一种用于射流流场中微气泡测量的试验装置

摘要

本发明公开了一种用于射流流场中微气泡测量的试验装置，属于船舶水动力学试验技术领域。该装置包括：包括循坏水槽1、推进和辅助测量小车3、水平射流小车4和PTV测量系统，其特征在于，所述的推进和辅助测量小车3和水平射流小车4通过连接架连接；所述的PTV测量系统布置在连接架上；所述的推进和辅助测量小车3和水平射流小车4放置在循环水槽1的水槽滑轨2上。本发明可以用于循环水槽等实验室设施，从而在水槽中产生射流流场，进而采用PTV与其他辅助测量系统来测量射流流场的水动力学特性，特别是射流产生的微小气泡的运动特性。具有操作简单，使用效率高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于射流流场中微气泡测量的试验装置，属于船舶水动力学试验技术领域领域。

背景技术

舰船在航行过程中,由于螺旋桨的旋转产生空化、海面的波浪破碎以及吃水线部分大量空气的卷入等因素,使得在其后产生一条富含大量不同尺度气泡的气幕带，导致尾流区的光学、声学等特性与通常海面截然不同。舰船尾流中，气泡对尾流特性起着重要的作用。通过对尾流气泡的监测，可以识别对应舰船的种类；通过对尾流气泡的追踪，可以引导鱼雷沿着舰船尾流运动并击中舰船。因此对尾流气泡群的研究具有重大的意义。目前，人们对于尾流气泡的运动特性所知甚少。由于水中气泡的运动属于气液两相流动的范畴，采用Particle Tracking Velocimetry，简称PTV,粒子示踪测速技术可以很好地追踪各个气泡在射流影响下的运动特征。PTV技术通过向水中播撒较低浓度的示踪粒子，用较强的片光源照亮观测水域，再通过高速摄像机记录被照亮的粒子和微小气泡随时间的运动轨迹，从而追踪各个颗粒在尾流影响下的运动特征。随着近年来PTV技术的逐步成熟，可以采用PTV测量装置来观测射流流场特别是射流气泡的运动特性。

发明内容

本发明的目的是这样实现的：

一种用于射流流场中微气泡测量的试验装置，包括循坏水槽1、推进和辅助测量小车3、水平射流小车4和PTV测量系统，其特征在于，所述的推进和辅助测量小车3和水平射流小车4通过连接架连接；所述的PTV测量系统布置在连接架上；所述循环水槽1的俯视图呈矩形，且在循环水槽1槽口的两个较长边上布置水槽滑轨2，所述的推进和辅助测量小车3和水平射流小车4放置在水槽滑轨2上。

所述的连接架包括左侧连接架15和右侧连接架17，左侧连接架15和右侧连接架17的材质均为铝合金管材，左侧连接架15和右侧连接架17呈中心线对称，所述的中心线为推进和辅助测量小车3中心和水平射流小车4中心连线所在的直线；所述的推进和辅助测量小车3和水平射流小车4上分别设有紧固架，所述的左侧连接架15和右侧连接架17通过紧固架连接推进和辅助测量小车3和水平射流小车4。

推进和辅助测量小车3远离水平射流小车4的一侧装有左侧推进和辅助测量的小车车轮和右侧推进和辅助测量的小车车轮，且左侧推进和辅助测量的小车车轮和右侧推进和辅助测量的小车车轮均与水槽滑轨2配合；左侧推进和辅助测量的小车车轮通过齿轮传动与左侧直流电机7相连，右侧推进和辅助测量的小车车轮通过齿轮传动与右侧直流电机10相连；推进和辅助测量小车3的上表面中心位置设有数采系统24，推进和辅助测量小车3的下表面设有浪高仪19，所述推进和辅助测量小车3的上表面为远离水槽滑轨2的表面，所述推进和辅助测量小车3的下表面为靠近水槽滑轨2的表面；推进和辅助测量小车3的上表面远离水平射流小车4的一侧设有声纳系统连接架9，推进和辅助测量小车3的下表面设有左侧声纳听水器21和右侧声纳听水器22，左侧声纳听水器21和右侧声纳听水器22均与升降机构23的一端连接，升降机构23的另一端与声纳系统连接架9连接。

水平射流小车4的轮廓呈矩形，水平射流小车4的四个端点处装有车轮，所述的车轮与水槽滑轨2配合；水平射流小车4的上表面上装有水箱6，水箱6的上方设有水箱进水口26，水箱6的下方设有水箱出水口；水箱出水口与抽水泵25的一端连接，抽水泵25的另一端连接出水管道12的进水口，出水管道12的出水口连接射流喷嘴14，射流喷嘴14平行于水槽滑轨2且位于水平射流小车4的下表面，射流喷嘴14的喷头朝向推进和辅助测量小车3，所述水平射流小车4的上表面为远离水槽滑轨2的表面，所述水平射流小车4的下表面为靠近水槽滑轨2的表面；所述的出水管道12弯折呈“U”型，且在出水管道12弯折处装有管道阀件11。

所述的PTV测量系统包括PTV激光器16、左侧PTV摄像机13和右侧PTV摄像机20；所述的PTV激光器16固定在连接架上；左侧PTV摄像机13与左侧PTV摄像机连接架5的一端相连，左侧PTV摄像机连接架5的另一端连接左侧PTV摄像机加强连接件27的一端，左侧PTV摄像机加强连接件27的另一端与连接架相连；右侧PTV摄像机20与右侧PTV摄像机连接架8的一端相连，右侧PTV摄像机连接架8的另一端连接右侧PTV摄像机加强连接件18的一端，右侧PTV摄像机加强连接件18的另一端与连接架相连；所述的左侧PTV摄像机连接架5和右侧PTV摄像机连接架8均位于竖直平面且垂直于水槽滑轨2；所述的左侧PTV摄像机加强连接件27和右侧PTV摄像机加强连接件18位于水平面，且垂直于水槽滑轨2。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种用于射流流场中微气泡测量的试验装置。整个装置主要由两大模块构成，位于连接架前的小车用于产生水平射流；连接架上的PTV系统和位于连接架后边的小车用于测量射流流场的各种性质。本发明所采用的射流系统结构简单，通过调整抽水泵输出功率、阀件开口以及更换合适的喷嘴可以方便地调出试验所需的射流。本装置使用PTV技术，可以很好地观测到射流气泡的运动轨迹，结合其他辅助测量系统可以对射流流场的各种运动特性进行研究。通过对大量气泡群的观测，有助于理解水中微小气泡的各种特性，具有重要的实验意义。此外，本装置将测量系统与模拟射流系统进行分离，使得各个模块便于操作，易于维护，可以方便地对各个部件进行更换与维修。具有操作简便，使用效率高的优点。

附图说明

图1为本发明的总体结构图；

图2为本发明的局部结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细地描述：

本发明的目的是为了提供一种用于射流流场中微气泡测量的试验装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种测量喷水推进系统的尾流气泡的试验装置，包括一个产生水平射流的水平射流小车4、一个用于推进和辅助测量的推进和辅助测量小车3、用于连接两台小车的连接架以及安装在连接架上的PTV测量系统。所述水平射流小车4上装有水箱6、抽水泵25、出水管道12和射流喷嘴14。水箱6上装有水箱进水口26，下方有水箱出水口，用于储存产生射流的水；抽水泵25一头与水箱下方的水箱出水口相连，另一头与出水管道12连接，其上装有管道阀件11用来调节出水流量的大小；出水管道12另一头连接射流喷嘴14，所述射流喷头14可以手动卸下更换，进而调整射流出口的流动形态。该小车位于整体装置的前部，用于产生高压水射流。所述推进和辅助测量小车3上装有一对直流电机，一套浪高仪19，一套声呐系统和一台数采系统24。直流电机用于整体装置的推进，通过单片机来控制直流电机的正转、反转和调速，继而控制整体系统的前进、后退运动。浪高仪19用于采集射流引起的波浪的变化情况。声呐系统用于测量气泡在不同位置的平均尺寸大小。数采系统用于收集各种测量系统所采集到的数据。所述连接架为两套铝合金材质的管材，管材两端用紧固架连接在前后两台小车上方；紧固架可以手动调节松紧度，进而移动其与管材的相对位置来调节两台小车之间的距离，防止射流喷射到激光器上，从而影响到试验结果。所述PTV测量系统，由一台激光器和两架高速摄相机组成。激光器固定在两套连接架之间，位于射流出口的正后方。高速摄相机通过铝制连接件固定在整套装置的两侧，用于拍摄被激光器照亮的流场区域气泡和示踪粒子的运动轨迹。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述的PTV测量系统的高速摄相机由铝合金制管材与连接架相连，此外，高速摄像机与连接架之间还有加强连接件，防止在高速运动时由于支持力不够而发生分离导致损坏仪器。

2.所述辅助测量小车后端由铝合金制管材固定着声纳系统的水听器，此外，声呐水听器与铝合金管材之间还有加强连接件，防止在高速运动时由于支持力不够而发生分离导致损坏仪器。

3.所述产生水平射流的小车与辅助测量小车的轮子和车体之间安装有升降装置，可以通过手动调节升降装置而调整车体的高度，使得射流喷嘴与水平面之间的距离满足试验要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于射流流场中微气泡测量的试验装置，包括如下操作方法：

1、将试验装置安装在循环水槽1的水槽滑轨2上，通过水箱6上方的水箱进水口26将水箱加满水，安装试验所需射流喷嘴14。向水中均匀播撒PTV示踪粒子，随后启动数采系统24，检查PTV系统、浪高仪19、声呐系统是否工作正常，测试数采系统24采集的各项参数是否准确，完成试验的前期准备。

2、调节抽水泵25的输出功率并调节管道阀件11的开口大小，调整小车平面相对水平面的高度，调整小车之间的相对位置，直至射流的流速、流量等参数符合试验要求。数采系统24进行采集第一个工况，开始进行试验。

3、设置直流电机的运动模式，启动推进系统，整个试验系统开始加速前进，加速到给定速度后开始匀速运动，这时PTV系统开始进行拍摄，记录整个工况直至系统开始减速运动。整个试验装置开始减速直至停止运动，此时整体系统运动至循坏水槽1的另一端。保存数采系统24记录文件及PTV系统所拍摄的照片。

4、更改直流电机的运动模式，使试验系统反向运动至初始位置，重复步骤3直至完成所有试验工况。

5、完成所有工况后，关闭各个采集系统及推进系统，并将未使用完的水排放至循坏水槽1。将整个试验装置从水槽滑轨2上卸载收回。

如图1、2所示，本发明包括水平射流小车4、推进和辅助测量小车3，两台小车之间的连接架以及安装在连接架上的PTV摄相系统。水平射流小车4包括一整套用来产生射流的装置，水箱6中储存的水由抽水泵25从下部的排水口抽出后，以均匀的流速沿出水管道12从射流喷嘴14中排出，此外，整个系统在直流电机的驱动下以均匀的速度前进，从而在循环水槽1中生成含有大量微气泡的射流流场。与此同时，安装在推进和辅助测量小车3的各种测量仪器和固定在连接架上的PTV照相系统对尾流气泡的各种运动参数进行采集。直流电机由单片机控制，保证运行速度与对应试验的喷水推进船舶满足运动相似。声纳系统连接架9、左侧PTV摄像机加强连接件27和右侧PTV摄像机加强连接件18为加强件，防止杆件结构连接的PTV摄像机及声纳水听器由于重量过大而发生变形。

在进行试验之前先进行准备工作。将推进和辅助测量小车3、水平射流小车4通过连接架安装在循环水槽1的水槽滑轨2上，之后完成PTV测量系统的相机装置以及PTV激光器16的安装。通过水箱上方的水箱进水口26向水箱6内注满水，选取合适型号的射流喷嘴14安装在出水管道12的前端。向水槽1中均匀播撒PTV示踪粒子，之后向数采系统24接上各个测量系统的连接线路，启动数采系统，监测浪高仪19、声呐水听器、PTV摄像机是否工作正常，各项参数是否准确，完成试验的前期准备。

随后开始调节射流的参数。先调节升降机构23使射流喷嘴14与水面的高度一致，再调节抽水泵25的输出功率，同时调整管道阀件11的开口大小，使射流的流量与试验要求一致。随后调节连接架使PTV系统可以采集到合适的流场区域。完成试验的调试环节，可以开始进行试验。

通过调整控制直流电机的单片机的各项参数，设置好直流电机的运动模式，启动推进系统，整个试验系统开始加速前进，进入匀速段后，PTV系统开始进行拍摄。PTV激光器16照亮测量平面的示踪粒子和气泡，PTV摄像机拍摄下示踪粒子和气泡的运动轨迹。与此同时，浪高仪19记录下尾流波浪的高度，声呐水听器记录下尾流区域内各处气泡的浓度。它们记录的数据由数采系统24进行记录并保存。试验装置经过匀速段后，开始减速运行，直至停止在水槽滑轨2的另一端。此时将采集的数据文件保存。

更改直流电机的运动模式，使试验系统反向运动至初始位置，重复步骤3直至完成所有试验工况。完成所有工况后，关闭各个采集系统及推进系统，并将水箱6中未使用完的水通过管道12排放至水槽。将整个试验装置从水槽滑轨2上卸载收回。