CN109946298A - 一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶与海洋工程实验领域，主要应用于高压气体载荷破冰的流固耦合实验研究，具体涉及一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置。本发明克服了以往水下高压气源实验方法设备的不足，实现了水下高压气源在压力和气量可调下的快速释放，同时可以产生预定形状的水下高压气泡。本发明对于水下高压气泡破冰过程的实验数据可以进行记录和处理，可以对于气泡的形态变化和冰面的破损过程进行同步分析。本发明构造简单，可重复性高，具有良好的实用性；操作安全方便，对场地要求也很低，适合开展水池实验，具有广泛的适用性。

Description

一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程实验领域，主要应用于高压气体载荷破冰的流固耦合实验研究，具体涉及一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置。

背景技术

随着北极航道以及极地资源开发的升温，对新型破冰技术的需求不断增加。传统的破冰方式，无外乎依仗其坚固的船体结构，强大的推进能力，以冲水系统和快速侧倾系统为辅助，通过与冰层的直接接触，依靠动力与自重野蛮地碾压冰块。高压气体破冰则有着根本性的革新，该机构在工作时先将空气尽可能的压缩，而后将高压空气发射到冰下，高压空气在水下迅速膨胀并释放能量，引发爆炸产生冲击波和空泡射流，对冰结构造成持续的破坏。高压气体破冰技术是一种高效优越的破冰方式，不但能提高航运的经济性，对节能减排，抑制温室效应同样有着不容小觑的作用。

高压气泡的作用机理如下：高压气泡在内部高压气体的推动下开始在水中快速地扩张。随着气泡内气体的逐渐膨胀，气泡内部的压力和温度开始逐渐降低。并且在水惯性的作用下气泡会出现过度扩张的现象，因此气泡内部压力会低于周围参考压力，气泡表面的负压力差会使得气泡的扩张停止，之后气泡半径就会达到最大值。随后，气泡开始收缩和溃灭。溃灭的整个过程是因为气泡内部压力低于气泡周围静水压力。这个过程会一直持续，直到气泡内部压力不断增大到超过周围的静水压而停止(惯性作用)。当气泡溃灭到最小半径时，此刻由于气泡内压远远大于周围的水介质压力，通常会产生压力波，或将其称之为压力脉冲，会对于冰面造成严重的毁伤作用

通过高压气体破冰机理实验研究该过程中的流固耦合问题，得到合理的压力载荷与冰层损伤模式，对于提高破冰船型的结构设计水平和航行安全性，具有重要的工程应用意义和科学理论价值。

在已有的水下高压气体实验技术中，专利申请号为201811168678.5的专利“一种气动式水下高压气泡源”，采用三个电磁阀联动控制释放高压气体作为气源，气枪结构较为复杂，且未考虑气枪外形对高压气体所形成气泡形状的影响，同时气枪枪头也未做处理，难以产生实验所需的气泡形状。申请号为201710129035.9的专利“一种气泡破冰方法”，介绍了采用气泡技术破冰的方法，采用单个或多个气泡对冰面进行破坏，但在此过程中未考虑高压作用下气泡的生成方法和生成机理，同时也未考虑气泡破冰过程中高压气泡和冰面破损情况的观测方法。

现有的气体破冰实验装置存在许多不足：

(1)采用炸药作为气源，水下点火释放高压气体，不仅具有一定的危险性，而且实验成本高和操作难度大，不利于开展重复实验；

(2)采用电火花作为气源产生水下高压气泡，由于电压限制，难以产生尺寸较大的气泡，而且过高的实验电压也会存在安全隐患；

(3)采用高压气枪作为气源，对气枪外形和枪头考虑较少，难以产生理想的水下气泡形状，对于实验结果的测量与利用产生不利影响；

对于高压气泡破冰过程的高压气泡的形态变化和冰面的破碎过程难以做到同时记录与分析。

发明内容

本发明的目的是提供可以调节水下高压气源的压力与气量，产生预定形状的水下高压气泡的，可对于整个实验过程进行记录分析，并可以同时观测气泡的运动和冰面的情况一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置，包括水箱、气枪装置、高速摄影机和数据采集系统，其中水箱的水面上为一层冰面，冰面以下为水，气枪装置安装在水箱中冰面以下的水中，所述的气枪装置包括压缩气缸、电磁阀和枪头；所述的压缩气缸的外壳与电磁阀的外壳相连；所述的电磁阀外壳上设有电缆接口，电磁阀内部设有隔板；所述的隔板一侧的空间与压缩气缸的交接，且在交接处开有通往压缩气缸的出气口，隔板另一侧空间的电磁阀内壁上设有电磁线圈，电磁线圈之间安装有电磁活塞；所述的压缩气缸设有与高压储气罐相连的高压气体接口，在连通压缩气缸与电磁阀的出气口处设有密封活塞；所述的高压储气罐与空气压缩机相连；所述的电磁活塞通过传动连杆与压缩气缸内部的密封活塞相连，且传动连杆穿过电磁阀内部的隔板；所述的电磁活塞通过复位弹簧与电磁阀内部的隔板相连；所述的枪头安装在电磁阀的上且位于隔板与压缩气缸之间。

本发明还可以包括：

所述的水箱的底面和侧面设有光源，水箱的上面设有镜面。

所述的压缩气缸内部设有气缸调节阀和气缸调节杆，且气缸调节阀与气缸调节杆相连。

所述的枪头包括枪管、飞盘和定位杆；所述的飞盘设置在枪管的出气端口处，飞盘的底部为球形面，且枪管的出气端管口与飞盘底部相匹配；所述的定位杆穿过飞盘，定位杆一端设有定位器，另一端设有高度限位器；所述的定位器横截面为圆形并开有孔洞，定位器固定在枪管的内壁上；所述的高度限位器与飞盘之间通过复位弹簧连接。

所述的定位器围绕其横截面的圆心处开有三个面积相等的扇形孔洞。

所述的飞盘采用高分子材料，且飞盘与高度限位器之间的复位弹簧的极限压缩距离为初始飞盘与高度限位器距离的3/4。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的用于水下高压气体破冰实验的实验装置，克服了以往水下高压气源实验方法设备的不足，其有益效果在于：

1.实现了水下高压气源在压力和气量可调下的快速释放，同时可以产生预定形状的水下高压气泡；

2.对于水下高压气泡破冰过程的实验数据可以进行记录和处理：

3.可以对于气泡的形态变化和冰面的破损过程进行同步分析：

4.本发明构造简单，可重复性高，具有良好的实用性；操作安全方便，对场地要求也很低，适合开展水池实验，具有广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明的气枪装置的枪头在密闭状态时的结构示意图。

图2是本发明的气枪装置的枪头在释放状态时的结构示意图。

图3(a)是传统枪头产生的水下高压气泡示意图。

图3(b)是本发明的气枪装置的枪头产生的水下高压气泡示意图。

图4是高速摄影机记录的本发明的气枪装置的枪头产生的水下高压气泡图。

图5是本发明的气枪装置的主视图。

图6是本发明的气枪装置的侧视图。

图7是本发明的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1和图2所示为本发明的气枪装置的枪头部分，包括枪头外壳15，三角定位器16，定位杆17，高分子材料飞盘18，复位弹簧19，高度限位器20；所述的枪头外壳15下部带有螺纹，用于与气枪装置主体连接，枪头外壳15下端内侧带有内凹台，用于三角定位器16安装，三角定位器16正中焊接有定位杆17，定位杆17的另一端安装有高度限位器20，高分子材料飞盘18穿过定位杆17，并和高度限位器20之间采用初始压缩的复位弹簧19连接，高分子材料飞盘18的下端和枪头外壳15上端在复位弹簧19的挤压下密闭。

所述的三角定位器16的横截面为圆形，且围绕圆形圆心处开有三个面积相等的扇形孔洞。所述的高分子材料飞盘18与高度限位器20之间的复位弹簧19的极限压缩距离为初始飞盘与高度限位器距离的3/4。

当实验开始后，高压气体由枪头外壳15下端进入，随后穿过三角定位器16中间的开孔，由于压力远高于复位弹簧19的弹簧力，高分子材料飞盘18将被向上顶起，高压气体释放到水中，并产生类球状气泡，如图4所示。当高压气体释放完毕，高分子材料飞盘18将在复位弹簧19的压缩力下迅速向下运动，和枪头外壳15密闭防止水倒灌进入枪头内部。

如图3(a)和图3(b)所示，区别于传统枪头产生的柱状射流，本发明的气枪装置的枪头产生的气泡为球状气泡，可通过调节高分子飞盘的角度，使产生的气泡更接近球形。如图3(b)所示，从枪头喷出的气泡从环形扩展成球状。

如图5和图6所示为本发明的气枪装置的主视图和侧视图，本发明主要由压缩气缸1、电磁阀2和枪头3三部分组成，压缩气缸1和电磁阀2之间用螺纹连接紧固，气枪枪头3安装在两者之间；其中压缩气缸1由耐压外壳4，气缸调节杆5，气缸调节阀6，高压气体接口7组成，电磁阀2由钢制外壳8，密封活塞9，传动连杆10，活塞复位弹簧11，电磁线圈12，电磁活塞13，电缆接口14组成。

压缩气缸1的外壳4由耐压材料制成，侧边安装有高压气体接口7用于输送高压气体，压缩气缸外壳的内壁与气缸调节阀6螺纹连接，且压缩气缸的内壁上设置有多个档位，可通过气缸调节杆5调节气缸调节阀6至不同档位调节压缩气缸1的容积；电磁阀2底部安装有电缆接口14，用于电磁阀的供电与控制，电磁线圈12与电磁活塞13组成主动运动部件，通过传动连杆10驱动密封活塞9上下移动，实现高压气体的快速释放，活塞复位弹簧11用于每次实验后密封活塞的回位密封。

本发明的气枪装置的工作工程如下：通过高压气体接口7往已经设定好容积的压缩气缸1中输送预定压力的高压气体，随后启动电磁阀2，电磁活塞13在电磁线圈12作用下向上运动，并通过传动连杆10驱动密封活塞9向上运动，高压气体瞬间从压缩气缸1释放而出，并由枪头外壳15下端进入，随后穿过三角定位器16中间的开孔，由于压力远高于复位弹簧19的弹簧力，高分子材料飞盘18将被向上顶起，高压气体被快速释放到水中，并产生预定形状气泡；当电磁阀2通电结束，电磁线圈12失去作用，电磁活塞13在活塞复位弹簧11的作用下向下运动，并通过传动连杆10驱动密封活塞9向下运动，将压缩气缸1重新密封。高压气体释放完毕，高分子材料飞盘18将在复位弹簧19的压缩力下迅速向下运动，和枪头外壳15密闭防止水倒灌进入枪头内部

如图7是本发明的示意图，包括空气压缩机34，高压储气罐32，气枪装置27，数据采集系统31，水箱侧面照明装置23，水箱底部照明装置28，透明水箱22及相应装置，其中空气压缩机34与高压储气罐32以及高压储气罐32与气枪装置27之间采用高压输气管路33连接，保证高压气体的安全传输，而后气枪装置27在电磁阀的控制下，将气枪气缸内的高压气体由气枪枪头3喷出，由于枪头的特殊构造形成环状喷射，最终形成球型的高压气泡，实验过程中，选用光源2台，分别在透明水箱22的侧面和底部对于高压气泡25和冰面24进行打光处理，本实验过程中冰面的厚度范围为0-100mm，通过对于镜面21角度的控制与水平方向角度控制范围0-90度使光源通过被拍摄物体后再由镜面反射给高速摄影机30镜头，为保证拍摄物体的清晰度，实验过程中采用两块磨砂玻璃在光源与被拍摄物体之间对于光源进行分散，使之散发的光源均匀。

实验过程:

1.实验过程中，首先采用空气压缩机34对于空气进行压缩，随后通过高压输气管路33将高压气储存至高压储气罐32中，高压储气罐32可对输出气压进行控制，控制可在1-50大气压之间调节，随后可由高压输气管路33对气枪装置进行高压气体输送。

2.打开照明装置，分别在透明水箱22的侧面和底部对于高压气泡25和冰面24进行打光处理，将冰面24放入水中，调整镜面21的位置和摆放角度与水平方向角度控制范围0-90度，使光源通过被拍摄物体后再由镜面反射给高速摄影机30镜头。

3.调节冰面24的高度，调节范围为透明水箱22的高度，调整镜头使观察清晰，为保证拍摄物体的清晰度，实验过程中采用两块磨砂玻璃在光源与被拍摄物体之间对于光源进行分散，使之散发的光源均匀。

4.然后通过高压气体接口7往已经设定好容积的压缩气缸1中输送预定压力的高压气体，随后启动电磁阀2，电磁活塞13在电磁线圈12作用下向上运动，并通过传动连杆10驱动密封活塞9向上运动，高压气体瞬间从压缩气缸1释放而出，并由枪头外壳15下端进入，随后穿过三角定位器16中间的开孔，由于压力远高于复位弹簧19的弹簧力，高分子材料飞盘18将被向上顶起，高压气体被快速释放到水中。

5.由于枪头3的特殊构造形成环状喷射，最终形成球型的高压气泡，气泡在内部高压气体的推动下开始在水中快速地扩张。随着气泡内气体的逐渐膨胀，气泡内部的压力和温度开始逐渐降低。并且在水惯性的作用下气泡会出现过度扩张的现象，因此气泡内部压力会低于周围参考压力，气泡表面的负压力差会使得气泡的扩张停止，之后气泡半径就会达到最大值。随后，气泡开始收缩和溃灭。溃灭的整个过程是因为气泡内部压力低于气泡周围静水压力。这个过程会一直持续，直到气泡内部压力不断增大到超过周围的静水压而停止(惯性作用)。当气泡溃灭到最小半径时，此刻由于气泡内压远远大于周围的水介质压力，通常会产生压力波，或将其称之为压力脉冲，会对于冰面造成严重的毁伤作用。

6.同时，高速摄影机30对此过程进行记录，为了可以同时观测到高压气泡与冰面的同步变化，同时开启侧面和底面光源，并布置一块镜面21，则可在高速摄影机30中同时观察高压气泡和冰面的变化情况，此方法的好处在于节省实验设备，仅需要一台高速摄影机进行录像就可以实现两个方向上的同时录像，另外，由于画面同时拍摄，保证研究过程中爆炸点高压气泡的形态变化与冰面的破碎状态在时间上是严格统一的，由于气泡的变化过程极快，采用此种方法可以保证实验的准确性。

7.在实验完成之后，采用数据采集器31配合录像分析软件，对所拍摄的高速影像进行数据采集。数据的内容主要包含以下几部分:高压气泡形态图像，冰面的破碎情况图像

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 (9)

1.一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置，包括水箱、气枪装置、高速摄影机和数据采集系统，其中水箱的水面上为一层冰面，冰面以下为水，气枪装置安装在水箱中冰面以下的水中，其特征在于：所述的气枪装置包括压缩气缸、电磁阀和枪头；所述的压缩气缸的外壳与电磁阀的外壳相连；所述的电磁阀外壳上设有电缆接口，电磁阀内部设有隔板；所述的隔板一侧的空间与压缩气缸的交接，且在交接处开有通往压缩气缸的出气口，隔板另一侧空间的电磁阀内壁上设有电磁线圈，电磁线圈之间安装有电磁活塞；所述的压缩气缸设有与高压储气罐相连的高压气体接口，在连通压缩气缸与电磁阀的出气口处设有密封活塞；所述的高压储气罐与空气压缩机相连；所述的电磁活塞通过传动连杆与压缩气缸内部的密封活塞相连，且传动连杆穿过电磁阀内部的隔板；所述的电磁活塞通过复位弹簧与电磁阀内部的隔板相连；所述的枪头安装在电磁阀的上且位于隔板与压缩气缸之间。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置，其特征在于：所述的水箱的底面和侧面设有光源，水箱的上面设有镜面。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置，其特征在于：所述的压缩气缸内部设有气缸调节阀和气缸调节杆，且气缸调节阀与气缸调节杆相连。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置，其特征在于：所述的枪头包括枪管、飞盘和定位杆；所述的飞盘设置在枪管的出气端口处，飞盘的底部为球形面，且枪管的出气端管口与飞盘底部相匹配；所述的定位杆穿过飞盘，定位杆一端设有定位器，另一端设有高度限位器；所述的定位器横截面为圆形并开有孔洞，定位器固定在枪管的内壁上；所述的高度限位器与飞盘之间通过复位弹簧连接。

5.根据权利要求3所述的一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置，其特征在于：所述的枪头包括枪管、飞盘和定位杆；所述的飞盘设置在枪管的出气端口处，飞盘的底部为球形面，且枪管的出气端管口与飞盘底部相匹配；所述的定位杆穿过飞盘，定位杆一端设有定位器，另一端设有高度限位器；所述的定位器横截面为圆形并开有孔洞，定位器固定在枪管的内壁上；所述的高度限位器与飞盘之间通过复位弹簧连接。

6.根据权利要求4所述的一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置，其特征在于：所述的定位器围绕其横截面的圆心处开有三个面积相等的扇形孔洞。

7.根据权利要求5所述的一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置，其特征在于：所述的定位器围绕其横截面的圆心处开有三个面积相等的扇形孔洞。

8.根据权利要求4所述的一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置，其特征在于：所述的飞盘采用高分子材料，且飞盘与高度限位器之间的复位弹簧的极限压缩距离为初始飞盘与高度限位器距离的3/4。

9.根据权利要求5或6或7所述的一种用于水下高压气体破冰实验的实验装置，其特征在于：所述的飞盘采用高分子材料，且飞盘与高度限位器之间的复位弹簧的极限压缩距离为初始飞盘与高度限位器距离的3/4。