CN204043888U - 一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置。高压气缸通过支撑柱固定在地面，高压气缸上安装有第一压力表，高压气缸的输入口通过气阀控制开关与高压氮气瓶连接，高压氮气瓶出口处设有第二压力表；水箱通过水箱支架安装在高压气缸正上方，高压气缸与可伸缩发射管相通，高压气缸输出口处设有电磁阀，可伸缩发射管内装有航行体，可伸缩发射管通过锡纸密封并伸入到水箱的介质水中；工控计算机与高速摄影仪连接，高速摄影仪朝向水箱中心。本实用新型实现水箱实际有效体积大小可变，有助于研究不同空间大小流场里的超空泡现象，解决了每次实验过程中大量介质流出，重新补充流体介质的问题，并解决了实验中照明强度不足的问题。

Description

一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种超空泡出水实验装置，尤其是涉及作为流体力学中流体压力发生器的一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置。

背景技术

超空泡是一种物理现象，是液体中空化现象的一种表现形式。当根据流体动力学中的“伯努利定律”，水下航行体与周围液体相对运动速度增大，航行体周围压强将降低；速度增大到一定程度时，部分水体的压强将低于其饱和蒸汽压，从而变为汽态，称为空化现象。随着航行体速度的不断增加，空泡不断增大，当空泡包裹着整个航行体之后便形成了超空泡。早期对于空化腐蚀现象的研究，人们一直想避免空泡现象，然而在20世纪60年代前苏联科学家发现，运动物体的速度提高到一定程度时，物体表面会被一层气泡所包围，即产生“超空化现象”，此时水的阻力会大大降低，气泡也不会因为爆裂而对运动物体表面产生冲击。此后，研究人员发现航行体在水中的摩擦阻力约为空气中阻力的850倍，通过应用超空泡技术可以使水下航行体航行时的摩擦阻力大幅减小。超空泡技术发现后，鉴于其良好的减阻特性，在军事国防方面得到了广泛的应用。

我国对于超空泡技术的研究起步较晚，与国外技术相比还有一定的差距。在高速物体出水诱导产生自然超空泡的基础试验研究方面刚刚起步不久，相关的研究单位大多是在水洞中进行，但由于水洞实验受弗劳德数的影响较大，空泡变形较严重，难以准确分析空泡的形态特性。而且与常规水洞试验相比，射弹试验成本较低、周期较短，更容易实现水下航行体带超空泡的高速运动，因此我们通过利用自行研发设计的射弹实验装置对超空泡现象展开研究。

高速射弹实验发生装置在实验过程中，由于射弹模型从发射管中高速运动冲破被法兰盘固定的锡纸后，到人为关闭球阀之间存在一个时间差，在这个过程中会有大量的液体介质流出，导致每次实验后需要重新补充介质，重新处理实验装置周围流出的介质，同样由于介质的泄漏以及某些介质的特殊性质，如海水的腐蚀性、有机溶剂的毒性等，该装置也不能用于模拟海水、有机溶液等特殊介质中的超空泡发生、发展和溃灭的过程。此外由于水箱体积固定，不能用于研究较小流场中的超空泡现象，较单一。

发明内容

针对上述背景技术中所存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置，可以实现不同大小流场、不同流体介质的高速射弹表面带超空泡运动的实验研究。

本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型包括高速摄影组件、发射组件和水箱观察组件，其特征在于：发射组件包括第一压力表、可伸缩发射管、电磁阀、气阀控制开关、高压气缸、第二压力表、支撑柱、高压氮气瓶；高压气缸通过支撑柱固定在地面，高压气缸上安装有用于检测高压气缸内部压力的第一压力表，高压气缸的输入口通过气阀控制开关与高压氮气瓶连接，高压氮气瓶出口处设有用于检测高压氮气瓶内压力的第二压力表，高压气缸输出口朝上；

水箱观察组件包括水箱、透明有机玻璃、水下光源和用于调节水箱所用体积的调节组件；用于出水实验观察的水箱通过水箱支架安装在高压气缸正上方，水箱的正面设有用于实验观察的透明有机玻璃，高压气缸输出口与可伸缩发射管底部连接相通，高压气缸输出口处设有用于控制高压气缸启闭的电磁阀，可伸缩发射管内装有用于出水实验的航行体，可伸缩发射管顶部通过锡纸密封并从水箱底部中心伸入到水箱的介质水中；

高速摄影组件包括用于高速拍摄出水实验的高速摄影仪与连接到高速摄影仪的工控计算机，高速摄影仪朝向水箱中心。

所述的用于调节水箱所用体积的调节组件包括隔板夹和两块隔板，水箱内沿高速摄影仪朝向方向的两内壁上设有对称且间隔均布的一排隔板夹，两块隔板通过内壁上的隔板夹平行对称装在水箱内，水箱的介质水注入到两块隔板与水箱底面形成的隔断空间内，通过将隔板嵌入到不同位置的隔板夹来改变实验中所用空间的体积。

所述的隔板夹由两条竖直平行排列的橡胶条组成。

所述的单排中的隔板夹的数量为12个。

所述的可伸缩发射管为由两节直管活动套接而成进行调节长度的发射管。

所述的水箱内底部设有用于增强水箱内照明的水下光源，水下光源安装在水箱内底部的四角上。

所述的航行体为加速子弹。

本实用新型采取的有益效果是：

本实用新型实现水箱实际有效体积大小可变，有助于研究不同空间大小流场里的超空泡现象。

本实用新型有效的解决了每次实验过程中大量介质流出，重新补充流体介质的问题，而且可用于模拟海水、有机溶液等特殊介质中的超空泡发生、发展和溃灭的过程。

本实用新型通过水下光源提高了高速摄影仪的拍摄亮度，解决了实验中照明强度不足的问题，获得的超空泡图片更加清晰。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型水箱的三维结构示意图。

图3是本实用新型水箱的剖面图。

图4是本实用新型水箱除去隔板后的剖面图。

图5是本实用新型水箱的俯视图。

图6是可伸缩发射管的三维结构示意图。

图7是可伸缩发射管的二维剖面图。

图中：1、工控计算机，2、高速摄影仪，3、第一压力表，4、泡沫板，5、透明有机玻璃，6、水下光源，7、发射管，8、水箱支架，9、电磁阀，10、气阀控制开关，11、高压气缸，12、第二压力表，13、支撑柱，14、高压氮气瓶，15、隔板，16、隔板夹。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步说明。

如图1、图2所示，本实用新型包括高速摄影组件、发射组件和水箱观察组件。

如图1所示，发射组件包括第一压力表3、可伸缩发射管7、电磁阀9、气阀控制开关10、高压气缸11、第二压力表12、支撑柱13、高压氮气瓶14；高压气缸11通过支撑柱13固定在地面，高压气缸11上安装有用于检测高压气缸内部压力的第一压力表3，高压气缸11的输入口通过气阀控制开关10与高压氮气瓶14连接，高压氮气瓶14出口处设有用于检测高压氮气瓶14内压力的第二压力表12，高压气缸11输出口朝上，气阀控制开关10用于控制氮气瓶启闭，高压气缸11用于储存高压气体的。实验中通过第一压力表3和第二压力表12配合将压力调至实验所需的合适压力。

如图1所示，水箱观察组件包括水箱、有机玻璃5、水下光源6和用于调节水箱所用体积的调节组件；用于出水实验观察的水箱通过水箱支架8安装在高压气缸11正上方，水箱的四周设有用于实验观察的透明有机玻璃5，采用有机玻璃5有利于观测水箱内部超空泡流场，高压气缸11输出口与可伸缩发射管7底部连接相通，高压气缸11输出口处设有用于控制高压气缸启闭的电磁阀9，可伸缩发射管7内装有用于出水实验的航行体，可伸缩发射管7顶部通过锡纸密封并从水箱底部中心伸入到水箱的介质水中。

如图1所示，高速摄影组件包括用于高速拍摄出水实验的高速摄影仪2与连接到高速摄影仪2的工控计算机1，高速摄影仪2朝向水箱中心。

如图2、图3、图4和图5所示，所述的用于调节水箱所用体积的调节组件包括隔板夹16和两块隔板15，水箱内沿高速摄影仪2朝向方向的前后两内壁上设有对称且间隔均布的一排隔板夹16，两块隔板15通过前后两内壁上的隔板夹16平行对称装在水箱内，水箱的介质水注入到两块隔板与水箱底面形成的隔断空间内，移动隔板位置，通过将隔板嵌入到不同位置的隔板夹16来改变实验中所用空间的体积，实现实验中所用的流场区域大小的调整。这样可以有助于研究狭窄流场中固体壁面对航行体表面的超空泡的产生、发展、溃灭等产生的影响。

由此水箱是一个完全密闭的空间，不会有介质泄漏，因此还可以用来研究不同介质下的超空泡现象，如模拟海水、有机溶液等。

如图3、图4、图5所示，隔板夹16由两条竖直平行排列的橡胶条组成，隔板15夹在两条橡胶条之间。优选地，单排中的隔板夹16的数量为12个。

如图6、图7所示，可伸缩发射管7为由两节直管活动套接而成进行调节长度的发射管。每次实验前将发射管拉长使得其伸出水面，安装射弹模型，然后将发射管的开口处用锡纸密封，再收缩发射管使其顶端处于水下实验所需的位置，实验结束后再将发射管伸出水面安装射弹模型进行下一次实验。

水箱内底部设有用于增强水箱内照明的水下光源6，水下光源6安装在水箱内底部的四角上，这样弥补了实验过程中照明强度不够，实验拍摄的照片较灰暗的问题。

航行体即为射弹模型，可采用加速子弹。

水箱观察组件还包括用于减速缓冲射出水面的高速射弹的泡沫板4，泡沫板4安装在水箱顶面，由于射弹的速度很大，起缓冲作用的泡沫板要保证足够的厚度。

水箱的左右侧面和前后两面上均设有透明的有机玻璃的观测窗口，透过有机玻璃可以观测到水箱内的水位和射弹在水中高速运动时其表面超空泡的发生、发展和溃灭的过程。

如图6、图7所示，利用可伸缩发射管，实验前把发射管伸出水面，装上射弹模型，用锡纸封住端口，再将发射管收缩至箱底合适的位置，每次实验结束后再将发射管伸出，安装射弹模型，进行下一次的实验。这样可以有效的解决之前射弹穿破锡纸后到关闭球阀的过程中大量液体介质泄漏的问题，以及流出的介质对高压气缸的腐蚀性影响，由于该水箱是一个密闭的环境，因此不仅可以用于研究水中的超空泡，还可以研究模拟海水、有机溶剂等特殊介质中的超空泡现象。

打开电磁阀，高压气缸11中充入的高压氮气进入到发射管7中，驱动射弹模型以较高的速度进入水中，在其表面会形成超空泡，再用高速摄影仪2对整个过程进行拍摄记录，研究航行体表面超空泡的产生、发展和溃灭现象。

本实用新型的具体实施工作过程如下：

每次实验前将隔板15嵌入到合适的隔板夹16的橡胶条之间中，注入实验用的液体介质淡水、模拟海水或有机溶剂等至所需的位置，将射弹模型放入伸出液面的发射管7中，用0.4mm厚的锡纸封住发射管的端口，将发射管收缩至箱底，打开气阀控制开关10，高压气瓶14中的氮气开始流入高压气缸11中，当压力表3中的压力为实验所需的压力时关闭气阀控制开关，打开水下光源6，将高速摄影仪2的摄像头对准聚焦于观察窗口内的液体自由面处，打开电磁阀9，高压气缸中的高压氮气进入到发射管中，驱动发射管内的射弹模型以较高的速度冲破锡纸，在水箱里向上运动，直至冲出液面，最终撞到铺在水箱顶部的一层泡沫板4上，速度得到充分的缓冲再坠落下来，通过利用高速摄影仪拍摄到航行体表面带超空泡运动和冲出液面时空泡溃灭的整个过程。实验结束后将发射管伸出水面，打开电磁阀9，高压气缸中残余的压力可以将发射管内流入的液体排出，保证发射管内部的干燥和通畅，然后安装射弹模型，进行下一次实验。

由此可见，本实用新型通过利用调节水箱所用体积的调节组件改变水箱实验时所用的体积大小，研究不同空间大小流场里的超空泡流动，及箱体壁面对超空泡发展的影响。其发射管解决了每次实验有大量水流出，需要重新注水，清洁实验环境的问题，同时由于整个箱体得到密封，在使用模拟海水和有机溶剂等介质时就不会泄露，不会腐蚀高压气缸和支架等，还可以用来研究海水、有机溶液等流场中的超空泡现象。通过水下光源，解决了实验中照明强度不足的问题。

Claims (7)

1.一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置，包括高速摄影组件、发射组件和水箱观察组件，其特征在于：发射组件包括第一压力表（3）、可伸缩发射管（7）、电磁阀（9）、气阀控制开关（10）、高压气缸（11）、第二压力表（12）、支撑柱（13）、高压氮气瓶（14）；高压气缸（11）通过支撑柱（13）固定在地面，高压气缸（11）上安装有用于检测高压气缸内部压力的第一压力表（3），高压气缸（11）的输入口通过气阀控制开关（10）与高压氮气瓶（14）连接，高压氮气瓶（14）出口处设有用于检测高压氮气瓶（14）内压力的第二压力表（12），高压气缸（11）输出口朝上；

水箱观察组件包括水箱、透明有机玻璃（5）、水下光源（6）和用于调节水箱所用体积的调节组件；用于出水实验观察的水箱通过水箱支架（8）安装在高压气缸（11）正上方，水箱的正面设有用于实验观察的透明有机玻璃（5），高压气缸（11）输出口与可伸缩发射管（7）底部连接相通，高压气缸（11）输出口处设有用于控制高压气缸启闭的电磁阀（9），可伸缩发射管（7）内装有用于出水实验的航行体，可伸缩发射管（7）顶部通过锡纸密封并从水箱底部中心伸入到水箱的介质水中；

高速摄影组件包括用于高速拍摄出水实验的高速摄影仪（2）与连接到高速摄影仪（2）的工控计算机（1），高速摄影仪（2）朝向水箱中心。

2.根据权利要求1所述的一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置，其特征在于：所述的用于调节水箱所用体积的调节组件包括隔板夹（16）和两块隔板（15），水箱内沿高速摄影仪（2）朝向方向的两内壁上设有对称且间隔均布的一排隔板夹（16），两块隔板（15）通过内壁上的隔板夹（16）平行对称装在水箱内，水箱的介质水注入到两块隔板与水箱底面形成的隔断空间内，通过将隔板嵌入到不同位置的隔板夹（16）来改变实验中所用空间的体积。

3.根据权利要求2所述的一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置，其特征在于：所述的隔板夹（16）由两条竖直平行排列的橡胶条组成。

4.根据权利要求2所述的一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置，其特征在于：所述的单排中的隔板夹（16）的数量为12个。

5.根据权利要求1所述的一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置，其特征在于：所述的可伸缩发射管（7）为由两节直管活动套接而成进行调节长度的发射管。

6.根据权利要求1所述的一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置，其特征在于：所述的水箱内底部设有用于增强水箱内照明的水下光源（6），水下光源（6）安装在水箱内底部的四角上。

7.根据权利要求1所述的一种可变水箱体积的航行体带超空泡出水实验装置，其特征在于：所述的航行体为加速子弹。