CN110470528A - 一种用于高速水射流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，具体涉及一种用于高速水射流破冰实验的实验装置。本发明填补了现有高速水射流实验装置的空白，可分析不同参数对于高速水射流与冰面耦合作用过程中冰板毁伤特性的影响，如水射流冲击速度，水射流直径，冰板形状尺寸，冰板的边界条件等。本发明可以通过高速摄影仪分析水射流冲击冰板过程中，冰板的破坏机理和力学特性，如裂纹的生成方向与扩展模式，冰板的径向和环向裂纹，冰板的破口程度和分离程度。

Description

一种用于高速水射流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，具体涉及一种用于高速水射流破冰实验的实验装置。

背景技术

冰的力学变形机理以及它与结构相互作用力问题的研究是力学领域内研究的重要课题。随着寒冷地带海洋石油资源的开发以及北极航道的顺利开通，新型高效的破冰方式越来越受到工程界的关注。

极地航行以及疏通河道，清理冰凌过程中，目前较为主流的破冰方式包括爆炸破冰，机械破冰等，爆炸式破冰主要依靠人工在水面及水下投掷炸药包或炸药包群对于冰面进行爆破，对于海洋生物的生存环境以及生态环境产生巨大影响，机械式破冰主要通过机械切割，破冰船冲撞，挤压方法进行破冰，破冰效率较低对于船体本身的结构要求较高。

水射流技术作为一种新技术，具有成本低、效率高、环保等优点，目前已被广泛应用于石油天然气勘探开发、超高压水射流钻井、钢材除锈、水力喷射分段压裂、高速水射流清洗等多种实际工况，在极地航行以及河流破冰过程中，水资源可以随时进行补充并且安全环保。高速水射流产生瞬间形成的冲击波作用于冰面可以引起冰板的变形和破坏，并且水射流可以直接冲击冰面对冰面造成弯曲破坏，水射流形成的滞后流还可以对碎冰进行清理和二次破损。由此可见，水射流技术可以作为一种新型的破冰方式，对于水射流破冰技术和破坏机理的研究十分重要。

在现有对高压水射流的应用领域中，尚未出现采用高速水射流装置进行与冰面的耦合作用的研究，以申请号为201710461411.4的发明专利“一种纺织设备用高速水射流清洗装置及使用方法”为例，主要研究高速水射流对结构和材料的清洗作用，类似的作用还有采用高速水射流装置进行钢板除锈，打磨等。另外以申请号为201810025007.3的发明专利“基于高速水射流技术的盐岩底层钻井和开槽方法”为例，主要研究高速水射流对于岩石结构的作用，应用领域为岩石煤矿开采和工程钻井。

发明内容

本发明的目的在于提供能进行高速水射流和冰板耦合作用下冰板的力学特性和毁伤机理分析，同时可以分析冲击过程中冰面受力的大小，在不同参数(水射流冲击速度，水射流直径，冰板形状尺寸，冰板边界等)情况下冰面出现弯曲或者剪切破坏时冰面的破损以及裂纹的产生和扩展情况的一种用于高速水射流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：包括箱体，其特征在于：所述的箱体内部，两侧设有定位夹，定位夹之间夹持有冰板；所述的冰板上方设有高速水射流装置的枪头。

本发明还可以包括：

所述的箱体内的底部铺设有缓冲材料。

还包括高速摄影仪和光电门；所述的光电门设置高速水射流装置的枪头与冰板之间；所述的箱体上方设有镜子，箱体周围设有光源；所述的高速摄影仪设置在可通过镜子观测高速水喷射在冰板上的位置。

本发明的有益效果在于：

本发明填补了现有高速水射流实验装置的空白，可分析不同参数对于高速水射流与冰面耦合作用过程中冰板毁伤特性的影响，如水射流冲击速度，水射流直径，冰板形状尺寸，冰板的边界条件等。本发明可以通过高速摄影仪分析水射流冲击冰板过程中，冰板的破坏机理和力学特性，如裂纹的生成方向与扩展模式，冰板的径向和环向裂纹，冰板的破口程度和分离程度。

附图说明

图1是本发明的整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明装置是一种用于分析冰板在不同速度和尺度比例水射流冲击载荷作用下毁伤特性的实验装置，属于船舶与海洋工程实验领域，主要应用于淡水冰，盐水冰以及海冰力学特性的定性分析。

本发明采用高速水射流装置进行高速水射流和冰板耦合作用下冰板的力学特性和毁伤机理分析，同时可以分析冲击过程中冰面受力的大小，在不同参数(水射流冲击速度，水射流直径，冰板形状尺寸，冰板边界等)情况下冰面出现弯曲或者剪切破坏时冰面的破损以及裂纹的产生和扩展情况。

一种用于高速水射流破冰实验的实验装置，包括光源1，装置支架2，低温水4，缓冲材料5，透明箱体6，定位夹7，冰板8，镜子10，高速水射流枪头11，光电门12，高速摄影仪13，高压输送管道14，高速水射流装置15，另外冰板8和定位夹7在镜子10中所呈的虚像9用于在高速摄影仪13中同时观察冰板8侧视和俯视情况下的毁伤情况，实验过程中用高速水射流装置15通过高压输送管道14由高速水射流枪头11生成不同速度和直径的高速水射流，并对冰板8进行冲击，采用光电门12采集水射流的速度，用定位夹7固定冰板8，用高速摄影机13对实验过程进行记录分析。具体实验过程如下：

1.实验过程中，首先将透明箱体6放置在组装好的装置支架2上，并将箱体6与定位夹7连接在一起，将镜子10固定于透明箱体6偏上位置，控制定位夹7保证冰板8距离箱体底部的高度满足实验要求，便于在镜子10中观察到冰板8的完整虚像，随后将缓冲材料11放置在透明箱体6底部，对实验装置进行保护。将高速水射流枪头11通过定位夹7与整个装置固定在一起。

2.在透明箱体6中注入低温水4，防止冰板8与温度较高的水接触因受热不均发生炸裂，控制低温水4的高度使定位夹7固定的冰板8高度与冰板8自然漂浮于低温水4水面的高度一致，将冰板8固定于定位夹7上，定位夹7可随冰板8的大小形状进行调节，冰板8的厚度根据实验要求可选取5-50mm之间。

3.采用光源对实验装置进行照明，将高速摄影机13固定，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，并调节高速摄影机13的位置和角度使整个实验过程能被清晰记录。

4.开启光电门12与高速摄影仪13，采用高速水射流装置15通过高压输送管道14由高速水射流枪头11生成高速水射流冲击冰板8，用光电门12记录水射流冲击冰板8时的速度，用高速摄影机13记录实验过程中冰板8的毁伤和裂纹扩展情况，采用后处理软件分析实验数据和实验图像，最终得出实验结果。

本发明的优势在于：

1.本发明填补了现有高速水射流实验装置的空白，现有的高速水射流装置主要应用领域为进行钢板除锈，材料打磨，岩石煤矿开采和工程钻井等。尚未出现研究高速水射流与冰面耦合作用的实验装置。

2.本发明可分析不同参数对于高速水射流与冰面耦合作用过程中冰板毁伤特性的影响，如水射流冲击速度，水射流直径，冰板形状尺寸，冰板的边界条件等。

3.本发明可以通过高速摄影仪分析水射流冲击冰板过程中，冰板的破坏机理和力学特性，如裂纹的生成方向与扩展模式，冰板的径向和环向裂纹，冰板的破口程度和分离程度。

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 (3)

1.一种用于高速水射流破冰实验的实验装置，包括箱体，其特征在于：所述的箱体内部，两侧设有定位夹，定位夹之间夹持有冰板；所述的冰板上方设有高速水射流装置的枪头。

2.根据权利要求1所述的一种用于高速水射流破冰实验的实验装置，其特征在于：所述的箱体内的底部铺设有缓冲材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于高速水射流破冰实验的实验装置，其特征在于：还包括高速摄影仪和光电门；所述的光电门设置高速水射流装置的枪头与冰板之间；所述的箱体上方设有镜子，箱体周围设有光源；所述的高速摄影仪设置在可通过镜子观测高速水喷射在冰板上的位置。