CN113640539A - 一种水下气泡射流速度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下气泡射流速度测量技术领域，具体涉及一种水下气泡射流速度测量装置及方法。本发明以结构中波的传播理论为基础，依据梁中应力和应变特性与其中波传播规律的相互关系，实现对水下气泡射流速度的准确测量，具有理论背景可靠，装置制作简单的优点。本发明可广泛应用于水下爆炸等领域中冲击波、气泡射流载荷到达结构表面时的速度特性测量中。

Description

一种水下气泡射流速度测量装置及方法

技术领域

本发明属于水下气泡射流速度测量技术领域，具体涉及一种水下气泡射流速度测量装置及方法。

背景技术

水下气泡普遍存在于工业生产领域中，如螺旋桨附近气泡、液压管道内气泡以及水下爆炸气泡等。气泡的存在一方面会影响设备的水动力性能，另一方面气泡溃灭时会形成冲击波与射流。射流形成的水柱会冲击结构表面形成“水锤效应”，造成结构振动和毁伤，因此准确测量气泡射流到达物面时的冲击速度，无论是对气泡动力学基础理论，还是工业生产或水下兵器研制都有重要意义。

准确测量气泡水射流速度对求解水柱冲击下物面压力，起到关键性作用。根据Huang&Hammitt提出的公式：

P₁-P₀＝ρ₀c₀V (1)

其中，P₀表示波前的压力，ρ₀表示波前水的密度，P₁表示波后的压力，c₀为流体声速，V为射流冲击的速度。对于给定的流场环境，前四个物理量都可以直接获得，所以只要求得V就可得到水柱的冲击压力。

传统方法对于射流速度的测量，可以借助高速摄影机通过追踪质点的运动来估算射流速度，但是这种方法存在较大误差，且所得速度并非结构上所受冲击载荷的直接作用源。气泡发生射流时，射流水柱进入静止的流场环境，使其与周围静止流场之间存在速度间断面，该间断面不可避免的受到干扰，失稳进而形成漩涡，漩涡带动周围静止流体产生运动，由于动量的横向传递，导致原射流水柱的动量减小、速度降低，形成一定的速度梯度。以此，为准确获得作用在结构物面上的气泡射流速度，本发明依据梁中波的传播规律以及梁中应力和应变特性，设计了一种通过测量冲击载荷作用下低阻尼梁结构中应变值，获得气泡射流速度的方法与装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下气泡射流速度测量装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括梁主体和电阻丝；所述的梁主体采用低阻尼材料，梁主体厚度为h，梁主体长度方向左右两端置于基座的限位卡槽中，构成简支梁结构；所述的电阻丝以敏感栅的形式布置于梁主体厚度方向h/2处所在的平面，并嵌入梁主体中，电阻丝通过引线与梁主体外部的电阻测量装置连接；

当水下气泡射流垂直入射到梁主体顶面时，通过电阻测量装置获取电阻的变化值△R，得到水下气泡射流速度v(t)；

其中，E为梁主体的弹性模量；I为梁主体的截面惯性矩；ρ为梁主体的密度；A₁为梁主体的截面积，即梁的宽度与厚度的乘积；△R(t)为电阻丝的实时电阻变化值；R₀为电阻丝的初始阻值；K为电阻丝的敏感度系数；μ为电阻丝的电阻率；L为电阻丝的长度；A₂为电阻丝的截面积。

本发明还可以包括：

所述的限位卡槽呈梯形，扩口朝外；所述的梁主体左右两端分别置入限位卡槽的扩口中，在梁主体受到水下气泡射流冲击时，在初始阶段能够正常产生波。

本发明的目的还在于提供一种水下气泡射流速度测量方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：在水下气泡射流场中布置测量装置；

所述的测量装置包括梁主体和电阻丝；所述的梁主体采用低阻尼材料，梁主体厚度为h，梁主体长度方向左右两端置于基座的限位卡槽中，构成简支梁结构；所述的电阻丝以敏感栅的形式布置于梁主体厚度方向h/2处所在的平面，并嵌入梁主体中，电阻丝通过引线与梁主体外部的电阻测量装置连接；所述的梁主体顶面垂直于水下气泡射流方向；

步骤2：获取梁主体的弹性模量E、梁主体的密度ρ、为梁主体的截面惯性矩I、梁主体的截面积A；

步骤3：获取电阻丝的电阻率μ、长度L、截面积A，计算电阻丝的初始阻值R₀；

步骤4：开启水下气泡射流，使其垂直入射到梁主体顶面，通过电阻测量装置实时获取电阻的变化△R(t)，进而获取水下气泡射流的实时速度v(t)；

本发明的有益效果在于：

本发明是以结构中波的传播理论为基础，依据梁中应力和应变特性与其中波传播规律的相互关系，实现对水下气泡射流速度的准确测量，具有理论背景可靠，装置制作简单的优点。此外，由于本发明涉及结构中波的传播特性，因此可广泛应用于水下爆炸等领域中冲击波、气泡射流载荷到达结构表面时的速度特性测量。

附图说明

图1为本发明中一种水下气泡射流速度测量装置的构成示意图。

图2(a)为本发明中基座的主视图。

图2(b)为本发明中基座的俯视图。

图2(c)为本发明中基座的左视图。

图3(a)为本发明中限位卡槽的主视图。

图3(b)为本发明中限位卡槽的俯视图。

图3(c)为本发明中限位卡槽的左视图。

图4为本发明中梁本体与限位卡槽间的连接形式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供的是一种可对水下气泡射流速度进行准确测量的方法与装置。整个装置呈简支梁结构，包括梁本体、中间的电阻丝、卡槽以及底座四部分。梁本体采用低阻尼材料制成，电阻丝嵌入梁本体中，以栅格结构布置形成敏感栅，由两根引线与外部设备连接。敏感栅与梁的上下表面平行，且保证与梁的上下表面距离相等。梁的两端置于卡槽内，在工作状态下形成简支梁结构。卡槽与底座连接，并将底座置于需要对气泡射流速度进行测量的物面上。本发明是以结构中波的传播理论为基础，依据梁中应力和应变特性与其中波传播规律的相互关系，实现对水下气泡射流速度的准确测量，具有理论背景可靠，装置制作简单的优点。此外，由于本发明涉及结构中波的传播特性，因此可广泛应用于水下爆炸等领域中冲击波、气泡射流载荷到达结构表面时的速度特性测量。

(1)测量装置的组成：

装置组成包括：梁主体(上半层梁1和下半层梁2)、限位卡槽3、引线4、敏感栅5以及基座6等。梁主体采用低阻尼材料，上半层梁1和下半层梁2的厚度相等，保证敏感栅位于梁本体的中间位置处。

本发明依据梁中波的传播规律以及梁的应力和应变特性，设计了水中气泡射流速度测试装置。通过将电阻丝以敏感栅的形式布置于低阻尼材料梁在厚度方向的1/2处，并结合速度和应力、应变的关系：

可得到射流冲击的速度。首先，根据电阻应变片的工作原理，电阻丝的电阻(R)与材料的电阻率(μ)及其几何尺寸(长度L，截面积A)有关，即R＝μL/A。电阻丝在承受机械变形的过程中，L和A都要发生相应的变化，在一定范围内，ε＝△R/(R·K)，其中K是敏感度系数。

对于不同的冲击环境，可选用不同规格和尺寸的梁本体，但只要选用的梁本体定下来之后，公式(2)中的E,I,ρ参数就可以确定，再根据电阻丝的阻值变化得到的ε，便可最终确定射流速度v。

梁本体的规格和尺寸可根据目标气泡的大小情况进行选择，限位卡槽的安装位置也可以根据梁本体的尺寸进行调整。梁本体必须是低阻尼(理想状态下没有阻尼)材料，附图中上半层梁1和下半层梁2厚度相等，保证敏感栅位于梁厚度方向的中间位置，即h/2处。限位卡槽呈梯形，扩口朝外，与梁主体配合，既可以在安装时起到现在梁主体位置的作用，又可以保证梁主体受到冲击时，在初始阶段能够正常产生波动。

(2)原理及工作过程：

本发明是一种依据梁中波的传播规律以及梁中应力和应变特性，通过测量冲击载荷作用下低阻尼梁结构中应变值，获得气泡射流速度的方法与装置。

对一根无限长梁，在x＝0处施加某一初始扰动，扰动的一部分向前传播(x正向)，另一部分向后传播(x负方向)。分别用下标i和r表示向前和向后传播的波，两个波群可以表示为

v_i＝∑Ae^-i(βx-wt)+∑Be^-βx+iwt,v_r＝∑Ce^i(βx-wt)+∑De^βx+iwt (3)

波以轴对称方式向外传播，在x＝0处，

根据对称性，假设B＝-iA,D＝-iC，故C＝A。因此，这两个波群用单一的幅度谱表示为：

v_i＝∑A[e^-iβx-ie^-βx]e^iwt,v_r＝∑A[e^iβx-ie^βx]e^iwt (5)

其中，括号里的项为波的传递函数，它表示幅度随位置的变化关系。对于向前传递的扰动，常关注的其他力学参量包括

速度：v_i＝∑iwA[e^-iβx-ie^-βx]e^iwt (6-1)

应变：ε_i＝y∑β²A[e^-iβx+ie^-βx]e^iwt (6-2)

应力：σ_i＝yE∑β²[e^-iβx+ie^-βx]e^iwt (6-3)

在波的起始位置(x＝0)，

ε_i＝y[1+i]∑β²Ae^iwt,v_i＝[i+1]∑wAe^iwt (7)

在没有阻尼条件下，得到

在y＝h/2处，速度和应力、应变的关系为

一种水下气泡射流速度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在水下气泡射流场中布置测量装置；

所述的测量装置包括梁主体和电阻丝；所述的梁主体采用低阻尼材料，梁主体厚度为h，梁主体长度方向左右两端置于基座的限位卡槽中，构成简支梁结构；所述的电阻丝以敏感栅的形式布置于梁主体厚度方向h/2处所在的平面，并嵌入梁主体中，电阻丝通过引线与梁主体外部的电阻测量装置连接；所述的梁主体顶面垂直于水下气泡射流方向；

步骤2：获取梁主体的弹性模量E、梁主体的密度ρ、为梁主体的截面惯性矩I、梁主体的截面积A；

步骤3：获取电阻丝的电阻率μ、长度L、截面积A，计算电阻丝的初始阻值R₀；

步骤4：开启水下气泡射流，使其垂直入射到梁主体顶面，通过电阻测量装置实时获取电阻的变化△R(t)，进而获取水下气泡射流的实时速度v(t)；

实施例1：

本发明是依据梁中波的传播规律以及梁中应力和应变特性而设计，在相关计算的推导过程中，需保证梁结构材料无阻尼，且应变的测试位置位于梁厚度方向的y＝h/2处。本发明采用可拆装式设计，内嵌电阻丝的梁本体是本发明的核心，而且其规格和尺寸可以根据实际目标气泡的大小进行选择。待梁本体确定后，通过带有基座的限位卡槽将其固定在待测结构表面上。

1、测量方法及其理论基础

对一个无限长梁，在x＝0处施加一个初始扰动，则在波的起始点(x＝0)：

ε_i＝y[1+i]∑β²Ae^iwt,v_i＝[i+1]∑wAe^iwt

若不考虑梁材料阻尼，可得到

在y＝h/2处，速度、应力和应变的关系为

因此，只要测得应变值就可以进一步得到质点的速度。

此外，根据Huang&Hammitt提出的公式，P₁-P₀＝ρ₀c₀V，并结合前面得到的射流冲击速度，就可以求得射流对结构表面的冲击压力。

2、确定测量装置中梁本体尺寸

根据第一条的测量方法和理论基础，可知梁的长度尺寸应足够长，具体可根据目标气泡的尺寸来估算射流水柱直径，进而确定梁本体尺寸。

3、确定目标气泡尺寸

对于水下空化气泡，可通过查询相关水力学资料来确定；对于水下爆炸气泡，可根据药包的装药量W以及爆心的初始深度H，来确定气泡的最大半径R_m，以TNT炸药为例：

4、确定敏感栅位置

敏感栅是由电阻丝构成，应用了电阻丝应变片的原理，通过在一定范围内，检测电阻值的该变量，来计算应变值：ε＝△R/(R·K)，其中K是敏感度系数。敏感栅需置于梁本体水平面的中心位置，并沿厚度方向的y＝h/2处。

5、确定测量装置的安装过程

根据近物面气泡动力学理论，确定气泡射流方向及结构的承载(射流冲击)位置；根据结构的承载位置，以焊接或螺栓连接等方法将基座固定，基座上已焊接的方式连有限位卡槽；将梁本体的一端放入卡槽内，再进行另一端基座的固定，最终形成简支梁结构。

通过对水下气泡射流速度进行准确测量，有利于确定结构受到的射流冲击载荷，对探究水下气泡影响下设备的水动力性能、疲劳损伤以及振动噪声等特性具有重要意义。传统方法是通过高速摄影技术追踪流体质点的运动，计算射流速度。这种方式一方面对实验条件要求高，需要昂贵的高速摄影系统，操作复杂；另一方法其测得的数据存在较大误差，所得速度并非结构上所受冲击载荷的直接作用源。因此，设计一种便捷的能够对水下气泡射流速度进行准确测量的装置是十分必要的。

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)

1.一种水下气泡射流速度测量装置，其特征在于：包括梁主体和电阻丝；所述的梁主体采用低阻尼材料，梁主体厚度为h，梁主体长度方向左右两端置于基座的限位卡槽中，构成简支梁结构；所述的电阻丝以敏感栅的形式布置于梁主体厚度方向h/2处所在的平面，并嵌入梁主体中，电阻丝通过引线与梁主体外部的电阻测量装置连接；

当水下气泡射流垂直入射到梁主体顶面时，通过电阻测量装置获取电阻的变化值△R，得到水下气泡射流速度v(t)；

其中，E为梁主体的弹性模量；I为梁主体的截面惯性矩；ρ为梁主体的密度；A₁为梁主体的截面积，即梁的宽度与厚度的乘积；△R(t)为电阻丝的实时电阻变化值；R₀为电阻丝的初始阻值；K为电阻丝的敏感度系数；μ为电阻丝的电阻率；L为电阻丝的长度；A₂为电阻丝的截面积。

2.根据权利要求1所述的一种水下气泡射流速度测量装置，其特征在于：所述的限位卡槽呈梯形，扩口朝外；所述的梁主体左右两端分别置入限位卡槽的扩口中，在梁主体受到水下气泡射流冲击时，在初始阶段能够正常产生波。

3.一种水下气泡射流速度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在水下气泡射流场中布置测量装置；

所述的测量装置包括梁主体和电阻丝；所述的梁主体采用低阻尼材料，梁主体厚度为h，梁主体长度方向左右两端置于基座的限位卡槽中，构成简支梁结构；所述的电阻丝以敏感栅的形式布置于梁主体厚度方向h/2处所在的平面，并嵌入梁主体中，电阻丝通过引线与梁主体外部的电阻测量装置连接；所述的梁主体顶面垂直于水下气泡射流方向；

步骤2：获取梁主体的弹性模量E、梁主体的密度ρ、为梁主体的截面惯性矩I、梁主体的截面积A；

步骤3：获取电阻丝的电阻率μ、长度L、截面积A，计算电阻丝的初始阻值R₀；

步骤4：开启水下气泡射流，使其垂直入射到梁主体顶面，通过电阻测量装置实时获取电阻的变化△R(t)，进而获取水下气泡射流的实时速度v(t)；

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