專利名稱:一種伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及流體力學中流體壓力的發(fā)生器，尤其是涉及一種伴隨超空泡產(chǎn)生 的水下高速物體發(fā)生器。
背景技術(shù)：
“空化”是一種普遍的水動力學現(xiàn)象，它發(fā)生在局部壓力低于該溫度下飽和蒸 汽壓的液體區(qū)域。就水而言，如果水溫不高，將水面的壓強降低到某臨界值后(該臨界 值一般為液體的飽和蒸汽壓)或?qū)⒁毫骷铀俚揭欢ㄋ俣?，水體內(nèi)原來含有的微氣泡(氣 核)便急劇膨脹，隨即水中便形成了眾多含有水蒸汽或其他氣體的明顯氣泡，這就是人們 常見的“空化現(xiàn)象”，產(chǎn)生的氣泡則稱為“空化泡”。當更大程度地降低水面壓強或提高液 流速度時，空泡范圍長度將會發(fā)育成超過繞流物體尺寸大小，導致超空化，即產(chǎn)生“超空 泡”(Supercavitation)。在發(fā)生超空泡現(xiàn)象的情況下，水中運行的物體將會完全被空泡所 包絡(luò)，此時物體在水中的運行阻力將大大下降。
超空泡主要分為自然超空泡和通氣超空泡兩種，前者依靠提高航行體的速度產(chǎn)生 超空泡，后者依靠人工通氣增加空泡內(nèi)壓強生成超空泡。我國在高速物體出入水誘導產(chǎn)生 自然超空泡的基礎(chǔ)試驗研究方面剛剛起步不久，相關(guān)的研究單位大多是在水洞中進行，但 由于多數(shù)水洞只能開展物體入水試驗，且試驗受弗魯?shù)聰?shù)Fr的影響較大，空泡變形較嚴 重，難以準確分析空泡的形態(tài)特性。從當前公開發(fā)表的文獻資料來看，我國對于高速，特別 是跨音速的物體以垂直或近垂直角度出入水誘導產(chǎn)生超空泡方面的研究還很少涉及。造成 上述現(xiàn)象的主要原因是目前還沒有出現(xiàn)能較好地實現(xiàn)伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā) 生器。美國人發(fā)明的超空化水下拋射體(US Patent 6405653)，在物體的后端裝有一臺火箭 發(fā)動機，由火箭發(fā)動機的排氣在物體表面產(chǎn)生人工通氣氣泡。這種設(shè)備比較復雜，不適合在 實驗室普及使用；而且它一般只能維持水平運動，而無法完成兼顧出水和入水試驗的任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述背景技術(shù)中所存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種伴隨超空泡 產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器，可開展使物體瞬間加速到40m/s至400m/s的速度并以垂直或 近垂直角度出入水來誘導產(chǎn)生自然超空泡的試驗。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的技術(shù)方案是
一、一種伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器
本實用新型包括高壓氣源、箱體支撐架、高速攝影儀、工控計算機、兩個隔膜、安全 截獲器、水箱、水箱蓋、平板、球閥、發(fā)射管和發(fā)射管支撐架；箱體支撐架的上端面和平板的 中心開有等直徑的通孔，平板下端面同軸焊有法蘭，法蘭向下依次安裝第一隔膜和球閥，發(fā) 射管與發(fā)射管支撐架相連接，發(fā)射管安放在球閥下面，發(fā)射管的發(fā)射口中心始終對準球閥 的閥口中心，發(fā)射管與高壓氣源連接；平板的上端面與水箱的下端面固接，水箱蓋與水箱的 上端口通過鉸鏈連接，水箱蓋中心開有通孔，水箱蓋的上端面與安全截獲器連接，水箱蓋的下端面依次安裝第二隔膜和法蘭蓋，水箱箱體四周設(shè)有觀察窗口 ；高速攝影儀的攝像頭對 準觀察窗口的液體自由面處，高速攝影儀與工控計算機相連。
二、一種伴 隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器
本實用新型包括高壓氣源、箱體支撐架、高速攝影儀、工控計算機、兩個隔膜、安全 截獲器、水箱、水箱蓋、平板、球閥、發(fā)射管和發(fā)射管支撐架；箱體支撐架的上端面和平板的 中心開有等直徑的通孔，平板下端面同軸焊有法蘭，法蘭向下依次安裝第一隔膜和安全截 獲器，平板的上端面與水箱的下端面固接，水箱蓋與水箱的上端口通過鉸鏈連接，水箱蓋中 心開有通孔，水箱蓋的上端面與球閥連接，水箱蓋的下端面依次安裝第二隔膜和法蘭蓋，發(fā) 射管與發(fā)射管支撐架相連接，發(fā)射管放置在球閥的正上方，發(fā)射管的發(fā)射口中心始終對準 球閥的閥口中心，發(fā)射管與高壓氣源連接；水箱箱體四周設(shè)有觀察窗口 ；高速攝影儀的攝 像頭對準觀察窗口的液體自由面處，高速攝影儀與工控計算機相連。
以上兩種技術(shù)方案中所述的安全截獲器為一個填充滿黏土的圓柱鋼體。
本實用新型具有的有益效果是
本實用新型采用高壓氣源所釋放的氮氣或氦氣來驅(qū)動試驗物體加速、發(fā)射，實現(xiàn) 試驗物體以40m/s至400m/s的速度出入水誘導產(chǎn)生二維自然超空泡流。該超空泡流具有 較明顯的汽/液兩相流相互擾動作用和較清晰的汽/液兩相流內(nèi)外邊界，在邊界的內(nèi)側(cè)是 單相的水汽流動。這樣，再配合使用各種光學儀器和流場可視化儀器，就可以研究和了解空 泡內(nèi)氣體的平衡狀態(tài)及物體形狀和物體長徑比對超空泡形態(tài)發(fā)展的影響、物體在水中的阻 力系數(shù)、自由面與超空泡的相互作用、汽/液界面的不穩(wěn)定性、湍流邊界層的發(fā)展等復雜的 流體力學過程。
采用本實用新型可以方便、直觀地研究高速物體出入水運動過程所伴隨的超空泡 流的流體力學特性。另外，本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，易于推廣。


圖1是本實用新型裝置開展高速物體出水試驗時的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中A的放大圖。
圖3是圖1中B的放大圖。
圖4是本實用新型裝置開展高速物體入水試驗時的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是圖4中C的放大圖。
圖6是圖4中D的放大圖。
圖中1、高壓氣源，2、箱體支撐架，3、高速攝影儀，4、工控計算機，5、試驗物體，6、 鎖孔，7、第二隔膜，8、安全截獲器，9、黏土，10、法蘭蓋，11、蝴蝶鉸鏈，12、水箱，13、觀察窗 口，14、平板，15、緊固板，16、法蘭，17、第一隔膜，18、球閥，19、發(fā)射管，20、內(nèi)六角螺釘，21、 加強板，22、水箱蓋，23、氣體導管，24、發(fā)射管支撐架。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實例對本實用新型做進一步說明。
當開展高速物體出水試驗時，如圖1所示，本實用新型包括高壓氣源1、箱體支撐 架2、高速攝影儀3、工控計算機4、兩個隔膜7，17、安全截獲器8、水箱12、水箱蓋22、平板14、球閥18、發(fā)射管19、加強板21、氣體導管23、緊固板15和發(fā)射管支撐架24 ；箱體支撐架 2的上端面和平板14的中心開有等直徑的通孔，平板14下端面同軸焊有法蘭16，法蘭16 向下依次安裝第一隔膜17和球閥18，發(fā)射管19與發(fā)射管支撐架24相連接，發(fā)射管19安放 在球閥18下面，發(fā)射管19的發(fā)射口中心始終對準球閥18的閥口中心，發(fā)射管19與高壓氣 源1通過氣體導管23相連接；平板14的上端面與水箱12的下端面固接，水箱蓋22與水箱 12的上端口通過鉸鏈11連接，水箱蓋22中心開有通孔，水箱蓋22的上端面與安全截獲器 8連接，水箱蓋22的下端面依次安裝第二隔膜7和法蘭蓋10，水箱12的4個側(cè)面上通過螺 栓各連接有由透明有機玻璃制成的觀察窗口 13 ；緊固板15和加強板21都通過內(nèi)六角螺釘 20與箱體支撐架2連接；高速攝影儀3的攝像頭對準觀察窗口 13的液體自由面處，高速攝 影儀3與工控計算機4相連。
如圖2、圖3所示，兩個隔膜7，17的徑向幾何形狀為圓形，其截面積大小分別等于 法蘭蓋10和法蘭16的連接面截面積大小。
如圖3所示，安全截獲器8內(nèi)置放黏土 9。
當開展高速物體入水試驗時，如圖4所示，包括高壓氣源1、箱體支撐架2、高速攝 影儀3、工控計算機4、兩個隔膜7，17、安全截獲器8、水箱12、水箱蓋22、平板14、球閥18、 發(fā)射管19和發(fā)射管支撐架24 ；箱體支撐架2的上端面和平板14的中心開有等直徑的通孔， 平板14下端面同軸焊有法蘭16，法蘭16向下依次安裝第一隔膜17和安全截獲器8，平板 14的上端面與水箱12的下端面固接，水箱蓋22與水箱12的上端口通過鉸鏈11連接，水箱 蓋22中心開有通孔，水箱蓋22的上端面與球閥18連接，水箱蓋22的下端面依次安裝第二 隔膜7和法蘭蓋10，發(fā)射管19與發(fā)射管支撐架24相連接，發(fā)射管19放置在球閥18的正上 方，發(fā)射管19的發(fā)射口中心始終對準球閥18的閥口中心，發(fā)射管19與高壓氣源1連接；水 箱12的4個側(cè)面上通過螺栓各連接有由透明有機玻璃制成的觀察窗口 13 ；緊固板15和加 強板21都通過內(nèi)六角螺釘20與箱體支撐架2連接；高速攝影儀3的攝像頭對準觀察窗口 13的液體自由面處，高速攝影儀3與工控計算機4相連。
如圖5、圖6所示，兩個隔膜7，17的徑向幾何形狀為圓形，其截面積大小分別等于 法蘭蓋10和法蘭16的連接面截面積大小。
如圖6所示，安全截獲器8內(nèi)置放黏土 9。
本實用新型的工作過程如下所述
如圖1、圖4所示實施例中，安裝好發(fā)生器，把試驗物體5放置到發(fā)射管19中，將球 閥18的閥口打開，高壓氣源1內(nèi)儲存氮氣或氦氣，打開高壓氣源1的閥口使其釋放氣體，同 時開啟高速攝影儀3。高壓氣源1可由壓氣機或高壓氣瓶經(jīng)穩(wěn)壓閥提供，氣源的壓力值為 3MPa至25MPa。通過高壓氣源1所釋放出的氣體來驅(qū)動試驗物體5從發(fā)射管19中高速發(fā) 射，試驗物體5—旦穿透第一次所碰觸的隔膜后，立即關(guān)閉球閥18的閥口，試驗物體5高速 射入放有透明液體的水箱12中，誘導周圍液體形成超空泡，試驗物體5離開液體自由面后， 繼續(xù)前進，穿透第二次所碰觸的隔膜，最終被安全截獲器8所截獲捕捉，嵌入在黏土9中。高 速攝影儀3將所拍攝到的試驗物體5在高速出入水運動過程中誘導產(chǎn)生超空泡的流體動力 學作用過程以數(shù)字圖像的形式傳輸并儲存到工控計算機4中，再配合使用一些光學儀器和 流場可視化儀器，就可以研究和了解空泡內(nèi)氣體的平衡狀態(tài)及物體形狀和物體長徑比對超 空泡形態(tài)發(fā)展的影響、物體在水中的阻力系數(shù)、自由面與超空泡的相互作用、汽/液界面的不穩(wěn)定性、湍流邊界層的發(fā)展等復雜的水動力學過程。
經(jīng)上述方法，用上述發(fā)生器可使試驗物體5加速到40m/s至400m/s。試驗物體5 在液體中一邊高速前進，一邊與液體發(fā)生強烈的相互作用，誘導周圍液體產(chǎn)生超空泡，進而 使得試驗物體5在液體中運行的過程中被超空泡所完全 包絡(luò)住，在試驗物體5周圍形成明 顯的超空泡汽/液兩相流現(xiàn)象。另外，試驗物體5的幾何外形長徑比越大，出入液體時的速 度越大，越有利于試驗物體5在水中誘導產(chǎn)生超空泡，超空泡產(chǎn)生的過程也越明顯和直觀。 從試驗物體5出入水過程中，高速攝影儀所拍攝的數(shù)字圖像來分析，若數(shù)字圖像顯示某一 時刻試驗物體5周圍被一個尺寸略大于自身尺寸的細長橢球體狀液柱包絡(luò)住時，說明此時 試驗物體5在液體運行過程中伴隨有超空泡產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.一種伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器，其特征在于包括高壓氣源(1)、箱 體支撐架O)、高速攝影儀(3)、工控計算機0)、兩個隔膜(7，17)、安全截獲器(8)、水箱 (12)、水箱蓋(22)、平板(14)、球閥(18)、發(fā)射管(19)和發(fā)射管支撐架(24)；箱體支撐架 (2)的上端面和平板(14)的中心開有等直徑的通孔，平板(14)下端面同軸焊有法蘭(16)， 法蘭(16)向下依次安裝第一隔膜(17)和球閥(18)，發(fā)射管(19)安放在球閥(18)下面，發(fā) 射管(19)與發(fā)射管支撐架04)相連接，發(fā)射管(19)的發(fā)射口中心始終對準球閥(18)的 閥口中心，發(fā)射管(19)與高壓氣源(1)連接；平板(14)的上端面與水箱(1 的下端面固 接，水箱蓋0 與水箱(1 的上端口通過鉸鏈(11)連接，水箱蓋0 中心開有通孔，水 箱蓋0 的上端面與安全截獲器(8)連接，水箱蓋0 的下端面依次安裝第二隔膜(7) 和法蘭蓋(10)，水箱(1 箱體四周設(shè)有觀察窗口(1 ；高速攝影儀C3)的攝像頭對準觀察 窗口(1 的液體自由面處，高速攝影儀(3)與工控計算機(4)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器，其特征在于 所述的安全截獲器(8)為一個填充滿黏土(9)的圓柱鋼體。
3.一種伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器，其特征在于包括高壓氣源(1)、箱 體支撐架0)、高速攝影儀(3)、工控計算機0)、兩個隔膜(7，17)、安全截獲器(8)、水箱 (12)、水箱蓋(22)、平板(14)、球閥(18)、發(fā)射管(19)和發(fā)射管支撐架(24)；箱體支撐架 (2)的上端面和平板(14)的中心開有等直徑的通孔，平板(14)下端面同軸焊有法蘭(16)， 法蘭(16)向下依次安裝第一隔膜(17)和安全截獲器(8)，平板(14)的上端面與水箱(12) 的下端面固接，水箱蓋0 與水箱(1 的上端口通過鉸鏈(11)連接，水箱蓋0 中心 開有通孔，水箱蓋0 的上端面與球閥(18)連接，水箱蓋0 的下端面依次安裝第二隔 膜(7)和法蘭蓋(10)，發(fā)射管(19)與發(fā)射管支撐架04)相連接，發(fā)射管(19)放置在球閥 (18)的正上方，發(fā)射管(19)的發(fā)射口中心始終對準球閥(18)的閥口中心，發(fā)射管(19)與 高壓氣源⑴連接；水箱(12)箱體四周設(shè)有觀察窗口(13)；高速攝影儀(3)的攝像頭對準 觀察窗口(1 的液體自由面處，高速攝影儀(3)與工控計算機(4)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的一種伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器，其特征在于 所述的安全截獲器(8)為一個填充滿黏土(9)的圓柱鋼體。
專利摘要
本實用新型公開了一種伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體發(fā)生器。包括高壓氣源、箱體支撐架、高速攝影儀、工控計算機、隔膜、安全截獲器、水箱、水箱蓋、平板、球閥、發(fā)射管、加強板、氣體導管、緊固板和發(fā)射管支撐架。試驗物體通過高壓氣源所釋放的氮氣或氦氣被驅(qū)動、加速，并通過發(fā)射管發(fā)射進入放有液體的水箱，當試驗物體自上而下和自下而上地通過液體自由面時，產(chǎn)生了伴隨超空泡產(chǎn)生的入水和出水的流場。所產(chǎn)生的超空泡流具有較清晰的汽/液兩相流內(nèi)外邊界，再配合使用各種光學儀器和流場可視化儀器，就可以研究和了解空泡內(nèi)氣體的平衡狀態(tài)、自由面與超空泡的相互作用、汽/液界面的不穩(wěn)定性、湍流邊界層的發(fā)展等復雜的流體動力學行為過程。
文檔編號F42B10/00GKCN201867134SQ201020598324
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月9日
發(fā)明者吳巖, 周浩磊, 周素云, 張曉萍, 施紅輝, 王超, 章利特, 董若凌, 賈會霞 申請人:浙江理工大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan