伴随超空泡产生的水下高速物体试验装置

摘要

本发明公开了一种伴随超空泡产生的水下高速物体试验装置。包括高压气源、箱体支撑架、高速摄影仪、工控计算机、隔膜、安全截获器、水箱、水箱盖、平板、球阀、发射管、加强板、气体导管、紧固板、发射管支撑架。试验物体通过高压气源所释放的氮气或氦气被驱动、加速，并通过发射管发射进入放有液体的水箱，当试验物体自上而下和自下而上地通过液体自由面时，产生了伴随超空泡产生的入水和出水的流场。所产生的超空泡流具有较清晰的汽/液两相流内外边界，再配合使用各种光学仪器和流场可视化仪器，就可以研究和了解空泡内气体的平衡状态、自由面与超空泡的相互作用、汽/液界面的不稳定性、湍流边界层的发展等复杂的流体动力学行为过程。

说明书

技术领域

本发明涉及流体力学中流体压力的试验装置，尤其是涉及一种伴随超空泡产生的水下高速物体试验装置。

背景技术

“空化”是一种普遍的水动力学现象，它发生在局部压力低于该温度下饱和蒸汽压的液体区域。就水而言，如果水温不高，将水面的压强降低到某临界值后(该临界值一般为液体的饱和蒸汽压)或将液流加速到一定速度，水体内原来含有的微气泡(气核)便急剧膨胀，随即水中便形成了众多含有水蒸汽或其他气体的明显气泡，这就是人们常见的“空化现象”，产生的气泡则称为“空化泡”。当更大程度地降低水面压强或提高液流速度时，空泡范围长度将会发育成超过绕流物体尺寸大小，导致超空化，即产生“超空泡”(Supercavitation)。在发生超空泡现象的情况下，水中运行的物体将会完全被空泡所包络，此时物体在水中的运行阻力将大大下降。

超空泡主要分为自然超空泡和通气超空泡两种，前者依靠提高航行体的速度产生超空泡，后者依靠人工通气增加空泡内压强生成超空泡。我国在高速物体出入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，但由于多数水洞只能开展物体入水试验，且试验受弗鲁德数Fr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。从当前公开发表的文献资料来看，我国对于高速，特别是跨音速的物体以垂直或近垂直角度出入水诱导产生超空泡方面的研究还很少涉及。造成上述现象的主要原因是目前还没有出现能较好地实现伴随超空泡产生的水下高速物体试验装置。美国人发明的超空化水下抛射体(US Patent 6405653)，在物体的后端装有一台火箭发动机，由火箭发动机的排气在物体表面产生人工通气气泡。这种设备比较复杂，不适合在实验室普及使用；而且它一般只能维持水平运动，而无法完成兼顾出水和入水试验的任务。

发明内容

针对上述背景技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供一种伴随超空泡产生的水下高速物体试验装置，可开展使物体瞬间加速到40m/s至400m/s的速度并以垂直或近垂直角度出入水来诱导产生自然超空泡的试验。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一、一种伴随超空泡产生的水下高速物体试验装置：

本发明包括高压气源、箱体支撑架、高速摄影仪、工控计算机、两个隔膜、安全截获器、水箱、水箱盖、平板、球阀、发射管、发射管支撑架；箱体支撑架的上端面和平板的中心开有等直径的通孔，平板下端面同轴焊有法兰，法兰向下依次安装第一隔膜和球阀，发射管与发射管支撑架相连接，发射管安放在球阀下面，发射管的发射口中心始终对准球阀的阀口中心，发射管与高压气源连接；平板的上端面与水箱的下端面固接，水箱盖与水箱的上端口通过铰链连接，水箱盖中心开有通孔，水箱盖的上端面与安全截获器连接，水箱盖的下端面依次安装第二隔膜和法兰盖，水箱箱体四周设有观察窗口；高速摄影仪的摄像头对准观察窗口的液体自由面处，高速摄影仪与工控计算机相连。

二、一种伴随超空泡产生的水下高速物体试验装置：

本发明包括高压气源、箱体支撑架、高速摄影仪、工控计算机、两个隔膜、安全截获器、水箱、水箱盖、平板、球阀、发射管、发射管支撑架；箱体支撑架的上端面和平板的中心开有等直径的通孔，平板下端面同轴焊有法兰，法兰向下依次安装第一隔膜和安全截获器，平板的上端面与水箱的下端面固接，水箱盖与水箱的上端口通过铰链连接，水箱盖中心开有通孔，水箱盖的上端面与球阀连接，水箱盖的下端面依次安装第二隔膜和法兰盖，发射管与发射管支撑架相连接，发射管放置在球阀的正上方，发射管的发射口中心始终对准球阀的阀口中心，发射管与高压气源连接；水箱箱体四周设有观察窗口；高速摄影仪的摄像头对准观察窗口的液体自由面处，高速摄影仪与工控计算机相连。

以上两种技术方案中所述的安全截获器为一个填充满黏土的圆柱钢体。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用高压气源所释放的氮气或氦气来驱动试验物体加速、发射，实现试验物体以40m/s至400m/s的速度出入水诱导产生二维自然超空泡流。该超空泡流具有较明显的汽/液两相流相互扰动作用和较清晰的汽/液两相流内外边界，在边界的内侧是单相的水汽流动。这样，再配合使用各种光学仪器和流场可视化仪器，就可以研究和了解空泡内气体的平衡状态及物体形状和物体长径比对超空泡形态发展的影响、物体在水中的阻力系数、自由面与超空泡的相互作用、汽/液界面的不稳定性、湍流边界层的发展等复杂的流体力学过程。

采用本发明可以方便、直观地研究高速物体出入水运动过程所伴随的超空泡流的流体力学特性。另外，本发明结构简单，成本较低，易于推广。

附图说明

图1是本发明装置开展高速物体出水试验时的结构示意图。

图2是图1中A的放大图。

图3是图1中B的放大图。

图4是本发明装置开展高速物体入水试验时的结构示意图。

图5是图4中C的放大图。

图6是图4中D的放大图。

图中：1、高压气源，2、箱体支撑架，3、高速摄影仪，4、工控计算机，5、试验物体，6、锁孔，7、第二隔膜，8、安全截获器，9、黏土，10、法兰盖，11、蝴蝶铰链，12、水箱，13、观察窗口，14、平板，15、紧固板，16、法兰，17、第一隔膜，18、球阀，19、发射管，20、内六角螺钉，21、加强板，22、水箱盖，23、气体导管，24、发射管支撑架。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

当开展高速物体出水试验时，如图1所示，本发明包括高压气源1、箱体支撑架2、高速摄影仪3、工控计算机4、两个隔膜7，17、安全截获器8、水箱12、水箱盖22、平板14、球阀18、发射管19、加强板21、气体导管23、紧固板15、发射管支撑架24；箱体支撑架2的上端面和平板14的中心开有等直径的通孔，平板14下端面同轴焊有法兰16，法兰16向下依次安装第一隔膜17和球阀18，发射管19与发射管支撑架24相连接，发射管19安放在球阀18下面，发射管19的发射口中心始终对准球阀18的阀口中心，发射管19与高压气源1通过气体导管23相连接；平板14的上端面与水箱12的下端面固接，水箱盖22与水箱12的上端口通过铰链11连接，水箱盖22中心开有通孔，水箱盖22的上端面与安全截获器8连接，水箱盖22的下端面依次安装第二隔膜7和法兰盖10，水箱12的4个侧面上通过螺栓各连接有由透明有机玻璃制成的观察窗口13；紧固板15和加强板21都通过内六角螺钉20与箱体支撑架2连接；高速摄影仪3的摄像头对准观察窗口13的液体自由面处，高速摄影仪3与工控计算机4相连。

如图2、图3所示，两个隔膜7，17的径向几何形状为圆形，其截面积大小分别等于法兰盖10和法兰16的连接面截面积大小。

如图3所示，安全截获器8内置放黏土9。

当开展高速物体入水试验时，如图4所示，包括高压气源1、箱体支撑架2、高速摄影仪3、工控计算机4、两个隔膜7，17、安全截获器8、水箱12、水箱盖22、平板14、球阀18、发射管19、发射管支撑架24；箱体支撑架2的上端面和平板14的中心开有等直径的通孔，平板14下端面同轴焊有法兰16，法兰16向下依次安装第一隔膜17和安全截获器8，平板14的上端面与水箱12的下端面固接，水箱盖22与水箱12的上端口通过铰链11连接，水箱盖22中心开有通孔，水箱盖22的上端面与球阀18连接，水箱盖22的下端面依次安装第二隔膜7和法兰盖10，发射管19与发射管支撑架24相连接，发射管19放置在球阀18的正上方，发射管19的发射口中心始终对准球阀18的阀口中心，发射管19与高压气源1连接；水箱12的4个侧面上通过螺栓各连接有由透明有机玻璃制成的观察窗口13；紧固板15和加强板21都通过内六角螺钉20与箱体支撑架2连接；高速摄影仪3的摄像头对准观察窗口13的液体自由面处，高速摄影仪3与工控计算机4相连。

如图5、图6所示，两个隔膜7，17的径向几何形状为圆形，其截面积大小分别等于法兰盖10和法兰16的连接面截面积大小。

如图6所示，安全截获器8内置放黏土9。

本发明的工作过程如下所述：

如图1、图4所示实施例中，安装好试验装置，把试验物体5放置到发射管19中，将球阀18的阀口打开，高压气源1内储存氮气或氦气，打开高压气源1的阀口使其释放气体，同时开启高速摄影仪3。高压气源1可由压气机或高压气瓶经稳压阀提供，气源的压力值为3MPa至25MPa。通过高压气源1所释放出的气体来驱动试验物体5从发射管19中高速发射，试验物体5一旦穿透第一次所碰触的隔膜后，立即关闭球阀18的阀口，试验物体5高速射入放有透明液体的水箱12中，诱导周围液体形成超空泡，试验物体5离开液体自由面后，继续前进，穿透第二次所碰触的隔膜，最终被安全截获器8所截获捕捉，嵌入在黏土9中。高速摄影仪3将所拍摄到的试验物体5在高速出入水运动过程中诱导产生超空泡的流体动力学作用过程以数字图像的形式传输并储存到工控计算机4中，再配合使用一些光学仪器和流场可视化仪器，就可以研究和了解空泡内气体的平衡状态及物体形状和物体长径比对超空泡形态发展的影响、物体在水中的阻力系数、自由面与超空泡的相互作用、汽/液界面的不稳定性、湍流边界层的发展等复杂的水动力学过程。

经上述方法，用上述试验装置可使试验物体5加速到40m/s至400m/s。试验物体5在液体中一边高速前进，一边与液体发生强烈的相互作用，诱导周围液体产生超空泡，进而使得试验物体5在液体中运行的过程中被超空泡所完全包络住，在试验物体5周围形成明显的超空泡汽/液两相流现象。另外，试验物体5的几何外形长径比越大，出入液体时的速度越大，越有利于试验物体5在水中诱导产生超空泡，超空泡产生的过程也越明显和直观。从试验物体5出入水过程中，高速摄影仪所拍摄的数字图像来分析，若数字图像显示某一时刻试验物体5周围被一个尺寸略大于自身尺寸的细长椭球体状液柱包络住时，说明此时试验物体5在液体运行过程中伴随有超空泡产生。