	最高分辨率拍摄速率	最大分辨率
				Phantom V12.1	650000帧/s	6242帧/s	1280×800

本实验采用的拍摄频率是1000-3000帧/s，通过数据线及摄像软件Phantom675.2实现摄像机与控制电脑之间的连接，并可同步完成数据传输、存储等，软件可同时实现对图像中气泡长度和角度的测量。为了达到理想的实验拍摄效果，选用的高速摄像机拍摄参数应不低于本实验所选用的高速摄像机参数。

一种减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验方法，包含以下步骤：

(1)实验设备布置工作：将减压系统、通气系统、运动系统、信息采集系统以及其他实验辅助设备按照附图1所示布置好；

(2)提供减压环境：将实验模型安装好并封上减压罐，确保减压罐的气密性，利用真空动力装置将减压罐内空气抽出，直到压力满足实验工况要求的真空度为止；

(3)各个子系统的预热工作：将通气系统进行提前预热，将运动系统进行归零设置，并将灯源和高速摄像机准备好，调节高速摄像机的各个拍摄参数，将拍摄效果调整至最佳状态；

(4)实验前的标定工作：根据实验工况要求下模型不同的运动速度，用高速摄像机来标定同步带滑台的电机转速并记录下来，并将通气系统的延迟时间标定好；

(5)参数设置工作：根据上一步中标定好的结果来设置运动系统控制面板上的各个运动参数以及通气系统的各个通气参数；

(6)开始实验：同步击发运动系统和通气系统，并通过信息采集系统捕捉到通气空泡产生、发展、融合以及溃灭的全过程；

(7)实验冷却过程：在进行下一次实验前需要保证减压罐内水体以及气泡恢复到平稳状态，以免影响下一次实验的拍摄效果；

(8)改变实验工况继续实验：根据实验工况的要求，重复进行(5)～(8)步，直至所有实验工况都进行完毕；

(9)实验数据分析工作：通过Phantom675.2分析软件，可以对影像中通气空泡尺寸、均匀度、融合过程实验数据进行分析。

所述的运动系统：同步带滑台可以在高真空、高湿度的环境中正常使用，浸泡在水中的部分均做了防锈处理，可以长时间浸泡在水里使用，其电机的功率大，可以实现带动模型在水下做5m/s的高速运动；同步带滑台可以竖直安装，也可以通过减压罐内部安装的变角度板来实现带一定倾角地安装，满足实验工况对发射角度的要求；同步带滑台操作简便，设有控制箱，控制箱上设有触屏操作面板，可以手动输入参数，并且可以进行编程来满足不同的需运动需求，这一系列优点是其他运动机构所不具备的。

所述的数据采集系统：采用电压220v额定功率为2kw的2盏黄头灯作为连续光源，经过前期实验调试发现，单独在左右两侧进行打光无法使视野达到足够的亮度，单独在背面进行打光则无法观察通气空泡侧面的发展变化过程，于是采用在背面和右侧同时打光的方法，此外，还需在拍摄面的观察窗上贴上毛玻璃贴纸，使光线均匀分布在观察窗上，以达到最好的拍摄效果。

具体实施例2

1.一种减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置，其特征在于：

(1)减压罐，如附图2所示

该减压罐主体由上到下依次由顶部封头2、封头凸法兰3、封头凹法兰5、圆柱壳体6、底部封头20和圆台形底座22构成。

椭圆顶部封头2外部最顶端焊接有一个起吊环1，下端与封头凸法兰3焊接在一起，封头凸法兰3和封头凹法兰5之间有一个O型密封圈4，并通过螺栓螺母连接，封头凹法兰5与圆柱壳体6焊接在一起保证了减压罐密封性和可拆卸性。

圆柱壳体6上部开设有一个抽气口8用于连接真空泵来抽气、一个精密真空表9用来监测减压罐内空气压力、走线底座7用来布置同步带滑台的线缆。圆柱壳体6中部开设有三个玻璃观察窗，三面视镜10，11，12均为透光性优良的钢化玻璃窗，其中10和11为长观察视镜，12为短观察视镜，可以用来打光和拍摄，三个观察窗法兰均由法兰盖13，法兰座16以及密封垫片14和15组成，其中14在观察视镜外侧，材质为硬质的石棉橡胶，15在观察视镜内侧，材质为丁晴橡胶，法兰座16焊接在圆柱壳体6上，法兰盖13与法兰座16之间用螺栓来连接，保证了减压罐体的水密性，气密性以及观察要求。玻璃观察窗的尺度选取以满足拍摄要求为准，必须能够将所要拍摄的实验现象全部包括进去。圆柱壳体6下部开设有三个进气口结构17，18，19，这样可以往内连接模型，向外连接通气系统的控制柜，使得通气系统提供的气体进入减压罐内。圆柱壳体6底面与底部封头20进行焊接。

底部封头20的外侧最底部开设有一个排水口21，通过它可以实现上水和排水，排水口21上有三片式球阀来控制开关，保证了底部的水密性和气密性。底部封头20与圆台形底座22焊接在一起，圆台形底座22上开设有8个减轻孔23和1个排水管出口24。

(2)运动系统

针对实验要求所需的条件，综合各方面的指标，选用了同步带滑台来实现目的。

速度要求：根据负载重量、运动速度以及水下运动的阻力，运用流体力学知识估算出所需的动力大小，选用了有着2kw功率电机的同步带滑台，可以满足负载为5kg时达到5m/s的速度；

行程要求：根据实验工况的要求，可以定做不同导轨长度的同步带滑台；

精度要求：同步带滑台有着高精度的金属导轨，加工精度满足实验要求；

安装要求：同步带滑台上面可以根据安装尺寸的需要进行攻螺纹，可以竖直安装，在上部和下部进行必要的固定之后，能够保证稳固可靠，配合上合适的变角度板，可以实现带一定倾角的安装；

防腐性要求：同步带滑台的金属导轨上附着有金属涂层，耐磨性好，防腐性能优良，主体结构为铝合金制成，里面的滑块以及钢珠均为不锈钢制成，滑台的整体抗腐蚀性良好，满足在水下长时间使用的要求；

操作性能要求：同步带滑台外置有一个控制箱，通过数控编程来实现不同的运动需求，控制箱上设有一个触屏操作界面，可以手动输入所需的运动参数，操作简便；

其他要求：可重复性强，体积较小，造价较低。

综合上述的各种优点，选用同步带滑台是一个很理想的方案，同步带滑台25安装在减压罐内部的圆柱壳体6上，同步带滑台25上部有两个耳板26焊接在圆柱壳体6上，一块支撑板27与耳板26通过螺栓固定，二块变角度板28焊接在支撑板27上，同步带滑台25与变角度板28通过螺栓来固定，同步带滑台25下部与一个L型支架29通过螺栓连接，L型支架29与铰链结构30焊接在一起，铰链结构30与铰链下部支撑板31焊接在一起，铰链下部支撑板31最后焊接在圆柱壳体6上，这样就保证了同步带滑台25的稳固安装。同步带滑台25的安装示意图见附图5所示。

(3)通气系统

根据实验工况所需的各项要求，本实验的通气流量的调节范围为0～10L/min，通气压力的可调节范围为0.1～0.7Mpa。这套通气系统满足以下实验工况要求：

①通气压力和流量可调控并且可以精确测量。选用了调压阀来实现对通气压力的精确调控，在通气管路中选用了压力表来实现对通气压力的精确测量。选用了玻璃转子流量计来实现对通气流量的精确调控，选用了气体质量流量计来实现对通气流量的精确测量。

②通气过程稳定可靠，能够分多路单独通气。从空气压缩机里面直接出来的气体流速较快，不够稳定，因此选用了一个体积较大的储气罐来起到缓冲的作用，从储气罐中出来的气体较平缓。通气系统的所有管路均采用不锈钢细管和不锈钢气动接头来制成，保证了通气管路的气密性和结构的稳定性。通气系统从调压阀之后便通过气动接头给均等地分成了三路，每个通道中均有对应的阀门来控制，实现了分多路来单独通气的目的。

③数控编程控制。每个通道中均选用了电磁阀来控制气路的开启与闭合，电磁阀的默认状态是闭合状态，能够承受很高的压力不漏气，气密性良好，将电磁阀与同步带滑台控制箱里面的继电器相连，并且根据实验工况要求进行编程，可以在同步带滑台控制箱的触屏面板上手动控制电磁阀的开启，使得同步带滑台的运动与通气过程同时开启。

基于以上的优点，设计出了这套通气系统，示意图见附图6所示。

(4)实验辅助系统包括升降装置和真空动力装置。

升降装置：本实验采用改装型液压升降机作为减压罐的升降装置，用来起吊顶部封头，该升降机最大起重重量为2吨，放置在减压罐背侧，升降机前端改装成带有挂钩的倒挂式悬臂梁结构，结合顶部封头上的起吊环，可以很方便地起吊顶部封头。

真空动力装置：本实验采用双极旋片式真空泵作为真空动力装置，工作电压为380V，抽气速率15L/s，使得减压罐内真空度可调节的范围为-0.1Mpa～0Mpa。

(5)信息采集系统

本实验的信息采集系统由Phantom V12.1高速摄像机和配套分析软件Phantom675.2组成，该高速摄像机可以录制最大分辨率为1280×800的高清视频影像，最大拍摄速度为1000000帧/秒，最小曝光时间1微妙或300纳秒，黑白超高灵敏度6400/1600ISO。高速摄影系统由主机、控制计算机、同步器等部件组成，采用高感光灵敏度和高分辨率传感器技术是其主要的技术特征。

2.一种减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验方法，其特征在于，包含以下步骤：

针对权利要求书中所述的实验方法，图7所示对该实验方法进行了进一步的说明。

(1)实验设备布置工作：将减压系统、通气系统、运动系统、信息采集系统以及其他实验辅助设备按照附图1所示布置好；

(2)提供减压环境：将实验模型安装好并封上减压罐，确保减压罐的气密性，利用真空动力装置将减压罐内空气抽出，直到压力满足实验工况要求的真空度为止；

(3)各个子系统的预热工作：将通气系统进行提前预热，将运动系统进行归零设置，并将灯源和高速摄像机准备好，调节高速摄像机的各个拍摄参数，将拍摄效果调整至最佳状态；

(4)实验前的标定工作：根据实验工况要求下模型不同的运动速度，用高速摄像机来标定同步带滑台的电机转速并记录下来，并将通气系统的延迟时间标定好；

(5)参数设置工作：根据上一步中标定好的结果来设置运动系统控制面板上的各个运动参数以及通气系统的各个通气参数；

(6)开始实验：同步击发运动系统和通气系统，并通过信息采集系统捕捉到通气空泡产生、发展、融合以及溃灭的全过程；

(7)实验冷却过程：在进行下一次实验前需要保证减压罐内水体以及气泡恢复到平稳状态，以免影响下一次实验的拍摄效果；

(8)改变实验工况继续实验：根据实验工况的要求，重复进行(5)～(8)步，直至所有实验工况都进行完毕；

(9)实验数据分析工作：通过Phantom675.2分析软件，可以对影像中通气空泡尺寸、均匀度、融合过程实验数据进行分析。

具体实施例3

本发明提供了一种减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置，其各个实验系统的作用如图8所示。

减压罐材质和尺寸的确定方法是：利用Blake准则结合数值模拟的方法得出边界对通气空泡的影响范围，从而确定减压罐罐的尺寸，最后利用结构力学的相关理论结合数值模拟的方法，并参考GB150固定式压力罐国家标准，得到减压罐罐体及观察视镜的厚度。

减压罐气密性良好实现方法是：在顶部封头凹凸法兰之间用一周24个螺栓来进行紧固，凹凸法兰接触面上开设有O型圈槽，放置一个丁晴橡胶O型圈，通过螺栓的挤压使O型圈变形并充满整个O型圈槽，保证凹凸法兰接触处的气密性。在观察窗与法兰盖和法兰座的接触面上安放了丁晴橡胶的密封垫，通过螺栓的紧固来确保气密性。在抽气口和排水口处都安放有三片式球阀，此球阀的水密性和气密性有十分优良，经测试完全满足实验所需的气密性和水密性要求。进气口处的气密性是通过穿板卡接将不锈钢细管卡紧来实现的，在其与通气系统控制箱的接触处有截止阀来确保其气密性。以上措施使得在实验过程中减压罐内部压力维持稳定的状态。

模型在水下作高速运动的实现方法是：采用了同步带滑台来实现这一目标，滑台电机功率需根据流体力学知识估算出所需的动力大小来选取。同步带滑台安装在罐体内壁上，将模型固定在滑台的滑块上，滑台的控制箱放置在罐体外，供电线缆和信号控制线缆通过穿板航空插头从减压管内传出连接到控制箱上，操作控制箱即可带动模型做直线运动。

人工通气的实现方法是：通过自行设计加工的一套通气系统来实现，通气系统的结构图如图4所示，主要包括空气压缩机、稳压罐，流量和压力的测量与控制部件。这套通气系统可以实现通气流量和压力的精确调控，便于形成稳定的空泡，通气流量和通气压力的范围根据所选用的气体质量流量计和调压阀的能力来决定。通过使用继电器和电磁阀，并进行编程，使得通气能够与运动机构同步开启，两者基本没有时间差，而且充气过程稳定，能够分多路分别供气。

本发明的基本设计思路和原理如下：根据真实水下发射过程和实验模型的相似比例关系可以确定实验所需减压罐内环境压力范围、模型运动行程、模型运动速度、减压罐内水深和通气流量范围，再结构力学的相关理论结合数值模拟的方法以及GB150固定式压力罐国家标准，从而确定运动机构的尺度，减压罐的主体尺度，观察窗的大小和厚度，减压环境的制造方法，通气系统的设计流程等。

此套实验装置实现了在减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验的目的，克服了空泡水洞实验中的重力影响、常压水箱实验中的空泡数不相似问题、真实水下发射实验中的造价昂贵且无法重复多次开展的问题。发明了一整套实验装置与方法，填补了国内在该减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流流动实验装置的空白，并且在运动机构的选取、供气方式的设计、压力罐尺寸设计、观察窗口及光源窗口大小的选择等多个方面做出了创新。在通气空泡实验领域具有不可替代的作用。

一种减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)将实验所用模型安装在同步带滑台上，盖上顶部封头，确保减压罐的气密性。按照工况水深将减压罐内注入自来水，上水结束后将真空泵的抽气接头接在减压罐的抽气口上，开启真空泵，抽出减压罐内的空气，并同步观察真空表的示数，直到减压罐内压力降低到实验工况压力为止，然后关闭抽气口处的三片式球阀，再关闭真空泵；

(2)按照图1所示摆放各个实验仪器，同时使用2盏电压220v额定功率为2KW的黄头灯，在右侧面和背面进行打光，将高速摄像机放在合适的距离正对着要拍摄的物体，并尽量减少相机的俯仰角；

(3)打开黄头灯，开启同步带滑台，将模型移动到合适高度并开启高速摄像机，调节相机的各个拍摄参数，微调相机的摆放位置，使拍摄效果达到最佳状态；

(4)根据实验工况要求下模型不同的运动速度，用高速摄像机来标定同步带滑台的电机转速并记录下来；

(5)开启空压机，使其压力增加到合适数值，并进行通气系统的预热工作；

(6)利用高速摄像机来标定三个电磁阀的延迟时间，使得模型开始运动的时刻和模型表面出气时刻保持一致；

(7)在同步带滑台控制柜的显示面屏上输入之前标定好的电机转速以及延迟时间；

(8)击发同步带滑台运动信号，模型会立即在同步带滑台的带动下做直线运动，并且伴随着模型运动，表面会产生通气空泡，此时高速摄像机捕捉到通气空泡产生、发展、融合以及溃灭的全过程；

(9)根据实验工况要求，重复(7)和(8)两步，直至所有实验工况都完成；

(10)实验数据分析处理，通过Phantom675.2分析软件，可以对影像中通气空泡尺寸、均匀度、融合过程实验数据进行分析。

至此，减压环境下高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验全部结束。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置，其特征在于，由减压系统、通气系统、运动系统和数据采集系统这四大部分组成；放置在中央的是减压罐，减压罐内部放置一个同步带滑台，减压罐右侧和后侧0.5米处各放置一盏黄头灯，减压罐右侧1米处放置一台真空泵，真空泵与减压管通过透明气管连接，减压罐前面1米处放置一台高速摄像机，高速摄像机右侧1米处放置一台与其连接记录数据的笔记本电脑，减压罐后侧1.5米处放置一台起吊机，起吊机左侧0.5米处放置的是同步带滑台的控制柜，该控制柜通过电线和航空插头与减压罐内的同步带滑台连接，同步带滑台控制柜左侧0.5米处放置一台空压机，空压机前方0.5米处通过气管连接一个储气罐，储气罐前方0.5米处通过气管连接的是通气系统控制柜，通气系统控制柜通过气管连接在减压罐上。

2.根据权利要求1所述的高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置，其特征在于，所述减压系统主要由减压罐和真空泵组成，减压罐要求能够满足强度要求、使用要求和观察要求；所述强度要求为，减压罐的主体材料为锅炉专用钢材，观察窗口及光源窗口的玻璃材料选用的是钢化玻璃，透光度优良，主体与上、下端口的连接处都采取圆弧过渡的方式；上下封头包括中间圆柱壳的钢板厚度是基于极限载荷法，采用塑性条件和无力矩理论，通过结构力学强度分析方法，引入一定的安全系数，并考虑到腐蚀、负偏差和加工工艺的总附加量以及焊缝强度系数来进行强度校核，结果表明减压罐的强度满足强度要求；强度校核具体计算公式见GB150中的规定所示；所述使用要求为：减压罐的总高度＝起吊环高度+顶部封头高度+圆柱壳长度+底部封头高度+底座高度，圆柱壳长度的选取则需满足至少将运动机构能够装配进去，圆柱壳内径的选取则必须考虑壁面效应对通气空泡的影响，不能太小；减压罐采用的是Q345B的锅炉专用钢，这就保证了在高真空环境下整个罐体的结构强度，满足了高真空度这一实验要求；减压罐的外部由上至下来看主要有顶部封头、圆柱壳、底部封头和支撑底座；顶部封头和圆柱壳上均焊接上了一个法兰盘，上下法兰之间用螺栓来连接，法兰面上有一个环形凹槽，凹槽里面放置有丁晴橡胶材质的O型圈，通过螺栓之间的紧固力来压紧O型圈，满足减压罐在减压环境下的气密性；顶部封头上焊接上了一个起吊环，这样利于顶部封头的拆卸；圆柱壳上开设有2个长观察窗和1个短观察窗、一个抽气口、3个走线口、1个精密真空表接口以及3个进气口；底部封头的底端开设了1个进水口，也可作为排水口来使用；减压罐内部主要安装上了运动机构的紧固件，将运动机构竖直地安装在圆柱壳内壁上，同时实现带一定倾角地安装，满足实验不同工况的要求；罐体内壁上做了喷砂、防腐处理；所述观察要求为，减压罐上开设三个长圆孔，即三个玻璃观察窗，详见附图3，前后视镜以及罐体右侧视镜都是竖直放置，均为钢化玻璃制成，用来打光和拍摄实验现象，所有观察窗口都做凹槽过渡。

3.根据权利要求1所述的高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置，其特征在于，所述通气系统主要包括空气压缩机、稳压罐，流量和压力的测量与控制部件；实现通气流量和压力的精确调控，便于形成稳定的空泡，通气流量和通气压力的范围根据所选用的气体质量流量计和调压阀的能力来决定；通过使用继电器和电磁阀，并进行编程，使得通气能够与运动机构同步开启，两者基本没有时间差；充气过程稳定，能够分多路分别供气。

4.根据权利要求1所述的高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置，其特征在于，所述运动系统采用了同步带滑台来实现这一目标同步带滑台安装在罐体内壁上，将模型固定在滑台的滑块上，浸泡在水中的部分均做了防锈处理，以保证长时间浸泡在水里使用，同步带滑台竖直安装，或通过减压罐内部安装的变角度板来实现带一定倾角地安装，满足实验工况对发射角度的要求；同步带滑台操作简便，设有控制箱，滑台的控制箱放置在罐体外，供电线缆和信号控制线缆通过穿板航空插头从减压管内传出连接到控制箱上，控制箱上设有触屏操作面板，手动输入参数，并且进行编程来满足不同的需运动需求。

5.根据权利要求1所述的高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验装置，其特征在于，所述数据采集系统采用电压220v额定功率为2kw的2盏黄头灯作为连续光源，1台高速摄像机和1台用于存储图像的计算机组成；采用在背面和右侧同时打光的方法，拍摄面的观察窗上贴上毛玻璃贴纸，以达到最好的拍摄效果；通过数据线及摄像软件实现摄像机与控制电脑之间的连接，并可同步完成数据传输、存储等，软件可同时实现对图像中气泡长度和角度的测量；为了达到理想的实验拍摄效果，选用的高速摄像机拍摄参数应不低于本实验所选用的高速摄像机参数。

6.高速出水航行体通气空泡多相流特性测量实验方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一：实验设备布置工作：将减压系统、通气系统、运动系统、信息采集系统以及其他实验辅助设备按照要求布置好；

步骤二：提供减压环境：将实验模型安装好并封上减压罐，确保减压罐的气密性，利用真空动力装置将减压罐内空气抽出，直到压力满足实验工况要求的真空度为止；

步骤三：各个子系统的预热工作：将通气系统进行提前预热，将运动系统进行归零设置，并将灯源和高速摄像机准备好，调节高速摄像机的各个拍摄参数，将拍摄效果调整至最佳状态；

步骤四：实验前的标定工作：根据实验工况要求下模型不同的运动速度，用高速摄像机来标定同步带滑台的电机转速并记录下来，并将通气系统的延迟时间标定好；

步骤五：参数设置工作：根据上一步中标定好的结果来设置运动系统控制面板上的各个运动参数以及通气系统的各个通气参数；

步骤六：开始实验：同步击发运动系统和通气系统，并通过信息采集系统捕捉到通气空泡产生、发展、融合以及溃灭的全过程；

步骤七：实验冷却过程：在进行下一次实验前需要保证减压罐内水体以及气泡恢复到平稳状态，以免影响下一次实验的拍摄效果；

步骤八：改变实验工况继续实验：根据实验工况的要求，重复进行步骤五至步骤八，直至所有实验工况都进行完毕；

步骤九：实验数据分析工作：通过分析软件对影像中通气空泡尺寸、均匀度、融合过程实验数据进行分析。