CN113176067A - 一种空泡发生器及空泡制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空化研究的技术领域，公开了一种空泡发生器，包括：载水观察箱；弹性支撑垫，所述弹性支撑垫固定于一支撑面上，弹性支撑垫的顶部与载水观察箱的底部接触，用于支撑载水观察箱，且与载水观察箱的重力保持平衡。锤击器，设在载水观察箱的上方，用于锤击箱体，使箱体加速向下运动，使箱体内部产生空化现象。阻尼器，设在载水观察箱的下方，且固定于支撑面上，用于阻停载水观察箱滑行。若干底板，所述底板的纵向横截面具有不同的几何构型，且所述底板放置于载水观察箱的箱体内部的底部，通过底板的几何构型，诱发箱体内部产生空泡；且不同几何构型的底板，诱发产生的空泡形状不同。

Description

一种空泡发生器及空泡制造方法

技术领域

本发明涉及空化研究设备的技术领域，更具体地，涉及一种空泡发生器及空泡制造方法。

背景技术

空泡是在液体介质遭到连续性破坏的基础上出现的，是压力降低的结果。或者说，当液体内某点压力降低到某个临界压力以下时，液体发生汽化，先是微观的，然后成为宏观的小气泡，尔后在液体内部或液体与固体的交界面上，汇合形成较大的蒸汽与气体的空腔，称为空泡。空泡的产生、发展与溃灭过程称为空化现象。

其中，空化现象会引起周围的流体产生剧烈的压力变化，发出噪声。在那里的物体表面除受到冲击引起损伤之外，还会导致阻力显著地增大。为此，在设计水中运转的机械时，必须考虑空泡对机械性能的影响，对空泡进行校验，避免空泡的产生。

而目前对空化现象的研究，主要集中在高速运动的情况下，局部负压区域产生的空化，而对瞬时超高加速度诱发的空化现象，鲜有精准的实验装置进行研究。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种空泡发生器及制造方法，用于研究空化和加速度以及底板几何构型之间的关系。

为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案是，

一种空泡发生器，包括：载水观察箱；

弹性支撑垫，所述弹性支撑垫固定于一支撑面上，弹性支撑垫的顶部与载水观察箱的底部接触，用于支撑载水观察箱，且与载水观察箱的重力保持平衡。

锤击器，设在载水观察箱的上方，用于锤击箱体，使箱体以大于300g的加速度向下运动，从而在箱体内部产生空化现象。

阻尼器，设在载水观察箱的下方，且固定于支撑面上，用于阻停载水观察箱滑行。

若干底板，所述底板的纵向横截面具有不同的几何构型，且所述底板放置于载水观察箱的箱体内部的底部，通过底板的几何构型，诱发箱体内部产生空泡；且不同几何构型的底板，诱发产生的空泡形状不同。

本技术方案中，锤击器在高速情况下，刚性撞击箱体时，由于动量守恒，会让箱体在瞬时具有超高的加速度，以便于实验研究空泡与加速度之间的关系。其中，箱体通过锤击器撞击，获得超高加速度后，以超高加速度向下运动，而水体由于惯性，在箱体加速下滑时会在其底部产生足够的负压条件诱发空化。同时，置于箱体底部的底板，在空化发生时，底板上的几何构型可以诱发和引导空化的发展过程，使所产生的空泡具有显著的二维特征，以便于研究空化规律。而箱体滑行至底部时，接触到阻尼器，并受到阻尼器的阻力，从而使其速度迅速下降，箱体内底部水体负压区消失，空泡进入溃灭阶段，空化现象结束。

进一步地，所述载水观察箱外部设有防冲击刚性防护框。

进一步地，所述载水观察箱至少一侧面的材质为高清抗内高压有机玻璃。

高清抗内高压有机玻璃既具有抗压抗撞击的作用，还便于观察箱体内的空泡产生情况。具体地，可以通过在箱体的外壁设置一高速摄像机，用于捕捉空泡形态，以便于判断空泡的二维化特征，以及判断二维化特征的有无。

进一步地，所述底板的上半部分具有若干凹凸结构或齿形结构。

具体地，该凹凸结构或齿形结构依次错开设置。凹凸结构或齿形结构的底板类型均属于二维结构的底板类型。

进一步地，所述底板的上半部分设有若干立体构型结构，所述立体构型结构沿其中心轴对称。

进一步地，所述立体构型结构为锥体形或棱柱体形或立体环形结构。

具有立体构型结构的底板属于三维结构类型的底板。

进一步地，所述载水观察箱的底部外壁设有加速度传感器。

设置加速度传感器以便于获取载水观察箱运行的加速度数据。具体地，在载水观察箱的底部外壁设置加速度传感器后，通过锤击器以不同的速度刚性撞击箱体，箱体可以获取不同的加速度，进而产生不同形态的空泡。同时，通过对加速度数据回归分析，还可以获取撞击速度与箱体加速度之间的关系。

进一步地，锤击器撞击箱体时，箱体获得的加速度为300g-1000g的范围，即3000-10000m/s²，说明箱体在锤击器的撞击下，可以获得超高加速度。而箱体在短时间内保持稳定的超高加速度运动时，可以产生可重复的高质量的二维化、对称的空泡形态，以便于研究加速度诱发的空化现象和规律。

一种空泡制造方法，采用上述的空泡发生器制造，其制造步骤包括：

S1：锤击器高速撞击载水观察箱，使载水观察箱瞬间产生向下的超高加速度；

S2：载水观察箱以超高加速度向下运动过程中，其底部的水体由于惯性作用产生负压区，满足空化条件，继而通过底板上的几何构型诱发水体出现空泡，产生空化现象；

S3：载水观察箱接触到阻尼器，阻尼器阻停载水观察箱滑行；箱体内底部水体负压区消失，空泡进入溃灭阶段，空化现象结束；

S4：更换不同几何构型的底板，重复步骤S1，记录下不同几何构型的底板所产生的空化现象。

进一步地，还包括步骤S5：改变锤击器撞击载水观察箱的速度，使箱体产生不同的加速度，从而产生不同形态的空泡。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本技术方案的空泡发生器通过锤击器撞击载水观察箱，获取瞬时超高加速度，以产生空泡，同时利用不同几何构型的底板，来诱发和引导空泡发展成为具有二维特征的形态，以便于研究空化现象，以及超高加速度与空化现象，底板几何构型与空化现象之间的关系，为研究空化的发展过程和特点做好铺垫，相对于平底产生的复杂三维空化现象来说，为二维空化现象的研究开创了先河，更具有研究意义。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为本发明实施例1的空泡随着时间推移的发展结构示意图。

图3为实施例2的底板结构示意图。

图4为实施例2的空泡随着时间推移的发展结构示意图。

图5为实施例3的棱柱形底板的结构示意图。

图6为实施例4的棱锥形结构的底板示意图。

图7为实施例5的立体环形底板的结构示意图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种空泡发生器，包括：载水观察箱100、弹性支撑垫200、锤击器300、阻尼器500和若干底板600。其中，载水观察箱100外部设有防冲击刚性防护框700。载水观察箱100至少一侧面的材质为高清抗内高压有机玻璃400。高清抗内高压有机玻璃400具有抗压抗撞击的作用，由于玻璃具有高清的性能，因此还便于观察箱体内的空泡产生情况。

具体地，弹性支撑垫200固定于一支撑面上，弹性支撑垫200的顶部与载水观察箱100的底部接触，用于支撑载水观察箱100，且与载水观察箱100的重力保持平衡。

锤击器300设在载水观察箱100的上方，用于锤击箱体，使箱体加速向下运动。

阻尼器500，设在载水观察箱100的下方，且固定于支撑面上，用于阻停载水观察箱100滑行；当载水观察箱100遇到阻尼器500时，被快速刹停。

而底板600放置于载水观察箱100的箱体内部的底部，且底板600的纵向横截面具有不同的几何构型，通过底板600的几何构型，诱发箱体内部产生空泡。其中，不同几何构型的底板600，诱发产生的空泡形状不同，以便于研究不同几何构型的底板600所诱发的空化规律。

如图1所示，本实施例中，底板600的上半部分具有若干凹凸结构。该凹凸结构依次错开设置，便于研究凹凸结构的底板600所诱发产生的空化规律。

具体地，锤击器300在高速情况下，刚性撞击箱体时，由于动量守恒，会让箱体在瞬时具有超高的加速度，以便于实验研究空泡与加速度之间的关系。

具体地，用锤击器300快速、刚性撞击装有水的箱体时，箱体会在瞬间具有超高加速度，由于水体的惯性，水体在水箱底部会形成负压区，从而满足空化产生的条件。而不同几何构型的底板600设在箱体底部，会在空化发展过程中，起到诱发和引导或限制空泡形态的作用，以便于研究不同几何构型的底板600所诱发产生的空化规律。其中，经研究发现，底板600上的几何构型可以使空泡具有显著的二维化特征，以便于研究空化规律，也为空化现象的研究开创了先河。

其中，可以通过在箱体的外壁设置一高速摄像机，通过高速摄像机拍摄，捕捉空泡形态，记录空泡发展的过程，以便于判断空泡的二维化特征，以及判断二维化特征的有无。

其中，二维化的空化现象还可以使用二维数值模型进行计算，具有大大减少了所需的计算资源的作用。

优选地，载水观察箱100的底部外壁设有加速度传感器，便于获取载水观察箱100运行的加速度数据。具体地，在载水观察箱100的底部外壁设置加速度传感器后，通过锤击器300以不同的速度刚性撞击箱体，箱体可以获取不同的加速度，进而产生不同形态的空泡。同时，通过对加速度数据回归分析，还可以获取撞击速度与箱体加速度之间的关系。

具体地，本实施例的空泡制造方法，包括以下制造步骤：

S1：锤击器300高速撞击载水观察箱100，使载水观察箱100瞬间产生向下的超高加速度；

S2：载水观察箱100以超高加速度向下运动过程中，其底部的水体由于惯性作用产生负压区，满足空化条件，继而通过底板600上的几何构型诱发水体出现空泡，产生空化现象；

S3：载水观察箱100接触到阻尼器500，阻尼器500阻停载水观察箱100滑行；载水观察箱100底部水体负压区消失，空泡进入溃灭阶段，空化现象结束；

S4：更换不同几何构型的底板600，重复步骤S1，记录下不同几何构型的底板600所产生的空化现象。

S5：改变锤击器300撞击载水观察箱100的速度，使箱体产生不同的加速度，从而产生不同形态的空泡。

如图2所示，具体地，载水观察箱100整个冲击过程通常发生在10毫秒时间，采用上半部分具有凹凸结构的底板进行诱发和引导空泡发展，所获得的空泡在0毫秒至0.2毫秒的时间内逐渐变大，且由两个大体对称的小空泡逐渐发展成为一个两边大体对称的大空泡，以便于研究空化规律。

实施例2

如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，底板600的上半部分设置为若干齿形结构，便于研究齿形结构的底板600所诱发产生的空化规律。

如图4所示，具体地，采用上半部分具有齿形结构的底板600进行诱发和引导空泡发展，所获得的空泡在0毫秒至0.5毫秒的时间内逐渐变大，且大体呈对称设置，以便于研究空化规律。

实施例3

如图5所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，底板600的上半部分设有棱柱体结构，该棱柱体结构沿其中心轴对称，以便于研究棱柱体结构的底板600所诱发产生的空化规律。

实施例4

如图6所示，本实施例与实施例3的不同之处在于，底板600的上半部分设有锥体结构，该锥体结构沿其中心轴对称，以便于研究椎体结构的底板600所诱发产生的空化规律。

实施例5

如图7所示，本实施例与实施例3的不同之处在于，底板600的上半部分设有立体环形结构，该立体环形结构沿其中心轴对称，以便于研究立体环形结构的底板600所诱发产生的空化规律。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种空泡发生器，其特征在于，包括：

载水观察箱；

弹性支撑垫，所述弹性支撑垫固定于一支撑面上，弹性支撑垫的顶部与载水观察箱的底部接触，用于支撑载水观察箱，且与载水观察箱的重力保持平衡；

锤击器，设在载水观察箱的上方，用于锤击箱体，使箱体以大于300g的加速度向下运动，从而在箱体内部产生空化现象；

阻尼器，设在载水观察箱的下方，且固定于支撑面上，用于阻停载水观察箱滑行；

若干底板，所述底板的纵向横截面具有不同的几何构型，且所述底板放置于载水观察箱的箱体内部的底部，通过底板的几何构型，诱发箱体内部产生空泡；且不同几何构型的底板，诱发产生的空泡形状不同。

2.根据权利要求1所述的一种空泡发生器，其特征在于，所述载水观察箱外部设有防冲击刚性防护框。

3.根据权利要求1所述的一种空泡发生器，其特征在于，所述载水观察箱至少一侧面的材质为高清抗内高压有机玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种空泡发生器，其特征在于，所述底板的上半部分具有若干凹凸结构或齿形结构。

5.根据权利要求1所述的一种空泡发生器，其特征在于，所述底板的上半部分设有若干立体构型结构，所述立体构型结构沿其中心轴对称。

6.根据权利要求5所述的一种空泡发生器，其特征在于，所述立体构型结构为锥体形或棱柱体形或立体环形结构。

7.根据权利要求1所述的一种空泡发生器，其特征在于，所述载水观察箱的底部外壁设有加速度传感器。

8.一种空泡制造方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的空泡发生器制造，其制造步骤包括：

S1：锤击器高速撞击载水观察箱，使载水观察箱瞬间产生向下的超高加速度；

S2：载水观察箱以超高加速度向下运动过程中，其底部的水体由于惯性作用产生负压区，满足空化条件，继而通过底板上的几何构型诱发水体出现空泡，产生空化现象；

S3：载水观察箱接触到阻尼器，阻尼器阻停载水观察箱滑行；箱体内底部水体负压区消失，空泡进入溃灭阶段，空化现象结束；

S4：更换不同几何构型的底板，重复步骤S1，记录下不同几何构型的底板所产生的空化现象。

9.根据权利要求8所述的一种空泡制造方法，其特征在于，还包括步骤S5：改变锤击器撞击载水观察箱的速度，使箱体产生不同的加速度，从而产生不同形态的空泡。

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