CN109696295A - 一种六自由度运动条件下气泡动力学特性研究装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置及方法，该装置主要包括六自由度运动模拟平台、连续注气系统、透明试验段、高速摄像系统及远程计算机；连续注气系统包括高精度直线模组、流向控制管路、注射器及毛细管接头，该系统可实现气体连续、稳定注射，并可以精确测量气体注入流量，通过调节毛细管接头尺寸，可以控制注入气泡直径；高速摄像仪固定于试验段前侧伺服模组相机架上，可实现相机位置远程自动调节，在试验段后部放置LED面板光源，面板上贴有半透明坐标纸，可用于拍摄图像尺寸标定；连续注气系统、试验段及高速摄像系统均放置于六自由度运动模拟平台上，平台可实现沿三个坐标轴的平移及转动六个自由度的模拟运动。本发明为研究复杂海洋条件下气泡运动特性提供了有效途径。

Description

一种六自由度运动条件下气泡动力学特性研究装置及方法
技术领域
本发明属于多相流体动力学特性试验研究领域，具体涉及一种六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置及方法。
背景技术
海洋核动力平台是小型核反应堆与船舶工程的有机结合，可为偏远岛屿提供安全、高效的能源供给，也可用于海洋石油开采、大功率船舶及海水淡化领域的供能，对中国开发利用新能源和海洋能源开发具有重大意义。核态沸腾是海洋核动力系统中常见的物理现象，在沸腾过程中，气泡动力学特性会对流动、传热过程产生极大的影响。尤其是在海洋条件下，核动力平台受海洋中风浪作用，会发生升潜、倾斜、摇摆等六个自由度运动，受海洋附加作用力影响，核动力系统会受到强烈的非线性扰动，气泡动力学特性与静止条件相比会发生显著变化，导致系统流动传热特性发生变化，甚至会引发沸腾危机提前。因此，开展海洋条件下气泡动力学研究对海洋核动力平台的安全运行具有重要意义。
目前国内外已开展了很多气泡动力学特性研究，但研究多是针对于静止状态下开展的；并且少数在运动条件下开展的试验也存在着运动条件单一、试验控制精度较低的问题。
例如，中国专利申请号201810135432.1，公开了一种两相上升流体流动显示实验方法及实验装置。该方法采用双通道套管注射针在气泡内形成烟线显示流场，并采用高速摄像结合PIV的方法对气泡行为及流体流动行为进行研究。该实验是基于静止条件下开展的，并且实验采用蠕动泵进行气体注射，不可避免的会出现流量脉动。Liu等人开展了气泡运动特性的可视化研究，但也仅是针对于静止条件开展的，难以分析运动对气泡运动特性的影响。
也有学者开展了运动条件下气泡运动特性研究。例如，付学宽开展的横荡条件下气泡行为研究，但实验仅在单自由度下开展，并且实验采用气泵注射空气，在较小流量下，气体流量会存在波动，难以精确控制。中国专利申请号201610533661.X，公开了一种运动条件下气泡动力学可视化研究装置，该发明可开展运动条件下自然循环及强迫循环流动沸腾过程气泡行为研究，由于沸腾过程的复杂性，气泡间会发生复杂的相互作用，该方法难以对单气泡在大空间的运动机理进行深入分析。
发明说明
为了解决上述现有技术存在的缺点，本发明建立了一套六自由度运动条件下，气泡动力学特性研究的可视化实验装置及方法，该装置主要包括六自由度运动模拟平台、连续注气系统、透明试验段、高速摄像系统及信号处理采集系统，可用于研究试验段发生六自由度运动时内部气泡的行为特性及运动机理。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置，包括六自由度运动模拟平台1，由高精度直线模组2、注射器3、流向控制管路4和毛细管接头7组成的连续注气系统，透明试验段5，由高速摄像仪8和伺服模组相机架9组成的高速摄像系统及远程计算机10；在连续注气系统中，两注射器3以相对的方向将柱塞杆末端固定于高精度直线模组2中心滑块两侧；注射器3出口与流向控制管路4注射器接管连接，流向控制管路4出口端通过硅胶管连接毛细管接头7末端；毛细管接头7通过螺纹连接到透明试验段5底部，该连续注气系统能够实现气体连续稳定的注射；高速摄像仪8固定于伺服模组相机架9上，放置于透明试验段5的一侧，用于拍摄气泡的运动行为；在透明试验段5另一侧放置一LED面板光源6，以满足拍摄过程中的采光要求；高精度直线模组2、透明试验段5、伺服模组相机架9均固定于六自由度运动模拟平台1上，随六自由度运动模拟平台1一起运动。
所述连续注射系统中高精度直线模组2包括直线导轨2-1、高精度伺服电机2-2、固定支架2-3和中心滑块2-4，两个注射器3相对放置，通过固定支架2-3固定于直线导轨2-1上，注射器柱塞杆末端固定于中心滑块2-4两侧，在设置在直线导轨2-1上的高精度伺服电机2-2控制下，两个注射器3连续交替进行吸排气过程；注射器3出口连接硅胶管4-1，随后管路被分成两路，一路经正向安装单向阀4-3到达出气口，另一路经反向安装单向阀4-2到达进气口；当注射器3排气时，气体经正向安装单向阀4-3和排气口排出，此时反向安装单向阀4-2起到密封作用；反之当注射器3吸气时，气体经吸气口及反向安装单向阀4-2进入，而正向安装单向阀4-3起到密封作用；通过两注射器3交替吸排气，实现气体连续的从进气口吸入并从出气口排出。
所述毛细管接头7包括一体化结构的铝制外壳7-1，内部有一通孔，铝制外壳7-1顶部带有外螺纹，中间为凸台结构，底部为宝塔型接头，不锈钢毛细管7-2由通孔穿过，采用环氧树脂AB胶7-3进行固定和密封。
所述透明试验段5固定于六自由度运动模拟平台1中心点处，采用有机玻璃加工而成，在底部中心位置开有螺纹孔，螺纹参数与毛细管接头7外螺纹一致，透明试验段5前侧固定有不锈钢直尺，用以确定透明试验段内水位，透明试验段底部侧面设有排水阀13，透明试验段5的顶部盖板11上设置注水阀12，用于注水及调节试验压力，顶部盖板11可拆卸，便于容器内部清洗。
所述高速摄像仪8与LED面板光源6分置于透明试验段5两侧；LED面板光源6表面贴有半透明坐标纸，用于气泡尺寸的标定；高速摄像仪8通过螺纹连接固定于伺服模组相机架9上，能够实现X、Y、Z三个方向位置调整。
所述伺服模组相机架9包括直线导轨9-2，设置在直线导轨9-2上的相机托盘9-1以及与直线导轨9-2连接的伺服电机9-3，相机托盘9-1能够沿直线导轨9-2作X、Y、Z三个自由度运动。
所述高精度直线模组2、高速摄像仪8、伺服模组相机架9、六自由度运动模拟平台1均通过局域网与远程计算机10连接，实现远程工况调节及数据采集。
所述试验系统对应的试验方法，在开展六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验时，首先选取某一尺寸毛细管接头7连接到透明试验段5底部，开启透明试验段5顶部的注水阀12，按照试验工况要求注入一定高度的去离子水；开启LED面板光源6及高速摄像仪8，并设定高速摄像仪8的拍摄参数；开启六自由度运动模拟平台1，设定六自由度运动模拟平台的运动形式及运动参数；调节高精度直线模组2，使空气以一定的流速连续、稳定地从注射器排出；气体经不锈钢毛细管7-2进入透明试验段5，在表面张力作用下，会形成球形气泡并在不锈钢毛细管7-2内表面不断生长；待气泡生长到一定尺寸，会从不锈钢毛细管7-2内表面脱离，在透明试验段5内作上升运动；在此试验过程中，采用高速摄像系统拍摄气泡产生、脱离及运动行为特性；试验结束后，关闭高速摄像仪8及高精度直线模组2，并使六自由运动模拟平台1恢复初始位置。
和现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1、试验装置整体可实现沿三个坐标轴平移及转动六个自由度运动，准确模拟典型的海洋条件，可开展六自由度运动条件下气泡动力学特性研究；
2、试验采用高精度直线模组、注射器结合流向控制管路进行注气，可实现连续、稳定、不间断的注射气体，控制精度高，并且通过注射器刻度可对注入气体流量进行精确测量；
3、高速摄像仪与透明试验段均固定于运动平台，实验中两者之间保持相对静止，可有效避免相对位置变化时由于折射率变化引起的测量误差，提高了测量精度；
4、毛细管接头与透明试验段采用螺纹连接，更换方便，毛细管与接头外壳采用环氧树脂AB胶固定和密封，加工简单，密封性好；
5、通过数据线及局域网连接，可实现摄像仪位置、注射泵参数及运动平台参数的远程调节与监控，试验操作安全、简洁。
附件说明
图1为本发明试验装置整体结构示意图。
图2为气体连续注射系统原理图。
图3为毛细管接头截面图。
图4为伺服模组相机架结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：
如图1所示，本发明为一种六自由度运动条件下气泡特性研究实验装置，包括六自由度运动平台1、高精度直线模组2、注射器3、流向控制管路4、透明试验段5、LED平板灯6、毛细管接头7、高速摄像仪8、伺服模组相机架9、计算机10、盖板11、注水阀12、排液阀13。
两注射器3以相对的方向将柱塞杆末端固定于直线模组2中心滑块两侧，中心滑块左右运动时，两注射器分别处于抽气、排气状态，注射器3出口与流向控制管路4注射器接管连接，流向控制管路4出气端通过硅胶管连接毛细管接头7末端，毛细管接头7通过螺纹连接到透明试验段5底部，该连续注气系统可实现气体连续稳定的注射；高速摄像仪8固定于伺服模组相机架9上，放置于透明试验段5的一侧，用于拍摄气泡的运动行为；在透明试验段5另一侧放置一LED面板光源6，以满足拍摄过程中的采光要求。高精度直线模组2、透明试验段5、伺服模组相机架9均固定于六自由度运动模拟平台1上，随六自由度运动模拟平台1一起运动。
作为本发明的优选实施方式，所述连续注射系统如图2所示，两个注射器3相对放置，通过固定支架2-3固定于直线导轨2-1上，注射器柱塞杆末端固定于中心滑块2-4两侧，在高精度伺服电机2-2控制下，两注射器可连续交替进行吸排气过程。注射器3出口连接硅胶管4-1，随后管路被分成两路，一路经正向安装单向阀4-3到达出气口，另一路经反向安装单向阀4-2到达进气口；当注射器3排气时，气体经正向安装单向阀4-3和排气口排出，此时反向安装单向阀4-2起到密封作用；反之当注射器3吸气时，气体经吸气口及反向安装单向阀4-2进入，而正向安装单向阀4-3起到密封作用。通过两注射器3交替吸排气，可以实现气体连续的从进气口吸入并从出气口排出。
作为本发明的优选实施方式，所述毛细管接头7内部结构如图3所示。铝制外壳7-1为一体化结构，采用车床加工，中心钻有细孔，在外壳上部，加工有外螺纹，中间为凸台结构，底部为宝塔型接头；不锈钢毛细管7-2由通孔穿过，采用环氧树脂AB胶7-3进行固定和密封。
所述透明试验段5采用有机玻璃加工而成，为全透明结构，在底部中心位置开有螺纹孔，螺纹参数与毛细管接头7外螺纹一致，透明试验段5前侧固定有不锈钢直尺，用以确定试验段内水位，透明试验段5底部侧面设有排水阀13，透明试验段5的顶部盖板11设置注水阀12，用于注水及调节试验压力，顶部盖板11可拆卸，便于容器内部清洗。
作为本发明的优选实施方式，高速摄像仪8与LED面板光源6分置于透明试验段5两侧；LED面板光源6表面贴有半透明坐标纸，用于气泡尺寸的标定；高速摄像仪8通过螺纹连接固定于伺服模组相机架9上，可实现X、Y、Z三个方向位置调整。伺服模组相机架9如图4所示，由相机托盘9-1、直线导轨9-2和伺服电机9-3组成，相机托盘9-1可沿直线导轨9-2作X、Y、Z三个自由度运动。
作为本发明的优选实施方式，所述六自由度运动平台1为标准Stewart结构形式，采用伺服电动缸驱动，可实现沿三个坐标轴的平移及转动六个自由度的运动。
所述高精度直线模组2、高速摄像仪8、伺服模组相机架9、六自由度运动模拟平台1均通过局域网与远程计算机10连接，可以实现远程工况调节及数据采集。
本发明装置的实验方法为：首先选取某一尺寸毛细管接头7连接到透明试验段5底部，开启透明试验段5顶部的注水阀12，按照试验工况要求注入一定高度的去离子水；开启LED面板光源6及高速摄像仪8，设定高速摄像仪8的拍摄参数；开启六自由度运动平台1，设定平台的运动形式及运动参数；调节高精度直线模组2，使空气以一定的流速连续、稳定地从注射器排出；气体经不锈钢毛细管7-2进入透明试验段5，在表面张力作用下，会形成球形气泡并在不锈钢毛细管7-2内表面不断生长；待气泡生长到一定尺寸，会从不锈钢毛细管7-2内表面脱离，在透明试验段5内作上升运动；在此试验过程中，采用高速相机拍摄气泡产生、脱离及运动行为特性。试验结束后，关闭高速摄像仪8及高精度直线模组2，并使六自由运动模拟平台1恢复初始位置。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置，其特征在于：包括六自由度运动模拟平台(1)，由高精度直线模组(2)、注射器(3)、流向控制管路(4)和毛细管接头(7)组成的连续注气系统，透明试验段(5)，由高速摄像仪(8)和伺服模组相机架(9)组成的高速摄像系统及远程计算机(10)；在连续注气系统中，两注射器(3)以相对的方向将柱塞杆末端固定于高精度直线模组(2)中心滑块两侧；注射器(3)出口与流向控制管路(4)注射器接管连接，流向控制管路(4)出口端通过硅胶管连接毛细管接头(7)末端；毛细管接头(7)通过螺纹连接到透明试验段(5)底部，该连续注气系统能够实现气体连续稳定的注射；高速摄像仪(8)固定于伺服模组相机架(9)上，放置于透明试验段(5)的一侧，用于拍摄气泡的运动行为；在透明试验段(5)另一侧放置一LED面板光源(6)，以满足拍摄过程中的采光要求；高精度直线模组(2)、透明试验段(5)、伺服模组相机架(9)均固定于六自由度运动模拟平台(1)上，随六自由度运动模拟平台(1)一起运动。
2.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验系统，其特征在于：所述连续注射系统中高精度直线模组(2)包括直线导轨(2-1)、高精度伺服电机(2-2)、固定支架(2-3)和中心滑块(2-4)，两个注射器(3)相对放置，通过固定支架(2-3)固定于直线导轨(2-1)上，注射器柱塞杆末端固定于中心滑块(2-4)两侧，在设置在直线导轨(2-1)上的高精度伺服电机(2-2)控制下，两个注射器(3)连续交替进行吸排气过程；注射器(3)出口连接硅胶管(4-1)，随后管路被分成两路，一路经正向安装单向阀(4-3)到达出气口，另一路经反向安装单向阀(4-2)到达进气口；当注射器(3)排气时，气体经正向安装单向阀(4-3)和排气口排出，此时反向安装单向阀(4-2)起到密封作用；反之当注射器(3)吸气时，气体经吸气口及反向安装单向阀(4-2)进入，而正向安装单向阀(4-3)起到密封作用；通过两注射器(3)交替吸排气，实现气体连续的从进气口吸入并从出气口排出。
3.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验系统，其特征在于：所述毛细管接头(7)包括一体化结构的铝制外壳(7-1)，内部有一通孔，铝制外壳(7-1)顶部带有外螺纹，中间为凸台结构，底部为宝塔型接头，不锈钢毛细管(7-2)由通孔穿过，采用环氧树脂AB胶(7-3)进行固定和密封。
4.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验系统，其特征在于：所述透明试验段(5)固定于六自由度运动模拟平台(1)中心点处，采用有机玻璃加工而成，在底部中心位置开有螺纹孔，螺纹参数与毛细管接头(7)外螺纹一致，透明试验段(5)前侧固定有不锈钢直尺，用以确定透明试验段内水位，透明试验段底部侧面设有排水阀(13)，透明试验段(5)的顶部盖板(11)上设置注水阀(12)，用于注水及调节试验压力，顶部盖板(11)可拆卸，便于容器内部清洗。
5.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验系统，其特征在于：所述高速摄像仪(8)与LED面板光源(6)分置于透明试验段(5)两侧；LED面板光源(6)表面贴有半透明坐标纸，用于气泡尺寸的标定；高速摄像仪(8)通过螺纹连接固定于伺服模组相机架(9)上，能够实现X、Y、Z三个方向位置调整。
6.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验系统，其特征在于：所述伺服模组相机架(9)包括直线导轨(9-2)，设置在直线导轨(9-2)上的相机托盘(9-1)以及与直线导轨(9-2)连接的伺服电机(9-3)，相机托盘(9-1)能够沿直线导轨(9-2)作X、Y、Z三个自由度运动。
7.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验系统，其特征在于：所述高精度直线模组(2)、高速摄像仪(8)、伺服模组相机架(9)、六自由度运动模拟平台(1)均通过局域网与远程计算机(10)连接，实现远程工况调节及数据采集。
8.权利要求1至7任一项所述试验系统对应的试验方法，其特征在于：在开展六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验时，首先选取某一尺寸毛细管接头(7)连接到透明试验段(5)底部，开启透明试验段(5)顶部的注水阀(12)，按照试验工况要求注入一定高度的去离子水；开启LED面板光源(6)及高速摄像仪(8)，并设定高速摄像仪(8)的拍摄参数；开启六自由度运动模拟平台(1)，设定六自由度运动模拟平台的运动形式及运动参数；调节高精度直线模组(2)，使空气以一定的流速连续、稳定地从注射器排出；气体经不锈钢毛细管(7-2)进入透明试验段(5)，在表面张力作用下，会形成球形气泡并在不锈钢毛细管(7-2)内表面不断生长；待气泡生长到一定尺寸，会从不锈钢毛细管(7-2)内表面脱离，在透明试验段(5)内作上升运动；在此试验过程中，采用高速摄像系统拍摄气泡产生、脱离及运动行为特性；试验结束后，关闭高速摄像仪(8)及高精度直线模组(2)，并使六自由运动模拟平台(1)恢复初始位置。
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