剪切流中多电火花气泡研究的实验装置

摘要

本发明提供一种剪切流中多电火花气泡研究的实验装置，涉及水下爆炸领域，具体的是剪切流中多个电火花气泡研究的实验装置，包括支架，设置在支架上内的外筒，设置在外筒内的内筒，与内筒配合的内筒端盖，设置在支架上端面上的横梁，设置在横梁上的安装柱，固定在安装柱上的电机，与电机配合的旋转杆，与旋转杆配合的旋转连接件和旋转片，安装在内筒端盖上的放电针针柱和放电针。在支架两侧设置有光源和高速摄像机，且光源和高速摄像机相对水箱设置。本发明使用安全，实验效果好，能够为水下爆炸气泡在剪切流场中的研究提供实验装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种剪切流中多电火花气泡研究的实验装置，属于水下爆炸研究实验装置领域。

背景技术

空泡群普遍存在于船舶工程、水力机械工程以及水中兵器工程等实际应用中，如螺旋桨在水下旋转时会在叶片上形成大量空泡，不同区域的空泡聚集在一起形成特定属性的空泡群，如泡状空泡群、片状空泡群和云雾状空泡群等。受流场环境作用，空泡群会发生复杂的溃灭现象。该现象在实际工程应用中被认为是一种十分危险的现象。相对于单个空泡的存在形式，在实际应用领域中，空泡往往是以群簇的形式存在，泡群运动特征才是解决实际问题的关键。

实际条件下，空泡所处流场环境往往十分复杂，受到剪切流场结构(速度/压力梯度)以及具有不同物面特征的边界条件的联合影响。空泡在有速度梯度的流场中运动时，会受到升力的作用，而物面的存在也会产生力的作用，诱导空泡发生非对称射流，形成不同于自由场的空泡溃灭机制。

另外，由于火工品的制造和使用受国家严格管控，开展以炸药、火药等火工品水下爆炸试验会受到诸多的限制，大部分学者并没有机会来开展该类的实验，使得多气泡水下爆炸的研究更加困难。

因此，急需一种具有剪切流场结构，可重复使用，不以火工品为爆源，同时产生多个爆炸气泡，能够在普通实验室开展实验的剪切流中多气泡研究的实验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种剪切流场中多个电火花气泡研究的实验装置，其主要特点是具有剪切流场结构，可重复使用，不以火工品为爆源，同时产生多个爆炸气泡，能够在普通实验室开展实验的剪切流中多气泡的实验装置。

本发明的目的是这样实现的：包括设置在实验台上的高速摄像机、光源、控制箱、支架、设置在支架顶部的电机、设置在支架中的外筒、设置在外筒内的内筒和内筒端盖，在内筒端盖设置至少三组放电结构，电机的输出端连接旋转杆，旋转杆的通过旋转连接件设置有旋转片，所述高速摄像机、光源对称设置在支架的两侧，内筒装满水后，在外筒装水，且外筒的水的高度超过安装后的内筒端盖上端。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.每组放电结构包括正、负两级的放电针针柱、设置在放电针针柱下端的放电针，放电针针柱与内筒端盖连接。

2.所述放电结构有三组。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用高压电放电为爆源，通过调节内筒端盖上筒的位置和数量改变气泡产生的位置和数量。在内筒筒体上加了内筒端盖，可以有效的减少由旋转杆旋转产生旋涡体积，从而增加可实验的液体体积。内筒端盖上的孔的位置可以调节，且可以根据实验的需求增加和改变孔的数量，以此来改变可产生气泡的数量。与现有技术相比，在多气泡的产生方面更加的方便。在气泡的同步方面，不在需要将电线放置于水中，且同步性较好。另外，通过高速摄像机对水下电火花气泡整个过程进行观测，可以更好的与爆炸气泡在自由场下的状态进行对比。本专利爆源采用电火花，避开了国家对火工品的管制，实验场地不再受到限制，普通实验室即可开展相关实验。本专利使用安全，实验效果好，可多次重复使用，能够为剪切流场下多个电火花气泡的机理研究提供一种有效的实验方法。

附图说明

图1为本发明放电针针柱与放电针的局部示意图；

图2为本发明放电机构安装在内筒端盖上的示意图；

图3为本发明内筒端盖与内筒的连接示意图；

图4为本发明旋转部件的连接示意图；

图5为本发明的整体示意图；

附图说明：1放电针针柱；2放电针；3旋转杆；4旋转片；5旋转连接件；6内筒端盖；7内筒筒体；8外筒；9电机；10安装柱；11安装横梁；12光源；13支架；14控制箱；15高速摄像机。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的是这样实现的：包括支架，设置在支架上内的外筒，设置在外筒内的内筒，与内筒配合的内筒端盖，设置在支架上端面上的横梁，设置在横梁上的安装柱，固定在安装柱上的电机，与电机配合的旋转杆，与旋转杆配合的旋转连接件和旋转片，安装在内筒端盖上的放电针针柱和放电针。在支架两侧设置有光源和高速摄像机，且光源和高速摄像机相对水箱设置。内筒端盖上的孔可以自定义位置，从而调节气泡发生的位置，内筒底部设有孔，方便内部水的排出。内筒装满水后，要在外筒装水，且水的高度超过安装后的内筒端盖上端，以保证内筒中无气泡。放电针针柱通过绝缘接线柱连接在内筒端盖上，通过外接控制箱控制放电的电压，调节生成气泡的大小；通过增加孔和放电针针柱的数量改变产生气泡的数量，也即调节放电结构的组数，同时要注意气泡发生的同步情况。

结合附图1～5，本发明主要用于剪切流场中的多电火花气泡的研究，为不同速度流场，不同数量，不同间距的气泡研究提供实验装置。该装置包括：放电针针柱1；放电针2；旋转杆3；旋转片4；旋转连接件5；内筒端盖6；内筒筒体7；外筒8；电机9；安装柱10；安装横梁11；光源12；支架13；控制箱14；高速摄像机15。所述的外筒8固定在所述的支架13上，内筒筒体7安装在外筒8内，且与外筒8同轴心；内筒端盖6与内筒筒体7通过螺栓进行连接固定；放电针针柱1和放电针2通过绝缘接线柱安装在内筒端盖6上，通过调节所述内筒端盖6上的孔的位置和数量，改变气泡生成的位置和数量，由于所述的内筒端盖6已固定，所以孔的位置也可以更好的确定；所述的旋转杆3、旋转连接件4和旋转片5按照示意图安装；安装后的旋转杆4与内筒端盖6中心的孔同轴心安装，距离内筒筒体7底部的高度可自行确定；所述的安装横梁11安装在所述的支架13上，与支架13的上端面平行；所述的安装柱10安装在所述的安装横梁11上；所述的电机9安装在所述的安装柱10上；所述的电机9与所述的安装好的旋转柱4通过刚性联轴器进行连接，实现对旋转杆3的驱动，从而带动内筒7中水的旋转；在所述的内筒7的内部装满水，在所述的外筒8的内部也加水，水面的高度超过安装后的内筒端盖6的上端面，以保证用于实验的内筒7内的水内没有可以影响实验的气泡。

本发明的实验使用环境、具体结构以及实验过程如下：

1.实验使用环境

本发明的实验使用环境如附图5所示，除了本发明装置外还应设有：光源12、高速摄像机15、控制箱14以及实验桌、数据采集系统等设备。

外筒8由亚克力材料制成，实验时放置在支架13上，并进行固定、高速摄机15置于外筒8一侧，距外筒8外壁约0.5米。光源12置于实验水箱对面一侧，距离外筒8外壁约0.1米，光源中心与高速摄像机15同高。实验桌置于距实验水箱约3米处，控制箱14、数据采集系统放置于实验桌上。

2.实验装置具体结构

外筒8固定在所述的支架13上，内筒筒体7安装在外筒8内，且与外筒8同轴心；内筒端盖6与内筒筒体7通过螺栓进行连接固定；放电针针柱1和放电针2通过绝缘接线柱安装在内筒端盖6上，通过调节所述内筒端盖6上的孔的位置和数量，改变气泡生成的位置和数量，由于所述的内筒端盖6已固定，所以孔的位置也可以更好的确定；所述的旋转杆3、旋转连接件4和旋转片5按照示意图安装；安装后的旋转杆4与内筒端盖6中心的孔同轴心安装，距离内筒筒体7底部的高度可自行确定；所述的安装横梁11安装在所述的支架13上，与支架13的上端面平行；所述的安装柱10安装在所述的安装横梁11上；所述的电机9安装在所述的安装柱10上；所述的电机9与所述的安装好的旋转柱4通过刚性联轴器进行连接。放电针2放电引发内筒筒体7中的水中生成爆炸气泡。

3.实验过程

本发明实验过程如下：

(1)根据实验内容、实验装置具体结构所述内容，并结合附图1～5对实验装置进行组装。根据实验使用环境所述内容和附图5布置实验环境。

根据实验时光照强度需要调节光源12灯光强度。调节放电针2与内筒端盖6之间距离至所需。调节光源12、高速摄像机15高度使之与放电针2对准。连接好所需数据线、电源线、控制线等线缆。

(2)开通电源，联调各控制设备、测试设备、采集设备至待实验状态。

(3)调节放电针2放电电压至所需电压并完成充电，将实验触发控制器置于可触发壮态。

(4)触动触发控制器，光源12、高速摄像机15、数据采集设备开始工作。延迟过后，放电针放电引发水中爆炸。水中爆炸过程将被高速摄像机15记录下来。

综上所述，本发明涉及一种剪切流中多电火花气泡研究的实验装置，本发明不以火工品为爆源，具有剪切流场结构，可重复使用，同时产生多个爆炸气泡，结构简单，实验操作方便，实验效果明显，是能够在普通实验室开展实验的剪切流中多气泡的实验装置。

本发明涉及水下爆炸领域，具体的是剪切流中多个电火花气泡研究的实验装置，包括支架，设置在支架上内的外筒，设置在外筒内的内筒，与内筒配合的内筒端盖，设置在支架上端面上的横梁，设置在横梁上的安装柱，固定在安装柱上的电机，与电机配合的旋转杆，与旋转杆配合的旋转连接件和旋转片，安装在内筒端盖上的放电针针柱和放电针。在支架两侧设置有光源和高速摄像机，且光源和高速摄像机相对水箱设置。本发明使用安全，实验效果好，能够为水下爆炸气泡在剪切流场中的研究提供实验装置。