CN115655648B - 一种气泡信息采集系统及通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气泡信息采集系统及通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法，属于流体力学实验技术领域。气泡信息采集系统包括压力传感器和压力数据采集仪，压力传感器安装在水中并处于气泡生成点附近，压力传感器连接压力数据采集仪。本发明提出了一种气泡信息采集系统及通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法，易于实施，适用范围广，能够解决包括激光气泡、放电气泡、水下爆炸气泡乃至更大尺度气泡如火山喷发产生气泡由于亮度过高或设备受限等因素造成的气泡形态难以捕捉的问题，较为准确地给出气泡的运动状态，对于气泡动力学研究具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种气泡信息采集系统及通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法，属于流体力学实验技术领域。
背景技术
水中气泡是一种随处可见且应用广泛的流体现象。许多揭示气泡动力学特性的实验研究，如水下爆炸气泡、空化气泡、海底资源探测高压气枪气泡、电火花气泡以及高压激光聚焦气泡，受限于复杂环境影响、设备性能不足、气泡初生过程发光等客观因素，无法用高速摄影技术捕捉气泡产生早期的真实图像，如此便给气泡初始状态的确定以及气泡早期运动特征的研究造成了很大困难。对于更大尺度的气泡，如火山喷发或水下大当量武器爆炸等产生的气泡，则整个气泡周期的运动特性都难以捕捉。因此，有必要开发一种基于实验已知信息如流场压力测量的气泡运动特性确定方法。
发明内容
本发明提出了一种气泡信息采集系统及通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法，以解决无法用高速摄影技术捕捉气泡产生早期的真实图像。
一种气泡信息采集系统，气泡信息采集系统包括压力传感器和压力数据采集仪，压力传感器安装在水中并处于气泡生成点附近，压力传感器连接压力数据采集仪。
进一步的，气泡信息采集系统还包括辅助设备，辅助设备包括水箱、照明装置和高速摄像机，水箱透明，气泡生成点设置于水箱中的水下，照明装置的发光端朝向气泡生成点设置，高速摄像机的镜头朝向气泡生成点设置。
进一步的，压力传感器，用于采集所在流场测点位置的实时压力，并将实时压力传输给压力数据采集仪；
压力数据采集仪，用于实时显示和记录实时压力；
照明装置，用于照亮气泡所在区域；
高速摄像机，用于记录气泡的脉动过程。
进一步的，照明装置、气泡生成点、高速摄像机设置在一条直线上。
进一步的，压力传感器放置在气泡生成点3倍气泡最大半径以外。
一种通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法，基于上述的一种气泡信息采集系统，包括以下步骤：
S100、布置好气泡信息采集系统后，使气泡生成点生成气泡；
S200、压力传感器获取测点压力信息P；
S300、通过压力求得气泡体积关于时间的二阶导数
S400、对关于时间的二阶导数
积分，求得气泡体积变化速率
S500、对气泡体积变化速率
积分，求得每一时刻的气泡体积V；
S600、由气泡体积V求得气泡在每一时刻的半径R。
进一步的，在S300中，具体的，气泡体积V0＝0，气泡体积变化率
根据势流理论及质量守恒定理，结合伯努利方程，气泡体积变化随时间的二阶导数
与距离气泡生成点r的位置处的流场压力P具有如下关系：
其中，ρ为流体密度，r为气泡形心与压力传感器之间的距离。
进一步的，在S400中，具体的，由于每一时刻该点的压力由压力传感器测得，因此每一时刻的气泡体积随时间变化的二阶导数
是可得的，结合初始条件对时间进行积分，即得到T时刻气泡的体积变化率，
进一步的，在S500中，具体的，对气泡体积变化速率
积分，得到T时刻气泡的体积，
进一步的，在S600中，具体的，从初始时刻起，已知当前时刻测点压力与测点距气泡形心的距离，代入式(1)得到体积随时间变化的二阶导数
由当前时刻气泡体积Vi及体积变化率
则求得下一时刻的气泡体积Vi+1与体积变化率
其中，Δt为积分时间步长，由，
即得到每一时刻的气泡半径。
本发明的有益效果：本发明提出了一种气泡信息采集系统及通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法，易于实施，适用范围广，能够解决包括激光气泡、放电气泡、水下爆炸气泡乃至更大尺度气泡如火山喷发产生气泡由于亮度过高或设备受限等因素造成的气泡形态难以捕捉的问题，较为准确地给出气泡的运动状态，对于气泡动力学研究具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的一种气泡信息采集系统的结构及设置示意图；
图2为气泡与压力传感器的相对位置关系示意图；
图3为确定气泡运动特性的原理图；
图4为可达到的效果图。
其中，1为气泡，2为压力传感器，3为压力数据采集仪，4为水箱，5为光源，6为高速摄像机。
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。
本发明提供一种气泡信息采集系统及通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法。该方法能够通过流场压力信息反推气泡运动特性。
参照图1所示，一种气泡信息采集系统，气泡信息采集系统包括压力传感器2和压力数据采集仪3，压力传感器2安装在水中并处于气泡生成点附近，压力传感器2连接压力数据采集仪3。
具体的，本发明可应用于不同类型的气泡。如激光发生器产生的激光气泡、放电装置产生的放电气泡、炸药产生的水下爆炸气泡、高压气枪产生的气枪气泡等。
进一步的，气泡信息采集系统还包括辅助设备，辅助设备包括水箱4、照明装置5和高速摄像机6，水箱4透明，气泡生成点设置于水箱4中的水下，照明装置5的发光端朝向气泡生成点设置，高速摄像机6的镜头朝向气泡生成点设置。
具体的，在本系统中，辅助设备非必须，尤其在一些大尺度气泡的情况下，如火山喷发或水下大当量武器爆炸等产生的气泡。
进一步的，压力传感器2，用于采集所在流场测点位置的实时压力，并将实时压力传输给压力数据采集仪3；
压力数据采集仪3，用于实时显示和记录实时压力；
照明装置5，用于照亮气泡1所在区域；
高速摄像机6，用于记录气泡1的脉动过程。
进一步的，照明装置5、气泡生成点、高速摄像机6设置在一条直线上。
进一步的，参照图2所示，压力传感器放置在气泡生成点3倍气泡最大半径以外。
具体的，在流场中不同位置可布置多个压力传感器2，以获取更加可靠的压力数据，并互相验证数据的准确性。为了避免压力波远距离传播后衰减至压力传感器2难以探测的水平，压力传感器2与气泡生成位置间的距离不应过远。为保证方法精度，且避免压力传感器影响气泡运动，压力传感器2与气泡生成位置间的距离亦不应过近，放置在气泡生成位置3倍气泡最大半径以外为宜。
一种通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法，基于上述的一种气泡信息采集系统，包括以下步骤：
S100、布置好气泡信息采集系统后，使气泡生成点生成气泡；
S200、压力传感器2获取测点压力信息P；
S300、通过压力求得气泡体积关于时间的二阶导数
S400、对关于时间的二阶导数
积分，求得气泡体积变化速率
S500、对气泡体积变化速率
积分，求得每一时刻的气泡体积V；
S600、由气泡体积V求得气泡在每一时刻的半径R。
进一步的，在S300中，具体的，如图3所示，初始时刻，气泡体积V0＝0，气泡体积变化率
根据势流理论及质量守恒定理，结合伯努利方程，气泡体积变化随时间的二阶导数
与距离气泡生成点r的位置处的流场压力P具有如下关系：
其中，ρ为流体密度，r为气泡形心与压力传感器2之间的距离。
进一步的，在S400中，具体的，由于每一时刻该点的压力由压力传感器2测得，因此每一时刻的气泡体积随时间变化的二阶导数
是可得的，结合初始条件对时间进行积分，即得到T时刻气泡的体积变化率，
进一步的，在S500中，具体的，对气泡体积变化率
积分，得到T时刻气泡的体积，
进一步的，在S600中，具体的，从初始时刻起，已知当前时刻测点压力与测点距气泡形心的距离，代入式(1)得到体积随时间变化的二阶导数
由当前时刻气泡体积Vi及体积变化率
则求得下一时刻的气泡体积Vi+1与体积变化率
其中，Δt为积分时间步长，由
即得到每一时刻的气泡半径。对多个测量点所得结果求算术平均，对比可得到更加准确的结果。
如图4所示，本发明提出的通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法所得结果与经典的Rayleigh-Plesset方程吻合良好。
Claims (4)
1.一种通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法，基于一种气泡信息采集系统，所述气泡信息采集系统包括压力传感器(2)和压力数据采集仪(3)，所述压力传感器(2)安装在水中并处于气泡生成点附近，压力传感器(2)连接所述压力数据采集仪(3)；
所述气泡信息采集系统还包括辅助设备，所述辅助设备包括水箱(4)、照明装置(5)和高速摄像机(6)，所述水箱(4)透明，所述气泡生成点设置于水箱(4)中的水下，所述照明装置(5)的发光端朝向气泡生成点设置，所述高速摄像机(6)的镜头朝向气泡生成点设置；
所述压力传感器(2)，用于采集所在流场测点位置的实时压力，并将实时压力传输给所述压力数据采集仪(3)；所述压力数据采集仪(3)，用于实时显示和记录所述实时压力；所述照明装置(5)，用于照亮所述气泡(1)所在区域；所述高速摄像机(6)，用于记录所述气泡(1)的脉动过程；
所述照明装置(5)、气泡生成点、高速摄像机(6)设置在一条直线上；
所述压力传感器(2)放置在气泡生成点3倍气泡最大半径以外；
其特征在于，
S100、布置好气泡信息采集系统后，使气泡生成点生成气泡；
S200、压力传感器(2)获取测点压力信息P；
S300、通过压力求得气泡体积关于时间的二阶导数
S400、对关于时间的二阶导数
积分，求得气泡体积变化速率
S500、对气泡体积变化速率
积分，求得每一时刻的气泡体积V；
S600、由气泡体积V求得气泡在每一时刻的半径R，
在S300中，具体的，初始时刻的气泡体积V0＝0，初始时刻的气泡体积变化率
根据势流理论及质量守恒定理，结合伯努利方程，气泡体积变化随时间的二阶导数
与距离气泡生成点r的位置处的流场压力P具有如下关系：
其中，ρ为流体密度，r为气泡形心与压力传感器(2)之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法，其特征在于，在S400中，具体的，由于每一时刻该测点的压力由压力传感器(2)测得，因此每一时刻的气泡体积随时间变化的二阶导数
是可得的，结合初始条件对时间进行积分，即得到T时刻气泡的体积变化率，
3.根据权利要求2所述的一种通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法，其特征在于，在S500中，具体的，对气泡体积变化率
积分，得到T时刻气泡的体积，
4.根据权利要求3所述的一种通过流场压力测量反演脉动型气泡运动特性的方法，其特征在于，在S600中，具体的，从初始时刻起，已知当前时刻测点压力与测点距气泡形心的距离，代入式(1)得到体积随时间变化的二阶导数
由当前时刻气泡体积Vi及体积变化率
则求得下一时刻的气泡体积Vi+1与体积变化率
其中，Δt为积分时间步长，由，
即得到每一时刻的气泡半径。
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