CN113970422B - 基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

一种基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置及实验方法，属于空化实验技术领域。本发明解决了现有航行体通气装置气流多在航行体外通入、无法确定航行器发生空化的作用点以及空蚀测量技术存在的与实际空化发生方式存在差异的问题。实验试件的下表面为实验面，其上布置有压电薄膜及若干微型水压传感器，且所述压电薄膜表面涂覆有压力敏感涂料；所述通气控制系统、所述高速摄像机、所述压电薄膜及所述微型水压传感器分别与所述数据收集系统连接，实验过程中，通过光源持续照射实验试件，通过高速摄像机实时记录实验试件表面压力敏感涂料的变化情况，通过计算机控制通气控制系统向试验段内通气的工作参数，通气控制系统将结果导入数据收集系统。

Description

基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置及实验方法，属于空化实验技术领域。

背景技术

恒温条件下，当高速流动的液体行经固体表面时，会由于复杂的相互作用形成一片低压区域，当高速流动液体内的某些位置压力与饱和蒸汽压力相比较低时，会在液体中出现一片空化区域。完整的空化过程包括初生、发展与溃灭阶段，空泡在溃灭时会向刚性壁面发出一道冲击波，大量的空泡一同溃灭，在群泡溃灭过程中先溃灭的空泡对后溃灭的空泡产生辐射压力增大后溃灭空泡溃灭时产生微射流对壁面的冲击力，随着溃灭的积累，表面的材料结构受到破坏，这种空化溃灭对材料的破坏即为空蚀。

空化是自然界中普遍存在的一种现象，广泛存在于潜射导弹、螺旋桨等在水中或近水面的高速运动物体表面，对航行体的流体动力学特性和稳定性具有重要影响，其中在船舶与海洋工程领域常采用通气的方式形成一层相对稳态的空泡包裹物体表面大幅降低壁面所受的摩擦阻力大小，从而提高航行体航速。但如何控制通气速率以充分利用空化作用形成特定尺度、形态可控且相对稳定的空泡界面达到减阻效果的最大化；以及如何降低由于空蚀造成的航行体表面侵蚀，仍需要大量的研究。

传统的空化实验装置多为通过降低压力和提高流速来促进空化的发生来观察空化现象，多用于现象观察与理论研究，有功能较为单一、与实际应用结合较小等缺点；

传统的空蚀测量装置则多通过超声振头来加速结构表面附近空泡的形成与溃灭以在较短实验时间内得到材料的抗空蚀性能，有影响因素较多、与实际应用相关性较薄弱等缺点且耗时较长、计算量较大。

针对现有空化与空蚀实验技术的不足与空化与空蚀测量相结合实验方面的欠缺，亟需一种将控制空化稳定发生与空蚀测量结合，且紧跟现今空化应用发展的新型实验装置。

发明内容

本发明是为了解决现有航行体通气装置气流多在航行体外通入、无法确定航行器发生空化的作用点以及空蚀测量技术存在的与实际空化发生方式存在差异的问题，进而提供了一种基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置及实验方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置，它包括循环水槽系统、试验段、安装在试验段内的实验试件、通气控制系统、数据收集系统、计算机、光源及高速摄像机，其中所述试验段连通安装在循环水槽系统的收缩段与扩散段之间，且所述试验段为透明腔体结构，所述实验试件上开设有若干通气孔，所述通气控制系统与若干通气孔之间通过若干通气管连通，通过通气控制系统向试验段内通气，实验试件的下表面为实验面，其上布置有压电薄膜及若干微型水压传感器，且所述压电薄膜表面涂覆有压力敏感涂料；

所述通气控制系统、所述高速摄像机、所述压电薄膜及所述微型水压传感器分别与所述数据收集系统连接，实验过程中，通过光源持续照射实验试件，通过高速摄像机实时记录实验试件表面压力敏感涂料的变化情况，通过计算机控制通气控制系统向试验段内通气的工作参数，通气控制系统将结果导入数据收集系统。

进一步地，所述压电薄膜布置在若干微型水压传感器之间的间隙位置。

进一步地，每个通气管上均安装有电磁阀门，通过通气控制系统控制电磁阀门的开与关。

进一步地，所述实验试件包括定位板及平行固装在定位板底面的试件主体，试验段的上部开设有阶梯通孔，所述实验试件通过定位板卡装在阶梯通孔内，所述微型水压传感器及压电薄膜均布置在试件主体的底面。

进一步地，阶梯通孔的横截面呈矩形，且实验试件的侧壁与阶梯通孔之间为过盈配合。

进一步地，所述试验段包括安装框架、四个第一侧板及两个第二侧板，其中安装框架呈立方体结构，每个侧板均呈凸字形结构且对应卡装在安装框架的六个面。

进一步地，所述压力敏感涂料为阳极氧化铝压敏涂料。

进一步地，压力敏感涂料的厚度为0.02mm-0.03mm。

进一步地，实验试件表面做粗糙处理。

一种采用上述实验装置的实验方法，它包括如下步骤：

步骤一、根据实验需求选择实验试件，并在实验试件上表面布置微型水压传感器和压电薄膜，布置完成后在压电薄膜表面涂抹压力敏感涂料，然后将实验试件安装到试验段的上部并使实验试件的下表面位于试验段内；

步骤二、向循环水槽管道系统内供水并控制循环水槽管道系统内的压力大小；

步骤三、启动通气控制系统，沿通气管经实验试件进行通气，并调整真空泵排气速度，维持循环水槽内环境压力不变；

步骤四、启动光源，持续照射实验试件，通过高速摄像机实时记录实验试件表面的流动特征和压力敏感涂料颜色变化特征，利用数据收集系统收集实验试件下表面的微型水压传感器及压电薄膜传递来的压力大小，并将全部实验数据传递给计算机；

步骤五、使用计算机对实验数据进行计算处理，并根据得到的实验结果和实验现象使用通气控制系统改变通气速率，再次重复步骤三和步骤四，直到得到满意的实验结果。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请通过对实验试件由外而内通气，能够解决针对人工通气情况下空泡对试件表面作用点不确定、实验环境不稳定的问题，自由实现通气位置、速率、压强，并通过高速摄像机观察具有规律性的空化现象，分析不同作用点下空泡形态的变化以及通气空化流场的过程，便于研究不同条件下航行体表面空化、局部空化以及超空化规律。

将记录的实验试件表面压力敏感涂料的变化情况结果、向实验试件通气的工作参数结果以及微型水压传感器收集的时间表面压力信息导入数据收集系统后，通过计算处理得出最终的实验结果。

实验试件采取压敏涂料、压电薄膜和微型水压传感器的三重布置，确保了实验数据的正确性。本申请通过将压力敏感涂料(PSP)和微型水压传感器一同应用至空蚀测量实验的研究中来进行表面压力测量，与现有技术中常用的只利用压力传感器测量相比，既可以获得连续的压力分布情况，又可以得到多点的精确压力大小。

本申请既可为通气减阻研究使用，又因采取通气的方式加速了空泡的初生与溃灭从而可供空蚀定量测量实验使用。

附图说明

图1为试验段安装在循环水槽控制系统内的结构示意图；

图2为实验主体部分的结构示意图；

图3为实验试件与试验段上部的分解示意图(实验试件与试验段上部第一侧板均翻转显示)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～3说明本实施方式，一种基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置，它包括循环水槽系统1、试验段2、安装在试验段2内的实验试件3、通气控制系统4、数据收集系统5、计算机6、光源7及高速摄像机8，其中所述试验段2连通安装在循环水槽系统1的收缩段1-31与扩散段1-32之间，且所述试验段2为透明腔体结构，所述实验试件3上开设有若干通气孔3-1，所述通气控制系统4与若干通气孔3-1之间通过若干通气管9连通，通过通气控制系统4向试验段2内通气，实验试件3的下表面为实验面，其上布置有压电薄膜10及若干微型水压传感器11，且所述压电薄膜10表面涂覆有压力敏感涂料；

所述通气控制系统4、所述高速摄像机8、所述压电薄膜10及所述微型水压传感器11分别与所述数据收集系统5连接，实验过程中，通过光源7持续照射实验试件3，通过高速摄像机8实时记录实验试件3表面压力敏感涂料的变化情况，通过计算机6控制通气控制系统4向试验段2内通气的工作参数，通气控制系统4将结果导入数据收集系统5。

试验段2、安装在试验段2内的实验试件3、通气控制系统4、数据收集系统5、计算机6、光源7及高速摄像机8构成实验装置的实验主体部分。

通过通气控制系统4控制通气速度，高速摄像机8拍摄实验图像，数据收集系统5收集实验中传感器传递来的实验数据并传递给计算机6，计算机6处理数据获得实验结果后，再传递控制命令给通气控制系统4。

实验试件3与试验段2可拆卸设置，可以降低加工、安装以及更换实验试件3的难度，便于实验试件3上传感器、压电薄膜10及压力敏感涂料的布置。

所述压电薄膜10为聚偏二氟乙烯压电薄膜10。

试验段2的每个面均为无色透明的有机玻璃板，便于观察。

所述循环水槽控制系统负责控制实验的开始与结束以及创造和维持实验环境。所述循环水槽控制系统包括真空泵1-1、真空计1-2、循环水槽管道系统1-3及电机1-4，其中试验段2连通安装在循环水槽管道系统1-3的收缩段1-31与扩散段1-32之间。循环水槽管道系统1-3上安装有进出水阀门1-5。管道之间的连接方式为法兰连接，电机1-4转速可调，从而实现对系统内水流速度的控制。真空泵1-1与循环水槽管道系统1-3之间通过软管连接，与真空计1-2一同控制内部压力的大小，水流方向从收缩段1-31流入试验段2，再从扩散段1-32流出，进出水阀门1-5负责实验前的进水以及排水。

压力敏感涂料即为压敏涂料，通过压敏涂料(PSP)技术测量表面压力分布利用的是压敏涂料自身的光学特性，表面压力的差异会导致涂料内的发光分子有不同的猝灭效率，从而呈现不同的光信号。

聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜10和微型水压传感器11联合布置，测量范围为0～100GPa，响应频率为0-1000MHz，体积小，灵敏度高，可以准确获得实验数据。

通过本申请中压电薄膜10、压电传感器及压敏涂料的布置，可以将压敏涂料和传感器获得的实验数据进行对比验证并联系处理，从而降低实验误差。

所述压电薄膜10布置在若干微型水压传感器11之间的间隙位置。如此设计，保证没有微型水压传感器11的位置布置有压电薄膜10，以使得对实验试件3下表面的通气空化观察与空蚀测量结果更准确。

每个通气管9上均安装有电磁阀门12，通过通气控制系统4控制电磁阀门12的开与关。电磁阀门12可控制通气速率。通过通气控制系统4控制电磁阀门12的开与关，可以实现各路通气管9的同时启动与停止以及稳定状态下通气速率的调节。联合真空泵1-1和真空计1-2保证改变通气速率而不影响实验环境，确保了实验的准确性。

所述实验试件3包括定位板3-2及平行固装在定位板3-2底面的试件主体3-3，试验段2的上部开设有阶梯通孔2-1，所述实验试件3通过定位板3-2卡装在阶梯通孔2-1内，所述微型水压传感器11及压电薄膜10均布置在试件主体3-3的底面。所述试件主体3-3的底面即为试件主体3-3上远离定位板3-2的一面。通过在试验段2上开设阶梯通孔2-1，便于实验试件3的定位安装及拆卸。

阶梯通孔2-1的横截面呈矩形，且实验试件3的侧壁与阶梯通孔2-1之间为过盈配合。进一步保证试验段2的密封性。

所述试验段2包括安装框架、四个第一侧板及两个第二侧板，其中安装框架呈立方体结构，每个侧板均呈凸字形结构且对应卡装在安装框架的六个面。

所述压力敏感涂料为阳极氧化铝压敏涂料。

压力敏感涂料的厚度为0.02mm-0.03mm。

实验试件3表面做粗糙处理。

具体实施方式二：结合图1～3说明本实施方式，一种采用上述实验装置的实验方法，它包括如下步骤：

步骤一、根据实验需求选择实验试件3，并在实验试件3上表面布置微型水压传感器11和压电薄膜10，布置完成后在压电薄膜10表面涂抹压力敏感涂料，然后将实验试件3安装到试验段2的上部并使实验试件3的下表面位于试验段2内；具体地，根据试验段2上的阶梯通孔2-1尺寸、通气管9的直径以及微型水压传感器11的尺寸制作实验试件3。实验试件3与试验段2之间的固定连接通过水密胶和螺丝双重固定的方式实现。

步骤二、向循环水槽管道系统1-3内供水并控制循环水槽管道系统1-3内的压力大小；具体地，打开真空泵1-1在循环水槽管道系统1-3内制造低压环境，利用大气压强和循环水槽管道系统1-3内的压力差，向循环水槽管道系统1-3内供水至适宜高度后关闭进出水阀门1-5，并利用真空泵1-1和真空计1-2控制循环水槽内压力大小。

步骤三、启动通气控制系统4，沿通气管9经实验试件3进行通气，并调整真空泵1-1排气速度，维持循环水槽内环境压力不变；通过真空计1-2和真空泵1-1相结合控制循环水槽管道系统1-3内的压力稳定。

步骤四、启动光源7，持续照射实验试件3，通过高速摄像机8实时记录实验试件3表面的流动特征和压力敏感涂料颜色变化特征，利用数据收集系统5收集实验试件3下表面的微型水压传感器11及压电薄膜10传递来的压力大小，并将全部实验数据传递给计算机6；

步骤五、使用计算机6对实验数据进行计算处理，并根据得到的实验结果和实验现象使用通气控制系统4改变通气速率，再次重复步骤三和步骤四，直到得到满意的实验结果。

本申请针对现有条件另辟蹊径，采用通气的方式加速空化气泡的初生与溃灭，在研究实验试件3表面空泡分布情况的同时定量测量空蚀对实验试件3的侵蚀程度。采用了压敏涂料、压电薄膜10与微型水压传感器11相结合的数据收集方式，确保了实验数据的可靠性。

实验过程中本申请采用光强法对压敏涂料的数据进行预处理，在用稳定性好、亮度高的激发光源7照射实验段的同时使用高速摄像机8对表面压敏涂料亮度信息进行采集。因为拍摄的角度、距离等影响因素的存在，在将收集到的图像转化为压力数据时需要对不同影响因素下的图像进行对比，其中光强压力换算公式Stern Volmer公式如下：

其中I_ref和I表示参考光强和实验光强，P_ref和P表示参考压力和实验压力，A和B为涂料的校准系数,由压敏涂料校准曲线确定。其它组成与连接关系与具体实施方式一相同。

Claims (10)

1.一种基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置，其特征在于：它包括循环水槽系统(1)、试验段(2)、安装在试验段(2)内的实验试件(3)、通气控制系统(4)、数据收集系统(5)、计算机(6)、光源(7)及高速摄像机(8)，其中所述试验段(2)连通安装在循环水槽系统(1)的收缩段(1-31)与扩散段(1-32)之间，且所述试验段(2)为透明腔体结构，所述实验试件(3)上开设有若干通气孔(3-1)，所述通气控制系统(4)与若干通气孔(3-1)之间通过若干通气管(9)连通，通过通气控制系统(4)向试验段(2)内通气，实验试件(3)的下表面为实验面，其上布置有压电薄膜(10)及若干微型水压传感器(11)，且所述压电薄膜(10)表面涂覆有压力敏感涂料；

所述通气控制系统(4)、所述高速摄像机(8)、所述压电薄膜(10)及所述微型水压传感器(11)分别与所述数据收集系统(5)连接，实验过程中，通过光源(7)持续照射实验试件(3)，通过高速摄像机(8)实时记录实验试件(3)表面压力敏感涂料的变化情况，通过计算机(6)控制通气控制系统(4)向试验段(2)内通气的工作参数，通气控制系统(4)将结果导入数据收集系统(5)。

2.根据权利要求1所述的基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置，其特征在于：所述压电薄膜(10)布置在若干微型水压传感器(11)之间的间隙位置。

3.根据权利要求1或2所述的基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置，其特征在于：每个通气管(9)上均安装有电磁阀门(12)，通过通气控制系统(4)控制电磁阀门(12)的开与关。

4.根据权利要求1所述的基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置，其特征在于：所述实验试件(3)包括定位板(3-2)及平行固装在定位板(3-2)底面的试件主体(3-3)，试验段(2)的上部开设有阶梯通孔(2-1)，所述实验试件(3)通过定位板(3-2)卡装在阶梯通孔(2-1)内，所述微型水压传感器(11)及压电薄膜(10)均布置在试件主体(3-3)的底面。

5.根据权利要求4所述的基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置，其特征在于：阶梯通孔(2-1)的横截面呈矩形，且实验试件(3)的侧壁与阶梯通孔(2-1)之间为过盈配合。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置，其特征在于：所述试验段(2)包括安装框架、四个第一侧板及两个第二侧板，其中安装框架呈立方体结构，每个侧板均呈凸字形结构且对应卡装在安装框架的六个面。

7.根据权利要求1所述的基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置，其特征在于：所述压力敏感涂料为阳极氧化铝压敏涂料。

8.根据权利要求1所述的基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置，其特征在于：压力敏感涂料的厚度为0.02mm-0.03mm。

9.根据权利要求1所述的基于通气控制的空化观察与空蚀测量实验装置，其特征在于：实验试件(3)表面做粗糙处理。

10.一种采用上述权利要求1～9中任一权利要求所述的实验装置的实验方法，其特征在于：它包括如下步骤：

步骤一、根据实验需求选择实验试件(3)，并在实验试件(3)上表面布置微型水压传感器(11)和压电薄膜(10)，布置完成后在压电薄膜(10)表面涂抹压力敏感涂料，然后将实验试件(3)安装到试验段(2)的上部并使实验试件(3)的下表面位于试验段(2)内；

步骤二、向循环水槽管道系统(1-3)内供水并控制循环水槽管道系统(1-3)内的压力大小；

步骤三、启动通气控制系统(4)，沿通气管(9)经实验试件(3)进行通气，并调整真空泵(1-1)排气速度，维持循环水槽内环境压力不变；

步骤四、启动光源(7)，持续照射实验试件(3)，通过高速摄像机(8)实时记录实验试件(3)表面的流动特征和压力敏感涂料颜色变化特征，利用数据收集系统(5)收集实验试件(3)下表面的微型水压传感器(11)及压电薄膜(10)传递来的压力大小，并将全部实验数据传递给计算机(6)；

步骤五、使用计算机(6)对实验数据进行计算处理，并根据得到的实验结果和实验现象使用通气控制系统(4)改变通气速率，再次重复步骤三和步骤四，直到得到满意的实验结果。

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