CN111282460A - 一种适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，包括T型板、丝杠、2N根纵向导杆、两根横向导轨、两个第一横向导轨滑块、两个第二横向导轨滑块、两个气泡发生器，T型板竖直固定于测试环境中；丝杠沿竖板的中心轴线设置；2N根纵向导杆等间隔平行与丝杠设置在竖板上，每根纵向导杆上设有滑动块和固定块；一根横向导轨固定在滑动块顶面，另一根横向导轨固定在固定块顶面，两个第一横向导轨滑块和两个第二横向导轨滑块，第一横向导轨滑块设置在连接滑动块的横向导轨上，第二横向导轨滑块设置在另一根横向导轨上；两个气泡发生器分别固定在两个第二横向导轨滑块上，且两个气泡发生器的顶部分别与两个第一横向导轨滑块固连。

Description

一种适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置

技术领域

本发明涉及超声场影响气泡融合因素测试技术，具体是一种适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置。

背景技术

气泡融合是指在气液两相流或多相流中，当两个气泡相遇或者碰撞时，在某种动力学机制作用下，发生合并而成为一个气泡的现象，在化工、海洋和军事防护等众多两相流领域中广泛存在。

超声场中气泡的融合主要是指利用超声的能量，使气泡之间会发生移动互相接触，气泡之间形成液体薄膜，出现液薄膜的排水，液体薄膜破裂并最终发生破裂而融合的过程。

随着超声技术的发展，其在声化学、超声污染物降解、医疗和制药等有着广泛的应用，这是因为气泡在超声的作用下，气泡会向一起运动聚集最终发生融合，提高气泡的融合率从而改变气泡的大小以及气泡的分布，提高在上述领域的应用效率，并且利于气泡的气泡之间的能量转换和物质的传递。因此研究超声作用下气泡的融合以及融合的过程，以及超声声压、超声频率和气泡的大小对气泡融合的影响，将对提高超声在超声化学、污染物降解以及医疗中的应用效率有重要的意义。

与无超声作用下的气泡融合不同，超声场中空化气泡的半径非常小，并且在超声的作用下气泡的径向运动周期非常短，为实验提供非常大的困难，因此在实验中必须同时产生相同尺寸气泡，并可以控制气泡的大小、气泡在实验装置中的绝对位置以及气泡之间的相对位置，并减弱超声场对产生气泡影响，保持产生的气泡稳定，以便于在实验过程中清晰观测气泡径向运动和气泡之间液体薄膜间隙的变化，揭示气泡融合的过程。现有的气泡发生装置多采用在低压、高压环境下，通过金属丝短路使水发生电离而产生气泡，这种装置较依赖于电源，在较复杂的环境测试中不易实现，可靠性差，不能产生相同大小气泡，也无法有效控制尺寸变化以及多气泡生成，并不适用于超声场测试环境。

因此实验时要设计一种可靠性较强、结构简单的水下气泡发生及控制实验装置，以实现同时产生多个相同大小气泡、有效控制气泡的半径大小、控制各气泡产生位置，且可以在超声场中保持气泡稳定的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，可对超声场影响气泡融合的因素进行观察与测试研究，更好地揭示其机理。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，包括，

T型板，其包括横板和竖板，竖板垂直固定在横板顶面，使得T型板作为支撑平台竖直固定于测试环境中；

丝杠，沿竖板垂直方向的中心轴线设置并固定在竖板上；

2N根纵向导杆，等间隔平行与丝杠设置在竖板上，且对称位于丝杠两侧，N≥1；每根纵向导杆上设有一个滑动块和一个固定块，滑动块位于固定块上方，固定块不能移动，滑动块能够沿纵向导杆运动；

两根相互平行的横向导轨，一根固定在2N个滑动块顶面，另一根固定在2N个固定块顶面，且两根横向导轨分别通过连接块与丝杠连接；

两个第一横向导轨滑块和两个第二横向导轨滑块，第一横向导轨滑块设置在连接滑动块的横向导轨上，第二横向导轨滑块设置在另一根横向导轨上，第一横向导轨滑块和第二横向导轨滑块分别沿横向导轨滑动；

两个气泡发生器，其分别固定在两个第二横向导轨滑块上，且两个气泡发生器的顶部分别与两个第一横向导轨滑块固连。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）测试研究中可以通过调节水下气泡发生及控制实验装置，以控制气泡的大小、气泡在测试环境中的绝对位置以及气泡之间的相对位置。

（2）该水下气泡发生及控制实验装置可以同时发生相同尺寸气泡，以便于在实验过程中可以观测气泡径向运动和气泡之间液体薄膜间隙的变化，揭示气泡融合的过程。

（3）气泡发生模块具有气泡约束器，可在气泡发生后对其位置进行约束，以保证在超声场测试环境下气泡的稳定性，减轻超声场对气泡位置的干扰，使得多个气泡融合得以实现。

附图说明

图1为本发明适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置的主视图。

图2为本发明适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置的左视图。

图3为本发明的气泡发生模块示意图。

图4为与本发明为本发明适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置相匹配的总体实验系统图。

图5为本发明第一横向导轨滑块和第二横向导轨滑块的位置示意图。

图6为本发明的活塞杆示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明内容作进一步详细描述。

结合图1~图6，一种适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，包括T型板14、丝杠10、两根纵向导杆4、两根横向导轨5、两个第一横向导轨滑块8、两个第二横向导轨滑块13、两个滑动块18、两个固定块3、两个气泡发生器15，T型板14包括横板和竖板，竖板垂直固定在横板顶面，使得T型板14竖直固定于测试环境中，丝杠10和两根纵向导杆4等间隔平行固定于T型板14的竖板上，且丝杠10位于两根纵向导杆4之间，纵向导杆4两端通过底座1和若干六角头螺栓2与T型板14固连。丝杠10两端通过深沟球轴承11、第一轴承座12、第二轴承座16以及轴承端盖17以及若干六角头螺栓2装配并安装于T型板14上。轴端帽9可通过连接用开槽沉头螺钉6连接于丝杠10一端，用于手动旋转丝杠10。每根纵向导杆4上设有一个滑动块18和一个固定块3，滑动块18位于固定块3上方，固定块3不能移动，滑动块18可沿纵向导杆4运动，两根横向导轨5相互平行，一根固定在两个滑动块18顶面，另一根固定在两个固定块3顶面，且，两根横向导轨5分别通过连接块与丝杠10连接，两个第一横向导轨滑块8设置在连接滑动块18的横向导轨5上，两个第二横向导轨滑块13设置在另一根横向导轨5上，第一横向导轨滑块8和第二横向导轨滑块13分别沿横向导轨5滑动。两个气泡发生器15分别固定在两个第二横向导轨滑块13上，且两个气泡发生器15的顶部分别与两个第一横向导轨滑块8固连。

所述第二横向导轨滑块13顶面开有凹槽，用于固定气泡发生器15的机身。

所述气泡发生器15包括气泡约束器19、电磁阀20、气泡发生器下壳体21、气泡发生器上壳体22、活塞杆23和密封垫圈24，气泡发生器下壳体21和气泡发生器上壳体22密封连接，形成活塞腔，活塞杆23一端位于活塞腔内，另一端自气泡发生器上壳体22顶面伸出，并与第一横向导轨滑块8接触连接，密封垫圈24设置在气泡发生器上壳体22顶面外壁与活塞杆23接触处，有效密封活塞腔，将压缩气体与测试环境隔绝，气泡发生器下壳体21底面开有第一通孔，侧面开有第二通孔，气泡约束器19和电磁阀20均设置在气泡发生器下壳体21底面，且气泡约束器19通过电磁阀20与第一通孔和活塞腔相连通。

所述气泡发生器15的第二通孔通过导管与置于测试环境外的单向通气阀25、压缩空气器7相连接，用于向提供气泡发生器15压缩气体。

所述第二通孔位于活塞杆23的底面下方。

所述活塞杆23上设有密封塞，起到密封作用，在加载压力时防止水因活塞杆23轴向运动而进入活塞腔内。

如图5~图6所示，第一横向导轨滑块8与第二横向导轨滑块13距离d与气泡发生器活塞杆23长度a应有如下关系：

0.2a≤d≤a

该长度关系可以保证导轨可以有效推动活塞杆23，进而可对压缩气体加载压力。

纵向导杆4及丝杠10须与T型板14横板相垂直，丝杠10沿T型板14竖直方向上的对称轴设置，两侧纵向导杆4关于丝杠10对称，横向导轨5与T型板14横板相平行，这样的几何关系可以使得横向导轨5得以带动两个第一横向导轨滑块8和其上的活塞杆23做相同的轴向进给，保证加载压力相同，同时产生相同尺寸气泡，且在横向导轨5中采用燕尾槽设计，如图2所示，保证第一横向导轨滑块8以及第二横向导轨滑块13垂直于T型板14横板而不发生倾斜，以保证气泡产生位置的正确性。

确定所述适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置的工作过程：

1、确定气泡发生绝对及相对位置（多个气泡间）

先确定气泡发生的竖直绝对位置：通过固定块3将横向导轨5固定在纵向导杆4的相应位置处；再确定气泡发生的水平绝对位置：确定第二横向导轨滑块13的水平绝对位置；并沿横向导轨5滑动调节各第二横向导轨滑块13相对距离，进而改变各气泡发生器15的发生相对水平位置，从而改变各气泡发生的相对水平位置；进一步调整第一横向导轨滑块8沿横向导轨5的水平位置，并通过锁紧用开槽沉头螺钉6锁定水平位置，该位置应与横向导轨5上的第二横向导轨滑块13水平对齐，保证可以推动气泡发生器15的活塞杆23，以便进行压力加载。

2、充气

开启压缩空气器7，将压缩气体通过单向通气阀25通入气泡发生器15中，沿侧面第二通孔进入到气泡发生器下壳体21中，积累压缩气体，为形成气泡做准备，并通过密封垫圈23防止压缩气体泄漏。

3、加载压力

旋转轴端帽9，进而带动与其相固联的丝杠10旋转，丝杠10通过螺旋传动，带动连接块以及相连接的横向导轨5做轴向进给（方向向下），从而推动气泡发生器15的活塞杆23，通过调整轴向进给距离，加载压力，可使充入的压缩气体压力进一步增大，通过改变气体压力从而控制产生气泡的大小，加载后丝杠可自锁，固定位置保持载荷不变。

4气泡产生

同时控制多个气泡发生器15的电磁阀20开启，将压缩气体通过气泡发生器下壳体21底面开有的第一通孔释放到水中，产生所需气泡，通过气泡约束器19对气泡位置进行约束，减弱超声场对气泡的影响，保持气泡在超声场中的稳定性，使得多个气泡顺利融合。

3、确定所述适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置的材料：

由于水下气泡发生及控制实验装置传动、固定及支撑模块被放置于水下进行测试，且纵向导杆4、横向导轨5、第一横向导轨滑块8、第二横向导轨滑块13这几种零件会在使用中发生相对滑动，因此需要做防腐、防锈处理，因此毛坯可采用中碳钢材料，在治炼过程中增加铜、铬和镍等合金元素，使金属表面形成保护层，以提高防腐、防锈能力。

4、设计所述适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置与整体实验观测、测试装置匹配：

在尺寸规格上匹配：根据测试环境、观测仪器、所研究气泡尺度确定与之相匹配的水下气泡发生及控制实验装置总体及各部分相应尺寸，保证所需数据及图像可以被测试得到。

在空间位置上匹配：为实现整套系统的测试目的，将整套系统搭建如图4所示，即由超声信号产生器32产生信号，经过放大器31后由超声换能器30将电磁能装换为机械能，在测试环境（圆柱器皿）内形成驻波声场，通过针式水听器可以测量超声场内的声压。气泡由水下气泡发生及控制实验装置29产生，可以控制气泡产生位置以及多个气泡之间的距离及大小。而气泡之间的融合过程的观测主要由频闪灯26提供光源并且由高速摄影机27及长焦显微镜28对气泡的融合过程进行观测得到气泡的融合的观测。通过调整信号发生剂和控制功率放大器的可以调节气泡的超声频率和超声声压，通过该试验装置的设计可以观察气泡的融合过程。

Claims (8)

1.一种适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，其特征在于：包括，

T型板（14），其包括横板和竖板，竖板垂直固定在横板顶面，使得T型板（14）作为支撑平台竖直固定于测试环境中；

丝杠（10），沿竖板垂直方向的中心轴线设置并固定在竖板上；

2N根纵向导杆（4），等间隔平行与丝杠（10）设置在竖板上，且对称位于丝杠（10）两侧，N≥1；每根纵向导杆（4）上设有一个滑动块（18）和一个固定块（3），滑动块（18）位于固定块（3）上方，固定块（3）不能移动，滑动块（18）能够沿纵向导杆（4）运动；

两根相互平行的横向导轨（5），一根固定在2N个滑动块（18）顶面，另一根固定在2N个固定块（3）顶面，且两根横向导轨（5）分别通过连接块与丝杠（10）连接；

两个第一横向导轨滑块（8）和两个第二横向导轨滑块（13），第一横向导轨滑块（8）设置在连接滑动块（18）的横向导轨（5）上，第二横向导轨滑块（13）设置在另一根横向导轨（5）上，第一横向导轨滑块（8）和第二横向导轨滑块（13）分别沿横向导轨（5）滑动；

两个气泡发生器（15），其分别固定在两个第二横向导轨滑块（13）上，且两个气泡发生器（15）的顶部分别与两个第一横向导轨滑块（8）固连。

2.根据权利要求1所述的适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，其特征在于：所述丝杠（10）一端设有轴端帽（9），轴端帽（9）通过连接用开槽沉头螺钉（6）连接于丝杠（10）一端，用于手动旋转丝杠（10）。

3.根据权利要求1所述的适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，其特征在于：所述第二横向导轨滑块（13）顶面开有凹槽，用于固定气泡发生器（15）的机身。

4.根据权利要求1所述的适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，其特征在于：所述气泡发生器（15）包括气泡约束器（19）、电磁阀（20）、气泡发生器下壳体（21）、气泡发生器上壳体（22）、活塞杆（23）和密封垫圈（24），气泡发生器下壳体（21）和气泡发生器上壳体（22）密封连接，形成活塞腔，活塞杆（23）一端位于活塞腔内，另一端自气泡发生器上壳体（22）顶面伸出，并与第一横向导轨滑块（8）接触连接，密封垫圈（24）设置在气泡发生器上壳体（22）顶面外壁与活塞杆（23）接触处，有效密封活塞腔，将压缩气体与测试环境隔绝，气泡发生器下壳体（21）底面开有第一通孔，侧面开有第二通孔，气泡约束器（19）和电磁阀（20）均设置在气泡发生器下壳体（21）底面，且气泡约束器（19）通过电磁阀（20）与第一通孔和活塞腔相连通。

5.根据权利要求4所述的适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，其特征在于：所述气泡发生器（15）的第二通孔通过导管与置于测试环境外的单向通气阀（25）、压缩空气器（7）相连接，用于向提供气泡发生器（15）压缩气体。

6.根据权利要求4所述的适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，其特征在于：所述第二通孔位于活塞杆（23）的底面下方。

7.根据权利要求4所述的适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，其特征在于：所述活塞杆（23）上设有密封塞，在加载压力时防止水因活塞杆（23）轴向运动而进入活塞腔内。

8.根据权利要求1所述的适用于超声场的水下气泡发生及控制实验装置，其特征在于：所述第一横向导轨滑块（8）与第二横向导轨滑块（13）之间的距离d与气泡发生器活塞杆（23）长度a有如下关系：0.2a≤d≤a 。

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