專利名稱：伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體力學(xué)中流體壓力的試驗(yàn)裝置，尤其是涉及一種伴隨超空泡產(chǎn)生的 水下高速物體試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
“空化”是一種普遍的水動(dòng)力學(xué)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(qiáng)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(lái)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(jiàn)的“空化現(xiàn)象”，產(chǎn)生的氣泡則稱為“空化泡”。當(dāng)更大程度地降低水面壓強(qiáng)或提高液 流速度時(shí)，空泡范圍長(zhǎng)度將會(huì)發(fā)育成超過(guò)繞流物體尺寸大小，導(dǎo)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(yùn)行的物體將會(huì)完全被空泡所 包絡(luò)，此時(shí)物體在水中的運(yùn)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(qiáng)生成超空泡。我國(guó)在高速物體出入水誘導(dǎo)產(chǎn)生 自然超空泡的基礎(chǔ)試驗(yàn)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(jìn)行，但 由于多數(shù)水洞只能開展物體入水試驗(yàn)，且試驗(yàn)受弗魯?shù)聰?shù)Fr的影響較大，空泡變形較嚴(yán) 重，難以準(zhǔn)確分析空泡的形態(tài)特性。從當(dāng)前公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料來(lái)看，我國(guó)對(duì)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(dǎo)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(méi)有出現(xiàn)能較好地實(shí)現(xiàn)伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體試 驗(yàn)裝置。美國(guó)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(tái)火 箭發(fā)動(dòng)機(jī)，由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)雜，不適合 在實(shí)驗(yàn)室普及使用；而且它一般只能維持水平運(yùn)動(dòng)，而無(wú)法完成兼顧出水和入水試驗(yàn)的任 務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述背景技術(shù)中所存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種伴隨超空泡產(chǎn)生 的水下高速物體試驗(yàn)裝置，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(lái)誘導(dǎo)產(chǎn)生自然超空泡的試驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一、一種伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體試驗(yàn)裝置本發(fā)明包括高壓氣源、箱體支撐架、高速攝影儀、工控計(jì)算機(jī)、兩個(gè)隔膜、安全截獲 器、水箱、水箱蓋、平板、球閥、發(fā)射管、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(duì)準(zhǔn)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(guò)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(duì)準(zhǔn)觀察 窗口的液體自由面處，高速攝影儀與工控計(jì)算機(jī)相連。二、一種伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體試驗(yàn)裝置本發(fā)明包括高壓氣源、箱體支撐架、高速攝影儀、工控計(jì)算機(jī)、兩個(gè)隔膜、安全截獲 器、水箱、水箱蓋、平板、球閥、發(fā)射管、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(guò)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(duì)準(zhǔn)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(duì) 準(zhǔn)觀察窗口的液體自由面處，高速攝影儀與工控計(jì)算機(jī)相連。以上兩種技術(shù)方案中所述的安全截獲器為一個(gè)填充滿黏土的圓柱鋼體。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明采用高壓氣源所釋放的氮?dú)饣蚝鈦?lái)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)物體加速、發(fā)射，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn) 物體以40m/s至400m/s的速度出入水誘導(dǎo)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(dòng)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(dòng)。這樣，再配合使用各種光學(xué)儀器和流場(chǎng)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(zhǎng)徑比對(duì)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(fù)雜的流體 力學(xué)過(guò)程。采用本發(fā)明可以方便、直觀地研究高速物體出入水運(yùn)動(dòng)過(guò)程所伴隨的超空泡流的 流體力學(xué)特性。另外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，易于推廣。


圖1是本發(fā)明裝置開展高速物體出水試驗(yàn)時(shí)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是本發(fā)明裝置開展高速物體入水試驗(yàn)時(shí)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(jì)算機(jī)，5、試驗(yàn)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(qiáng)板，22、水箱蓋，23、氣體導(dǎo)管，M、發(fā)射管支撐架。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。當(dāng)開展高速物體出水試驗(yàn)時(shí)，如圖1所示，本發(fā)明包括高壓氣源1、箱體支撐架2、
4高速攝影儀3、工控計(jì)算機(jī)4、兩個(gè)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(qiáng)板21、氣體導(dǎo)管23、緊固板15、發(fā)射管支撐架M ；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M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(duì)準(zhǔn)球閥18的閥口中心，發(fā)射管19與高壓氣源1通 過(guò)氣體導(dǎo)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(guò)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(gè)側(cè)面上通過(guò)螺栓 各連接有由透明有機(jī)玻璃制成的觀察窗口 13 ；緊固板15和加強(qiáng)板21都通過(guò)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(duì)準(zhǔn)觀察窗口 13的液體自由面處，高速攝影 儀3與工控計(jì)算機(jī)4相連。如圖2、圖3所示，兩個(gè)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(dāng)開展高速物體入水試驗(yàn)時(shí)，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(jì)算機(jī)4、兩個(gè)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、發(fā)射管支撐架M ；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(guò)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M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(duì)準(zhǔn)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(gè)側(cè)面上通過(guò)螺栓各連接有由透明有機(jī)玻璃制成的觀察窗口 13 ；緊固板15和加 強(qiáng)板21都通過(guò)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(duì)準(zhǔn)觀察窗口 13的液體自由面處，高速攝影儀3與工控計(jì)算機(jī)4相連。如圖5、圖6所示，兩個(gè)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。本發(fā)明的工作過(guò)程如下所述如圖1、圖4所示實(shí)施例中，安裝好試驗(yàn)裝置，把試驗(yàn)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(chǔ)存氮?dú)饣蚝?，打開高壓氣源1的閥口使其釋放氣 體，同時(shí)開啟高速攝影儀3。高壓氣源1可由壓氣機(jī)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(guò)高壓氣源1所釋放出的氣體來(lái)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)物體5從發(fā)射管19中高 速發(fā)射，試驗(yàn)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(yàn)物體5 高速射入放有透明液體的水箱12中，誘導(dǎo)周圍液體形成超空泡，試驗(yàn)物體5離開液體自由 面后，繼續(xù)前進(jìn)，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(yàn)物體5在高速出入水運(yùn)動(dòng)過(guò)程中誘導(dǎo)產(chǎn)生超空泡的流 體動(dòng)力學(xué)作用過(guò)程以數(shù)字圖像的形式傳輸并儲(chǔ)存到工控計(jì)算機(jī)4中，再配合使用一些光學(xué) 儀器和流場(chǎng)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(zhǎng)徑比對(duì)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(fù)雜的水動(dòng)力學(xué)過(guò)程。 經(jīng)上述方法，用上述試驗(yàn)裝置可使試驗(yàn)物體5加速到40m/s至400m/s。試驗(yàn)物體 5在液體中一邊高速前進(jìn)，一邊與液體發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，誘導(dǎo)周圍液體產(chǎn)生超空泡，進(jìn) 而使得試驗(yàn)物體5在液體中運(yùn)行的過(guò)程中被超空泡所完全包絡(luò)住，在試驗(yàn)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(yàn)物體5的幾何外形長(zhǎng)徑比越大，出入液體時(shí)的 速度越大，越有利于試驗(yàn)物體5在水中誘導(dǎo)產(chǎn)生超空泡，超空泡產(chǎn)生的過(guò)程也越明顯和直 觀。從試驗(yàn)物體5出入水過(guò)程中，高速攝影儀所拍攝的數(shù)字圖像來(lái)分析，若數(shù)字圖像顯示某 一時(shí)刻試驗(yàn)物體5周圍被一個(gè)尺寸略大于自身尺寸的細(xì)長(zhǎng)橢球體狀液柱包絡(luò)住時(shí)，說(shuō)明此 時(shí)試驗(yàn)物體5在液體運(yùn)行過(guò)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)生的水下高速物體試驗(yàn)裝置，其特征在于包括高壓氣源(1)、箱 體支撐架(2)、高速攝影儀(3)、工控計(jì)算機(jī)(4)、兩個(gè)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)、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(24)相連接，發(fā)射管(19)的發(fā)射口中心始終對(duì)準(zhǔn)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(12)的下端面固 接，水箱蓋(22)與水箱(12)的上端口通過(guò)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)箱體四周設(shè)有觀察窗口(13)；高速攝影儀(3)的攝像頭對(duì)準(zhǔn)觀察 窗口(13)的液體自由面處，高速攝影儀(3)與工控計(jì)算機(jī)(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)生的水下高速物體試驗(yàn)裝置，其特征在 于所述的安全截獲器(8)為一個(gè)填充滿黏土(9)的圓柱鋼體。
3.一種伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體試驗(yàn)裝置，其特征在于包括高壓氣源(1)、箱 體支撐架(2)、高速攝影儀(3)、工控計(jì)算機(jī)(4)、兩個(gè)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)、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(guò)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(duì)準(zhǔn)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(duì)準(zhǔn)觀察窗 口(13)的液體自由面處，高速攝影儀(3)與工控計(jì)算機(jī)(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)生的水下高速物體試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的安全截獲器(8)為一個(gè)填充滿黏土(9)的圓柱鋼體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種伴隨超空泡產(chǎn)生的水下高速物體試驗(yàn)裝置。包括高壓氣源、箱體支撐架、高速攝影儀、工控計(jì)算機(jī)、隔膜、安全截獲器、水箱、水箱蓋、平板、球閥、發(fā)射管、加強(qiáng)板、氣體導(dǎo)管、緊固板、發(fā)射管支撐架。試驗(yàn)物體通過(guò)高壓氣源所釋放的氮?dú)饣蚝獗或?qū)動(dòng)、加速，并通過(guò)發(fā)射管發(fā)射進(jìn)入放有液體的水箱，當(dāng)試驗(yàn)物體自上而下和自下而上地通過(guò)液體自由面時(shí)，產(chǎn)生了伴隨超空泡產(chǎn)生的入水和出水的流場(chǎng)。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(xué)儀器和流場(chǎng)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(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)行為過(guò)程。
文檔編號(hào)G01M10/00GK102095569SQ20101053676
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日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(huì)霞 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)