CN113686851A - 一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置和方法，装置包括智能数据采集系统、轨道式观测支架、气泡冲击仰视与斜视观测记录系统、实时控温透明水箱、水平隔板、气泡冲击侧视观测打光设备、气泡冲击仰视与斜视观测打光设备、铝板、海冰试样、气泡冲击侧视观测记录系统、限位组件、反光观测镜、水箱水压控制系统、遥控温度控制面板和电源；遥控温度控制面板控制实时控温透明水箱内水温，电源为电火花气泡发生器供电，电火花气泡发生器产生气泡对铝板上的海冰试样破坏。本发明提供监测气泡除冰的实验装置，通过试验得到利用气泡能量去除结构物表面冰时的裂纹产生、扩展及破坏过程，观察具有规律性的宏观破坏模式。

Description

一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置和方法

技术领域

本发明属于气泡除冰技术领域，尤其是涉及一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置和方法。

背景技术

近年来，极地地区丰富的矿物能量资源掀起了研究领域的新浪潮，人们开始对极地资源的开发和利用投入大量的关注。而极地船和极地海洋平台作为重要的科考基础装备，其建造的安全性、可靠性等问题的研究是极地科考领域的一项重要技术支撑。为了确保极地科考船和极地海洋平台的安全性，与海冰有关的问题需要进行研究。除冰技术已经引起越来越多的关注，在极地恶劣条件下的环境气候中，湿冷的海气团、多浓的海雾、暴风雪等极端气候形成了海冰，附着在极地船舶和海洋平台上的海冰对这些极地装备的正常工作和运转造成了极大的威胁，可能会引起航行事故、工作人员的生命安全。因此，对于海冰的破坏机理以及防冻除冰技术的研究分析在极地海冰研究领域中有着重要的意义。

除冰技术根据除冰方式通常分为主动除冰和被动除冰。主动除冰方法通常从外力中吸收大量能量和资源，包括机械，电加热，红外线；而被动除冰方法几乎不会通过使用涂料本身来防止冰凝结，结合风或重力来除冰而消耗能量。目前，最常用的除冰技术是化学除冰，电热除冰，气动除冰，电振荡除冰和电脉冲除冰。电加热除冰的方法是通过使用电阻线等加热元件装置作为热源将冰层融化去除，其工作原理是将发电机的电能转化为热能，其优点是除冰的过程快捷方便，缺点是在能量的转化过程中，能量损耗较多，且较易发生二次结冰的情况；高速热流除冰方法是通过喷射高压蒸汽水来融化结构表面的冰层，其优点是产生的能量可被发动机、锅炉等设备循环利用，缺点是对覆冰材料有限制，不适用于热敏感性材料和脆性材料；化学物质除冰的方法一般是用于积雪道路上，采用喷洒和涂抹融冰的化学产品如氯化钙、尿素等等来融化冰，其缺点是腐蚀设备和污染环境。与传统方法相比，使用气泡可以破冰，另一个优点是气泡可以由多种来源产生，例如水下放电或压缩空气等。因此，可以使用气泡这样的清洁和可再生的能量，该过程可以更加环保。

目前，国内外对各种情况下除冰技术的探究很多，大多数集中于飞机、路面和高压输电线的除冰试验。张东来、许培仪基于夹心式换能器、超声波发生器搭配使用，采用非热力学、低功耗的除冰方式，利用超声导波剪切应力应力实现除冰，可以根据覆冰状态确定夹心式换能器的安装位置和间距，提高除冰效力。李海涛、于雁武研制了一种高压线压缩空气冲击除冰装置，利用压缩空气存储器内储存的高压气体除冰，有效去除覆冰。但对于去除极地船舶结构和海洋平台的覆冰的研究并不多见。因此，利用水下放电或压缩空气产生气泡破冰的新型清洁、环保的试验研究十分必要，对于监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置和方法也有着重要意义。

一般对超声除冰的试验研究较多，而对于监测电火花产生气泡去除结冰结构物表面冰层的裂纹扩展特性的研究较少，仅采用单一的试验设备不能满足本试验的需求。为了进一步提高对气泡除冰的裂纹扩展的认识，因此有必要设计一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置及测试方法。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置和方法，本发明采用水下电火花气泡产生装置，提供针对监测气泡除冰的实验装置，并通过试验得到利用气泡能量去除结构物表面冰时的裂纹产生、扩展及破坏过程，观察得到具有规律性的宏观破坏模式。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置，包括智能数据采集系统、轨道式观测支架、气泡冲击仰视与斜视观测记录系统、实时控温透明水箱、水平隔板、气泡冲击侧视观测打光设备、气泡冲击仰视与斜视观测打光设备、铝板、海冰试样、气泡冲击侧视观测记录系统、限位组件、反光观测镜、水箱水压控制系统、遥控温度控制面板和电源；

所述的实时控温透明水箱设置在轨道式观测支架的内部，所述的遥控温度控制面板设置在实时控温透明水箱的底部，在实时控温透明水箱注入去离子水，在铝板的下表面全覆盖一层海冰试样，在铝板和海冰试样接触面的中间位置贴有应变片，通过均布在铝板和海冰试样四周的四个限位组件将铝板和海冰试样限位在去离子水的液面上，所述的水箱水压控制系统设置在实时控温透明水箱的底部，所述的水平隔板设置在水箱水压控制系统上，在水平隔板上向上倾斜45°放置反光观测镜；

遥控温度控制面板实时控温控制透明水箱内的水温，电源为电火花气泡发生器供电，电火花气泡发生器产生气泡对铝板上的海冰试样进行破坏；

所述的气泡冲击仰视与斜视观测记录系统、气泡冲击侧视观测记录系统、气泡冲击侧视观测打光设备、气泡冲击仰视与斜视观测打光设备和电火花气泡发生器均吊装在轨道式观测支架上，且分别通过一遥控升降仪调节升降，所述的气泡冲击仰视与斜视观测记录系统和气泡冲击侧视观测打光设备配合拍摄记录垂直方向上气泡迁移、冲击波和冰破裂的侧视图；气泡冲击仰视与斜视观测记录系统通过倾斜45°放置的反光观测镜与气泡冲击仰视与斜视观测打光设备配合拍摄记录水平方向上的气泡射流、环形气泡和冰破裂的仰视图；

所述的气泡冲击仰视与斜视观测记录系统和气泡冲击侧视观测记录系统均与智能数据采集系统电连接。

进一步的，所述电火花气泡发生器包括放电针、放电针针柱和水中电火花发生器底座，所述水中电火花发生器底座通过支杆由轨道式观测支架横梁保持在水中，且支杆上的遥控升降仪控制电火花气泡产生装置的位置，两个放电针针柱固定在水中电火花发生器底座的安装臂上，两根放电针分别安装在两个放电针针柱上，两根放电针的顶端接近相交；给电火花气泡发生器供电，使放电针放电电压至所需电压，延迟过后放电针会放电引起水中的爆炸气泡，气泡冲击上升对铝板上的海冰试样进行破坏。

进一步的，气泡冲击侧视观测打光设备安装在轨道式观测支架的前侧，气泡冲击侧视观测记录系统安装在轨道式观测支架的后侧，气泡冲击侧视观测打光设备与气泡冲击侧视观测记录系统正对布置，并处于一条水平线上，且与两放电针的气泡产生位置位于同一条水平线上；

气泡冲击仰视与斜视观测记录系统安装在轨道式观测支架的左侧，气泡冲击仰视与斜视观测打光设备安装在轨道式观测支架的前侧且位置与反光观测镜相适应，气泡冲击仰视与斜视观测记录系统与两放电针的气泡产生位置位于同一条水平线上。

进一步的，在实时控温透明水箱外部连通有水箱水量控制系统，所述水箱水量控制系统包括阀门、进水管和出水管，在进水管和出水管上分别设有一阀门，且进水管和出水管均与实时控温透明水箱底部连通，水箱水量控制系统控制实时控温透明水箱中的水量。

进一步的，所述水箱水压控制系统包括导流栅和调压箱，所述水平隔板放置在调压箱上，所述调压箱调整水压，所述导流栅对水流方向进行控制。

进一步的，四个所述限位组件分别安装在实时控温透明水箱的四个内壁上。

进一步的，所述限位组件包括L型限位座、中空支撑杆、螺纹孔调节杆和安装板，所述中空支撑杆一端与L型限位座固定连接，螺纹孔调节杆的一端穿入中空支撑杆内，另一端固定在安装板上，所述安装板粘贴在实时控温透明水箱的内壁上，在中空支撑杆的另一端安装有固定螺杆，在螺纹孔调节杆上均匀开设若干螺纹孔，通过固定螺杆与某一螺纹孔的配合实现中空支撑杆与螺纹孔调节杆的连接。

进一步的，所述气泡冲击侧视观测打光设备和气泡冲击仰视与斜视观测打光设备均为LED照明灯，气泡冲击仰视与斜视观测记录系统和气泡冲击侧视观测记录系统均为高速拍摄相机。

利用上述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置监测气泡除冰的裂纹扩展特性的方法，具体包括以下步骤：

(1)样本制作：采用激光切割将铝板切成200mm×200mm的方板，厚度为1mm，分别制作霜状海冰试样和块状海冰试样，形成铝板-海冰结构，且铝板-海冰结构中海冰的尺寸为200mm×200mm，厚度为5mm-30mm，在铝板和海冰试样接触面的中间位置贴有应变片；

(2)水箱注水：通过水箱水量控制系统控制实时控温透明水箱中的水量，向实时控温透明水箱中注入300mm的去离子水，在实时控温透明水箱底部设有调压箱和导流栅作为水箱水压控制系统，将水平隔板放置在调压箱上，将实验观测用的反光观测镜倾斜45°放置在水平隔板上；

(3)水箱控温：使用遥控温度控制面板调整实时控温透明水箱中温度保持在0℃至3℃之间；

(4)样本固定：利用四个限位组件固定铝板-海冰结构，确保铝板-海冰结构在实时控温透明水箱的自由液面表面处下方，保持铝板-海冰结构固定于实时控温透明水箱中间位置处；

(5)摄影布置：在实时控温透明水箱外设置轨道式观测支架，在轨道式观测支架上分别固定电火花气泡发生器、气泡冲击仰视与斜视观测记录系统、气泡冲击侧视观测记录系统、气泡冲击侧视观测打光设备和气泡冲击仰视与斜视观测打光设备，利用遥控升降仪调整电火花气泡发生器、观测记录系统及观测打光设备的位置，调整完毕后准备试验；

(6)开始试验：电火花气泡发生器给电工作，使放电针放电电压至所需电压，延迟过后放电针会放电引起水中的爆炸气泡，气泡冲击上升对铝板上的海冰试样进行破坏；与此同时气泡冲击仰视与斜视观测记录系统通过倾斜45°放置的反光观测镜配合气泡冲击仰视与斜视观测打光设备产生阴影进行拍摄水平方向上的气泡射流、环形气泡和冰破裂的仰视图；气泡冲击侧视观测记录系统配合气泡冲击侧视观测打光设备用作背光拍摄垂直方向上气泡迁移、冲击波和冰破裂的侧视图；铝板中间贴的应变片记录气泡除冰前后铝板是否受到冲击，对气泡除冰时模拟船体的板的受力情况进行监测，观测其是否变形；气泡冲击仰视与斜视观测记录系统和气泡冲击侧视观测记录系统记录数据传入智能数据采集系统，得到冰层破坏及裂纹扩展过程；

(7)调节电火花气泡发生器的高度，更换不同冰厚的海冰试样，更换不同种类海冰试样，重复步骤(6)，通过改变不同的气泡与海冰试样的距离、不同的冰厚来研究气泡去除冰冻结构物上的冰层的能力，对除冰效率进行对比，根据观测记录系统和实际观察对裂纹扩展以及气泡破坏冰层的特性分析实验结果。

相对于现有技术，本发明所述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置具有以下优势：

1、试验采用的观测方法可以从垂直方向和水平方向上均对气泡除冰过程进行观察，获得侧视图、仰视图和斜视图，对冲击波、气泡射流以及冰层破裂等过程均能进行记录。

2、针对结构物冻结冰层的除冰技术应用，设计利用气泡的能量去除铝板上冻结的冰层，不但对于能源的二次利用有着重要的意义，研究结果旨在为船舶、航天领域的安全性的技术领域提供参考。

3、现有针对超声除冰的试验机有很多，而对于气泡除冰的研究较少，仅采用单一的试验设备不能满足本试验的需求，所以针对现有条件，采用本申请的试验方法及测量装置对模拟气泡除冰裂纹破坏扩展的特性进行了探索，所获得试验现象和结果对气泡去除结构物表面冰层的能力提出了有价值的认识，尤其是得到的宏观破坏模式，对于理解冰层在气泡冲击作用下的破环和裂纹发展具有一定的工程实践意义。

4、本申请克服现有技术的空缺，提供一种简单易行、成本低的气泡对附着在冰冻结构物上冰层的破坏能力的测定方法，此发明能够解决针对气泡能量对结构物上冰层进行破坏时的裂隙扩展情况，这为研究不同的气泡与冰板的距离、不同的冰厚对气泡去除冰冻结构物上的冰层的破坏特性及对除冰能力的可视化认识提供有价值的帮助。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的限定装置的结构示意图；

图3为气泡冲击侧视观测记录系统及气泡冲击侧视观测打光设备示意图；

图4为气泡冲击仰视与斜视观测记录系统及气泡冲击仰视与斜视观测打光设备示意图。

附图标记说明：

1-智能数据采集系统，2-轨道式观测支架，3-遥控升降仪，4-气泡冲击仰视与斜视观测记录系统，5-实时控温透明水箱，6-水平隔板，7-水箱水量控制系统，8-气泡冲击侧视观测打光设备，9-气泡冲击仰视与斜视观测打光设备，10-铝板，11-海冰试样，12-放电针，13-放电针针柱，14-气泡冲击侧视观测记录系统，15-水中电火花发生器底座，16-限定装置，17-反光观测镜，18-水箱水压控制系统，19-遥控温度控制面板，20-电源。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图4所示，一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置，包括智能数据采集系统1、轨道式观测支架2、气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4、实时控温透明水箱5、水平隔板6、气泡冲击侧视观测打光设备8、气泡冲击仰视与斜视观测打光设备9、铝板10、海冰试样11、气泡冲击侧视观测记录系统14、限位组件16、反光观测镜17、水箱水压控制系统18、遥控温度控制面板19和电源20；

所述的实时控温透明水箱5设置在轨道式观测支架2的内部，所述的遥控温度控制面板19设置在实时控温透明水箱5的底部，在实时控温透明水箱5注入去离子水，在铝板10的下表面全覆盖一层海冰试样11，在铝板10和海冰试样11接触面的中间位置贴有应变片，通过均布在铝板10和海冰试样11四周的四个限位组件16将铝板10和海冰试样11限位在去离子水的液面上，所述的水箱水压控制系统18设置在实时控温透明水箱5的底部，所述的水平隔板6设置在水箱水压控制系统18上，在水平隔板6上向上倾斜45°放置反光观测镜17；

遥控温度控制面板19控制实时控温透明水箱5内的水温，电源20为电火花气泡发生器供电，电火花气泡发生器产生气泡对铝板10上的海冰试样11进行破坏；

所述的气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4、气泡冲击侧视观测记录系统14、气泡冲击侧视观测打光设备8、气泡冲击仰视与斜视观测打光设备9和电火花气泡发生器均吊装在轨道式观测支架2上，且分别通过一遥控升降仪3调节升降，所述的气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4和气泡冲击侧视观测打光设备8配合拍摄记录垂直方向上气泡迁移、冲击波和冰破裂的侧视图；气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4通过倾斜45°放置的反光观测镜17与气泡冲击仰视与斜视观测打光设备9配合拍摄记录水平方向上的气泡射流、环形气泡和冰破裂的仰视图和斜视图；

所述的气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4和气泡冲击侧视观测记录系统14均与智能数据采集系统1电连接。

电火花气泡发生器包括放电针12、放电针针柱13和水中电火花发生器底座15，所述水中电火花发生器底座15通过支杆由轨道式观测支架2横梁保持在水中，且支杆上的遥控升降仪控制电火花气泡产生装置的位置，两个放电针针柱13固定在水中电火花发生器底座15的安装臂上，两根放电针12分别安装在两个放电针针柱13上，两根放电针12的顶端接近相交；给电火花气泡发生器供电，使放电针12放电电压至所需电压，延迟过后放电针12会放电引起水中的爆炸气泡，气泡冲击上升对铝板10上的海冰试样11进行破坏。

气泡冲击侧视观测打光设备8和气泡冲击仰视与斜视观测打光设备9均为LED照明灯。气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4和气泡冲击侧视观测记录系统14均为高速拍摄相机。

气泡冲击侧视观测打光设备8安装在轨道式观测支架2的前侧，气泡冲击侧视观测记录系统14安装在轨道式观测支架2的后侧，气泡冲击侧视观测打光设备8与气泡冲击侧视观测记录系统14正对布置，并处于一条水平线上，且与两放电针12相交处的气泡产生位置位于同一条水平线上；具体为气泡冲击侧视观测记录系统14的高速拍摄相机的镜头正对应气泡冲击侧视观测打光设备8的LED照明灯，且均与两放电针12顶端接近相交处的气泡产生位置位于同一条水平线上，三者在同一条水平线上；

气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4安装在轨道式观测支架2的左侧，气泡冲击仰视与斜视观测打光设备9安装在轨道式观测支架2的前侧且位置与反光观测镜17相适应，气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4与两放电针12顶端接近相交处的气泡产生位置位于同一条水平线上，具体为，高速拍摄相机的镜头与两放电针12相交处的气泡产生位置位于同一条水平线上。

在实时控温透明水箱5外部连通有水箱水量控制系统7，所述水箱水量控制系统7包括阀门、进水管和出水管，在进水管和出水管上分别设有一阀门，且进水管和出水管均与实时控温透明水箱5底部连通，水箱水量控制系统7控制实时控温透明水箱5中的水量，确保铝板-海冰结构在水面下方受气泡冲击。

水箱水压控制系统18包括导流栅和调压箱，所述水平隔板6放置在调压箱上，所述调压箱调整水压，所述导流栅对水流方向进行控制，保证透明水箱使用过程中水压正常且改变参数做不同实验时水箱中增减无气水的稳定。

四个所述限位组件16分别安装在实时控温透明水箱5的四个内壁上。限位组件16包括L型限位座、中空支撑杆、螺纹孔调节杆和安装板，所述中空支撑杆一端与L型限位座固定连接，螺纹孔调节杆的一端穿入中空支撑杆内，另一端固定在安装板上，所述安装板粘贴在实时控温透明水箱5的内壁上，在中空支撑杆的另一端安装有固定螺杆，在螺纹孔调节杆上均匀开设若干螺纹孔，通过固定螺杆与某一螺纹孔的配合实现中空支撑杆与螺纹孔调节杆的连接，通过限位组件16对铝板10和海冰试样11位置固定，在气泡冲击下不会发生偏移。由于限定组件的可调整性，改变尺寸也可以调整长度进行固定。

图3中的气泡冲击侧视观测记录系统14记录垂直方向上气泡迁移、冲击波和冰破裂的侧视图；图中虚线表示的区域为气泡冲击侧视观测打光设备8所照明的区域，点划线表示的是气泡冲击侧视观测记录系统14拍摄的气泡上升过程及冰破裂过程；

图4中的气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4可以通过倾斜45°放置的反光观测镜17拍摄记录水平方向上的气泡射流、环形气泡和冰破裂的仰视图，虚线是气泡冲击仰视与斜视观测打光设备9的照射区域，保证利用阴影法(即气泡产生时气泡与水对光的折射率不同使气泡区域产生明显气泡轮廓阴影)记录，图中点划线表示气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4既通过镜子的反射去记录水平方向上气泡射流、冰层破裂的过程，也可以补充整个过程的斜视图。气泡冲击仰视与斜视观测记录系统还提供斜视图，使得冲击波可以被可视化，因为它们引起水密度的变化，从而偏转背光，因此背光光束调整为平行得以提高冲击波图像的对比度，但气泡内部的清晰可视化有一定影响。

电源20是400μF电容器，水中电火花气泡发生是水在非常短的时间内在正负交叉点附近被加热从而产生气泡并迅速开始膨胀，当气泡膨胀到最大值时开始收缩，随后产生射流和冲击波，利用气泡的能量除去铝板上附着的冰层。

利用上述一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置监测气泡除冰的裂纹扩展特性的方法，具体包括以下步骤：

(1)样本制作：采用激光切割技术将铝板切成200mm×200mm的方板，厚度为1mm，采用霜状冰冻结技术和定向冷冻技术两种冷冻技术分别分别制作霜状海冰试样和块状海冰试样，形成铝板-海冰结构，且铝板-海冰结构中海冰的尺寸为200mm×200mm，厚度为5mm-30mm，在铝板10和海冰试样11接触面的中间位置贴有应变片；

(2)水箱注水：水箱尺寸长、宽、高分别为1500、800、500mm；通过水箱水量控制系统7控制实时控温透明水箱5中的水量，向实时控温透明水箱5中注入300mm的去离子水，在实时控温透明水箱5底部设有调压箱和导流栅作为水箱水压控制系统18，将水平隔板6放置在调压箱上，将实验观测用的反光观测镜17倾斜45°放置在水平隔板6上；

(3)水箱控温：使用遥控温度控制面板19调整实时控温透明水箱5中温度保持在0℃至3℃之间；

(4)样本固定：利用四个限位组件16固定铝板-海冰结构，确保铝板-海冰结构在实时控温透明水箱5的自由液面表面处下方，保持铝板-海冰结构固定于实时控温透明水箱5中间位置处；防止气泡产生的能量使结构浮动漂走；

(5)摄影布置：在实时控温透明水箱5外设置轨道式观测支架2，在轨道式观测支架2上分别固定电火花气泡发生器、气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4、气泡冲击侧视观测记录系统14、气泡冲击侧视观测打光设备8和气泡冲击仰视与斜视观测打光设备9，利用遥控升降仪3调整电火花气泡发生器、观测记录系统及观测打光设备的位置，调整完毕后准备试验；

(6)开始试验：电火花气泡发生器给电工作，使放电针12放电电压至所需电压，延迟过后放电针12会放电引起水中的爆炸气泡，气泡冲击上升对铝板10上的海冰试样11进行破坏；与此同时气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4通过倾斜45°放置的反光观测镜17配合气泡冲击仰视与斜视观测打光设备9产生阴影进行拍摄水平方向上的气泡射流、环形气泡和冰破裂的仰视图；气泡冲击侧视观测记录系统14配合气泡冲击侧视观测打光设备8用作背光拍摄垂直方向上气泡迁移、冲击波和冰破裂的侧视图；铝板10中间贴的应变片记录气泡除冰前后铝板是否受到冲击，对气泡除冰时模拟船体的板的受力情况进行监测，观测其是否变形；气泡冲击仰视与斜视观测记录系统4和气泡冲击侧视观测记录系统14记录数据传入智能数据采集系统1，得到冰层破坏及裂纹扩展过程；

(7)调节电火花气泡发生器的高度，更换不同冰厚的海冰试样11，更换不同种类海冰试样，重复步骤(6)，具体为：实验中分别对不同气泡距离参数远距离d＝32mm，中距离d＝20mm，近距离d＝8mm进行实验，海冰试样厚度为10mm，研究气泡距离对去除附着在铝板结构上的冰层的效率；实验还对不同厚度的铝板-海冰结构方案研究气泡除冰能力，分别对厚冰(冰厚度30mm)、中厚冰(冰厚度20mm)、薄冰(冰厚度8mm)和霜状冰在气泡距离参数为10mm的情况下进行了冰层裂纹扩展破坏的观察；通过改变不同的气泡与海冰试样11的距离、不同的冰厚来研究气泡去除冰冻结构物上的冰层的能力，对除冰效率进行对比，根据摄像机拍摄和实际观察对裂纹扩展以及气泡破坏冰层的特性分析实验结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置，其特征在于：包括智能数据采集系统(1)、轨道式观测支架(2)、气泡冲击仰视与斜视观测记录系统(4)、实时控温透明水箱(5)、水平隔板(6)、气泡冲击侧视观测打光设备(8)、气泡冲击仰视与斜视观测打光设备(9)、铝板(10)、海冰试样(11)、气泡冲击侧视观测记录系统(14)、限位组件(16)、反光观测镜(17)、水箱水压控制系统(18)、遥控温度控制面板(19)和电源(20)；

所述的实时控温透明水箱(5)设置在轨道式观测支架(2)的内部，所述的遥控温度控制面板(19)设置在实时控温透明水箱(5)的底部，在实时控温透明水箱(5)注入去离子水，在铝板(10)的下表面全覆盖一层海冰试样(11)，在铝板(10)和海冰试样(11)接触面的中间位置贴有应变片，通过均布在铝板(10)和海冰试样(11)四周的四个限位组件(16)将铝板(10)和海冰试样(11)限位在去离子水的液面上，所述的水箱水压控制系统(18)设置在实时控温透明水箱(5)的底部，所述的水平隔板(6)设置在水箱水压控制系统(18)上，在水平隔板(6)上向上倾斜45°放置反光观测镜(17)；

遥控温度控制面板(19)控制实时控温透明水箱(5)内的水温，电源(20)为电火花气泡发生器供电，电火花气泡发生器产生气泡对铝板(10)上的海冰试样(11)进行破坏；

所述的气泡冲击仰视与斜视观测记录系统(4)、气泡冲击侧视观测记录系统(14)、气泡冲击侧视观测打光设备(8)、气泡冲击仰视与斜视观测打光设备(9)和电火花气泡发生器均吊装在轨道式观测支架(2)上，且分别通过一遥控升降仪(3)调节升降，所述的气泡冲击仰视与斜视观测记录系统(4)和气泡冲击侧视观测打光设备(8)配合拍摄记录垂直方向上气泡迁移、冲击波和冰破裂的侧视图；气泡冲击仰视与斜视观测记录系统(4)通过倾斜45°放置的反光观测镜(17)与气泡冲击仰视与斜视观测打光设备(9)配合拍摄记录水平方向上的气泡射流、环形气泡和冰破裂的仰视图和斜视图；

所述的气泡冲击仰视与斜视观测记录系统(4)和气泡冲击侧视观测记录系统(14)均与智能数据采集系统(1)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置，其特征在于：所述电火花气泡发生器包括放电针(12)、放电针针柱(13)和水中电火花发生器底座(15)，所述水中电火花发生器底座(15)通过支杆由轨道式观测支架(2)横梁保持在水中，且支杆上的遥控升降仪控制电火花气泡产生装置的位置，两个放电针针柱(13)固定在水中电火花发生器底座(15)的安装臂上，两根放电针(12)分别安装在两个放电针针柱(13)上，两根放电针(12)的顶端接近相交；给电火花气泡发生器供电，使放电针(12)放电电压至所需电压，延迟过后放电针(12)会放电引起水中的爆炸气泡，气泡冲击上升对铝板(10)上的海冰试样(11)进行破坏。

3.根据权利要求2所述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置，其特征在于：气泡冲击侧视观测打光设备(8)安装在轨道式观测支架(2)的前侧，气泡冲击侧视观测记录系统(14)安装在轨道式观测支架(2)的后侧，气泡冲击侧视观测打光设备(8)与气泡冲击侧视观测记录系统(14)相正对布置，并处于一条水平线上，且与两放电针(12)的气泡产生位置位于同一条水平线上；

气泡冲击仰视与斜视观测记录系统(4)安装在轨道式观测支架(2)的左侧，气泡冲击仰视与斜视观测打光设备(9)安装在轨道式观测支架(2)的前侧且位置与反光观测镜(17)相适应，气泡冲击仰视与斜视观测记录系统(4)与两放电针(12)的气泡产生位置位于同一条水平线上。

4.根据权利要求1所述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置，其特征在于：在实时控温透明水箱(5)外部连通有水箱水量控制系统(7)，所述水箱水量控制系统(7)包括阀门、进水管和出水管，在进水管和出水管上分别设有一阀门，且进水管和出水管均与实时控温透明水箱(5)底部连通，水箱水量控制系统(7)控制实时控温透明水箱(5)中的水量。

5.根据权利要求1所述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置，其特征在于：所述水箱水压控制系统(18)包括导流栅和调压箱，所述水平隔板(6)放置在调压箱上，所述调压箱调整水压，所述导流栅对水流方向进行控制。

6.根据权利要求1所述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置，其特征在于：四个所述限位组件(16)分别安装在实时控温透明水箱(5)的四个内壁上。

7.根据权利要求6所述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置，其特征在于：所述限位组件(16)包括L型限位座、中空支撑杆、螺纹孔调节杆和安装板，所述中空支撑杆一端与L型限位座固定连接，螺纹孔调节杆的一端穿入中空支撑杆内，另一端固定在安装板上，所述安装板粘贴在实时控温透明水箱(5)的内壁上，在中空支撑杆的另一端安装有固定螺杆，在螺纹孔调节杆上均匀开设若干螺纹孔，通过固定螺杆与某一螺纹孔的配合实现中空支撑杆与螺纹孔调节杆的连接。

8.根据权利要求1所述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置，其特征在于：所述气泡冲击侧视观测打光设备(8)和气泡冲击仰视与斜视观测打光设备(9)均为LED照明灯。

9.根据权利要求1所述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置，其特征在于：气泡冲击仰视与斜视观测记录系统(4)和气泡冲击侧视观测记录系统(14)均为高速拍摄相机。

10.利用根据权利要求1-9中任一项所述的一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置监测气泡除冰的裂纹扩展特性的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)样本制作：采用激光切割将铝板切成200mm×200mm的方板，厚度为1mm，分别制作霜状海冰试样和块状海冰试样，形成铝板-海冰结构，且铝板-海冰结构中海冰的尺寸为200mm×200mm，厚度为5mm-30mm，在铝板(10)和海冰试样(11)接触面的中间位置贴有应变片；

(2)水箱注水：通过水箱水量控制系统(7)控制实时控温透明水箱(5)中的水量，向实时控温透明水箱(5)中注入300mm的去离子水，在实时控温透明水箱(5)底部设有调压箱和导流栅作为水箱水压控制系统(18)，将水平隔板(6)放置在调压箱上，将实验观测用的反光观测镜(17)倾斜45°放置在水平隔板(6)上；

(3)水箱控温：使用遥控温度控制面板(19)调整实时控温透明水箱(5)中温度保持在0℃至3℃之间；

(4)样本固定：利用四个限位组件(16)固定铝板-海冰结构，确保铝板-海冰结构的深度在实时控温透明水箱(5)的自由液面表面处下方，保持铝板-海冰结构固定于实时控温透明水箱(5)中间位置处；

(5)摄影布置：在实时控温透明水箱(5)外设置轨道式观测支架(2)，在轨道式观测支架(2)上分别固定电火花气泡发生器、气泡冲击仰视与斜视观测记录系统(4)、气泡冲击侧视观测记录系统(14)、气泡冲击侧视观测打光设备(8)和气泡冲击仰视与斜视观测打光设备(9)，利用遥控升降仪(3)调整电火花气泡发生器、观测记录系统及观测打光设备的位置，调整完毕后准备试验；

(6)开始试验：电火花气泡发生器给电工作，使放电针(12)放电电压至所需电压，延迟过后放电针(12)会放电引起水中的爆炸气泡，气泡冲击上升对铝板(10)上的海冰试样(11)进行破坏；与此同时气泡冲击仰视与斜视观测记录系统(4)通过倾斜45°放置的反光观测镜(17)配合气泡冲击仰视与斜视观测打光设备(9)产生阴影进行拍摄水平方向上的气泡射流、环形气泡和冰破裂的仰视图；气泡冲击侧视观测记录系统(14)配合气泡冲击侧视观测打光设备(8)用作背光拍摄垂直方向上气泡迁移、冲击波和冰破裂的侧视图；铝板(10)中间贴的应变片记录气泡除冰前后铝板是否受到冲击，对气泡除冰时模拟船体的板的受力情况进行监测，观测其是否变形；气泡冲击仰视与斜视观测记录系统(4)和气泡冲击侧视观测记录系统(14)记录数据传入智能数据采集系统(1)，得到冰层破坏及裂纹扩展过程；

(7)调节电火花气泡发生器的高度，更换不同冰厚的海冰试样(11)，更换不同种类海冰试样，重复步骤(6)，通过改变不同的气泡与海冰试样(11)的距离、不同的冰厚来研究气泡去除冰冻结构物上的冰层的能力，对除冰效率进行对比，根据观测记录系统和实际观察对裂纹扩展以及气泡破坏冰层的特性分析实验结果。

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