CN114509240B - 一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置及使用方法，属于流动控制技术领域。第一铜丝与第二铜丝的一端分别连接可调电压式高压脉动气泡生成器上的两个电极，第一铜丝与第二铜丝的另一端搭接在脉动气泡限制装置底部的轴线上，脉动气泡限制装置的底端侧壁上设有方便两根导线伸入的两个通孔，两根导线分别穿过两个通孔，在脉动气泡限制装置中搭接形成通路，光源、脉动气泡限制装置和高速摄像机依次设置在一条直线上。本发明结构简单、可靠性高、易于实施，整个装置无复杂机械结构，能够产生稳定的涡环气泡，这种涡环气泡携带能量高，运动距离长，可用于水中能量的远距离传递。

Description

一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置及使用方法
技术领域
本发明涉及一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置及使用方法，属于流动控制技术领域。
背景技术
相比于空气，水的密度和粘性更高，水下物体运动和能量传输所受到的阻力和损耗更大。例如高速运动的子弹在水中的运动距离仅有几米而已。受空气中的涡环(如运动的烟圈等)的启发，涡环结构能够在长距离运动后仍保持相当的能量与速度。
在水下产生涡环的传统方式主要是通过机械传动结构等效的活塞将水从管口或洞口推出，在管口或洞口造成边界层的分离与脱落，进而产生涡环。受机械结构传动效率以及传动装置性能限制，该方法产生所产生的涡环通常较弱，不足以携带足够的能量，且对此种涡环的观测需要一定的流场示踪技术，这给实验观测和研究都造成了很大困难。因此，有必要开发一种能够产生高能、稳定且便于观测的涡环的装置。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置及使用方法，以解决本发明申请要解决的技术问题。
一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置，基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置包括可调电压式高压脉动气泡生成器、两个电极、第一铜丝、第二铜丝、脉动气泡限制装置、水箱、光源、高速摄像机、两个通孔和两根导线，
脉动气泡限制装置放置在水箱底部，脉动气泡限制装置的底部设有轴线，第一铜丝与第二铜丝的一端分别连接可调电压式高压脉动气泡生成器上的两个电极，第一铜丝与第二铜丝的另一端搭接在脉动气泡限制装置底部的轴线上，脉动气泡限制装置的底端侧壁上设有方便两根导线伸入的两个通孔，两根导线分别穿过两个通孔，在脉动气泡限制装置中搭接形成通路，光源、脉动气泡限制装置和高速摄像机依次设置在一条直线上，光源的照射方向和高速摄像机的摄影方向均朝向脉动气泡限制装置。
进一步的，脉动气泡限制装置的筒状。
一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置的使用方法，基于上述的一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置，基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置的使用方法包括以下步骤：
S100、对可调电压式高压脉动气泡生成器进行充电，直至达到预定电压；
S200、将第一铜丝与第二铜丝的两端分别搭接在两个电极和脉动气泡限制装置底部的轴线上；
S300、将两根导线在脉动气泡限制装置中搭接好，然后再将穿好两根导线的两个通孔做密封处理，随后两根导线开始放电；
S400、轴线处高压脉动气泡产生后，推动脉动气泡限制装置中的水体从上端流出，边界层随之分离并被螺旋卷起，在脉动气泡限制装置的筒口处形成涡环，并进一步形成稳定的涡环气泡；
S500、使用高速摄像机拍摄并记录S400的全过程，得到视频文件，获取脉动气泡体积与自由液面变化情况相关数据，判断涡环气泡能量的高低。
进一步的，预定电压为200-2000V。
本发明的有以下有益效果：本发明的一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置及使用方法，结构简单、可靠性高、易于实施，整个装置无复杂机械结构，能够产生稳定的涡环气泡，这种涡环气泡携带能量高，运动距离长，可用于水中能量的远距离传递。此外，这种涡环气泡可以使两相流(气-液，液-液)交界面产生剧烈反应。例如，涡环气泡与自由液面相作用时能够产生高度数倍于其自身尺度的水柱，其后飞溅的水滴可达到的最大高度将数百倍于涡环气泡自身尺度。因此，本发明在实现微流控制、流体雾化、定向输运、喷墨打印、先进制造等领域都有广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明的一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置的结构示意图；
图2为本发明的脉动气泡限制装置的结构示意图；
图3为本发明的实施例所能够实现的效果图。
其中，1为可调电压式高压脉动气泡生成器、2为两个电极、3为第一铜丝、4为第二铜丝、5为脉动气泡限制装置、6为水箱、7为光源、8为高速摄像机、9为两个通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1-图2所示，一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置，基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置包括可调电压式高压脉动气泡生成器1、两个电极2、第一铜丝3、第二铜丝4、脉动气泡限制装置5、水箱6、光源7、高速摄像机8、两个通孔9和两根导线，
脉动气泡限制装置5放置在水箱6底部，脉动气泡限制装置5的底部设有轴线，第一铜丝3与第二铜丝4的一端分别连接可调电压式高压脉动气泡生成器1上的两个电极2，第一铜丝3与第二铜丝4的另一端搭接在脉动气泡限制装置5底部的轴线上，脉动气泡限制装置5的底端侧壁上设有方便两根导线伸入的两个通孔9，两根导线分别穿过两个通孔9，在脉动气泡限制装置5中搭接形成通路，光源7、脉动气泡限制装置5和高速摄像机8依次设置在一条直线上，光源7的照射方向和高速摄像机8的摄影方向均朝向脉动气泡限制装置5。
进一步的，脉动气泡限制装置5的筒状。
具体的，在本实施例中，筒状的脉动气泡限制装置5能够限制脉动气泡的运动特性，使其膨胀方向尽可能限制在一个方向上，从而提供更高的推动效率。可调电压式高压脉动气泡生成器1及脉动气泡限制装置5联合作用，可在脉动气泡限制装置5出口处生成具有相当能量的高能涡环气泡。涡环气泡的运动方向与脉动气泡被限制后的膨胀方向相同。
一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置的使用方法，基于上述的一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置，基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置的使用方法包括以下步骤：
S100、对可调电压式高压脉动气泡生成器1进行充电，直至达到预定电压；
S200、将第一铜丝3与第二铜丝4的两端分别搭接在两个电极2和脉动气泡限制装置5底部的轴线上；
S300、将两根导线在脉动气泡限制装置5中搭接好，然后再将穿好两根导线的两个通孔9做密封处理，随后两根导线开始放电；
S400、轴线处高压脉动气泡产生后，推动脉动气泡限制装置5中的水体从上端流出，边界层随之分离并被螺旋卷起，在脉动气泡限制装置5的筒口处形成涡环，并进一步形成稳定的涡环气泡；
S500、使用高速摄像机8拍摄并记录S400的全过程，得到视频文件，获取脉动气泡体积与自由液面变化情况相关数据，判断涡环气泡能量的高低。
具体的，在S400中，高压脉动气泡是由可调电压式高压脉动气泡生成器1、两个电极2、第一铜丝3和第二铜丝4联合产生的，由于脉动气泡限制装置5为筒状，在筒口处，由于结构形状的变化，流体流速升高，于是在此处产生低压区。当脉动气泡的生成电压足够高时，相应地，筒口处压力低至空化临界压力时，于是产生空化，与上述的涡环结合，表现为稳定的涡环气泡。
在计算过程中，涉及的相关数据包括：涡环半径、涡管半径、流体密度以及涡环环量等参数。
进一步的，预定电压为200-2000V。
本发明针对现有技术的缺陷，设计了一种结构更加简单、产生的涡环具有更高的能量的装置。为了实现这一目的，脉动气泡可以被用来产生携带足够能量的涡环。水下气泡的产生和溃灭的过程极快，在膨胀过程中，其将向四周排开与自身体积相当的流体。将其排开的流体定向传输即可轻易达到传统机械结构数十倍的运动速度。通过脉动气泡限制装置的限制，便可达到能量定向传输的目的。当脉动气泡的尺度与管道直径满足一定的关系，即可在筒口产生足够高的流速，进而产生稳定的空化涡环气泡。本发明可以通过高速相机直观地看到涡环的运动，而无需借助额外的流场示踪技术。本发明中的脉动气泡通过水下瞬时放电的方式产生。

Claims (2)

1.一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置的使用方法，基于一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置，所述基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置包括可调电压式高压脉动气泡生成器(1)、两个电极(2)、第一铜丝(3)、第二铜丝(4)、脉动气泡限制装置(5)、水箱(6)、光源(7)、高速摄像机(8)、两个通孔(9)和两根导线，
所述脉动气泡限制装置(5)放置在所述水箱(6)底部，脉动气泡限制装置(5)的底部设有轴线，所述第一铜丝(3)与第二铜丝(4)的一端分别连接所述可调电压式高压脉动气泡生成器(1)上的两个电极(2)，第一铜丝(3)与第二铜丝(4)的另一端搭接在脉动气泡限制装置(5)底部的所述轴线上，脉动气泡限制装置(5)的底端侧壁上设有方便所述两根导线伸入的所述两个通孔(9)，所述两根导线分别穿过所述两个通孔(9)，在脉动气泡限制装置(5)中搭接形成通路，所述光源(7)、脉动气泡限制装置(5)和高速摄像机(8)依次设置在一条直线上，所述光源(7)的照射方向和所述高速摄像机(8)的摄影方向均朝向所述脉动气泡限制装置(5)，所述脉动气泡限制装置(5)的筒状，
其特征在于，所述基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置的使用方法包括以下步骤：
S100、对可调电压式高压脉动气泡生成器(1)进行充电，直至达到预定电压；
S200、将第一铜丝(3)与第二铜丝(4)的两端分别搭接在两个电极(2)和脉动气泡限制装置(5)底部的轴线上；
S300、将两根导线在脉动气泡限制装置(5)中搭接好，然后再将穿好两根导线的两个通孔(9)做密封处理，随后两根导线开始放电；
S400、轴线处高压脉动气泡产生后，推动脉动气泡限制装置(5)中的水体从上端流出，边界层随之分离并被螺旋卷起，在脉动气泡限制装置(5)的筒口处形成涡环，并进一步形成稳定的涡环气泡；
S500、使用高速摄像机(8)拍摄并记录S400的全过程，得到视频文件，获取脉动气泡体积与自由液面变化情况相关数据，判断涡环气泡能量的高低。
2.根据权利要求1所述的一种基于水下瞬时放电的高能涡环气泡激励装置的使用方法，其特征在于，所述预定电压为200-2000V。
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