專利名稱：水中電火花氣泡生成的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種實(shí)驗(yàn)裝置，具體地說(shuō)是一種單氣泡生成裝置，特別是一種利 用電火花打火裝置和高速攝影技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下劇烈氣泡的產(chǎn)生和拍攝的裝置與方法。
背景技術(shù)：
在自然界中，存在著許多流體中氣泡的例子。這些自然現(xiàn)象可能以有益的方式被 利用，也可能導(dǎo)致嚴(yán)重災(zāi)難。例如，由于水下爆炸產(chǎn)生氣泡的巨大威力能夠?qū)Υ霸斐蓢?yán)重 毀傷。但實(shí)船爆炸現(xiàn)象相當(dāng)復(fù)雜，物理實(shí)驗(yàn)不易實(shí)施，而且水下爆炸的特殊性和水質(zhì)等條件 給高速攝像機(jī)拍攝清晰的氣泡圖像帶來(lái)了很大的困難，昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用更是使水下爆炸實(shí) 驗(yàn)氣泡圖像的取得顯得非常珍貴。因此國(guó)內(nèi)外很多實(shí)驗(yàn)室都采用在水槽內(nèi)生成氣泡的方法 來(lái)取代真實(shí)的水下爆炸實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上來(lái)研究水下爆炸氣泡在不同情況下的運(yùn)動(dòng)特性。與本發(fā)明申請(qǐng)有關(guān)的公開(kāi)文件有1、水中高壓放電氣泡的實(shí)驗(yàn)研究(《物理學(xué)報(bào)》 2003年7月第7期第52卷)；2、超聲空化的研究方法及進(jìn)展(《應(yīng)用聲學(xué)》2009年9月第 5期8卷)；3、一種水中爆炸氣泡脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究方法(《高壓物理學(xué)報(bào)》2009年10月第5期 第23卷)；4、激光擊穿空泡的高速攝影研究(《光子學(xué)報(bào)》2009年6月第6期第38卷)； 5、激光泡最大泡半徑的測(cè)試與分析(《水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》2005年9月第5期第20卷A 輯)；6、水下爆炸氣泡脈動(dòng)的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬(《北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)》2008年12月第12期 第觀卷)等。文獻(xiàn)1采用水中高壓放電生成氣泡，其充電電壓范圍為2. 5-10KV。文獻(xiàn)2采 用超聲空化的方法產(chǎn)生氣泡。文獻(xiàn)3采用直接小當(dāng)量PETN炸藥進(jìn)行水中爆炸氣泡脈動(dòng)實(shí) 驗(yàn)。文獻(xiàn)4和文獻(xiàn)5均利用激光產(chǎn)生空泡，文獻(xiàn)6采用柱狀TNT炸藥產(chǎn)生空泡。以上的實(shí) 驗(yàn)研究均存在實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)效果不理想，實(shí)驗(yàn)安全性較低的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種安裝操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)效果清晰便于觀察，實(shí)驗(yàn)成本較 低，安全可靠的水中電火花氣泡生成的實(shí)驗(yàn)裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種水中電火 花氣泡生成的實(shí)驗(yàn)方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的水中電火花氣泡生成的實(shí)驗(yàn)裝置為兩根銅絲分別固定于兩金屬電極 上，兩金屬電極與電容C并聯(lián)接在電阻R和電源U的兩端，還包括單刀雙擲開(kāi)關(guān)K，單刀雙擲 開(kāi)關(guān)K分別接電源、銅絲與電容的一端；兩金屬電極置于透明的水槽中，水槽兩側(cè)設(shè)置高速 攝像機(jī)和光源，高速攝像機(jī)和光源處于同一水平面，水槽內(nèi)裝有去氣的水。水槽安置有標(biāo)尺。本發(fā)明的水中電火花氣泡生成的實(shí)驗(yàn)方法如下(1)選取直徑較細(xì)的銅絲，并對(duì)銅絲進(jìn)行處理，安裝高速攝像機(jī)，調(diào)整水槽光源及 高速攝像機(jī)的位置，使其處于同一水平面，將水槽內(nèi)裝入去氣的水并安置適當(dāng)?shù)臉?biāo)尺，連接 電路；
(2)將高速攝像機(jī)連接電腦后閉合電路，待電源為電容充電完成后，反向閉合單刀 雙擲開(kāi)關(guān)，電容開(kāi)始放電，氣泡通過(guò)電極放電打火生成，氣泡在水槽中往復(fù)膨脹坍塌形成脈 動(dòng)現(xiàn)象，并被高速攝像機(jī)拍攝并記錄下全過(guò)程；(3)采集和記錄實(shí)驗(yàn)中所涉及到的數(shù)據(jù)，包括電容參數(shù)、材料屬性、電路特性以及 攝像機(jī)的相關(guān)參數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)前后電容兩端電壓表的示數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)水槽中內(nèi)置的標(biāo)尺讀 取氣泡半徑、氣泡位置等信息，從而確定其半徑和速度等相關(guān)運(yùn)動(dòng)特性，將氣泡脈動(dòng)過(guò)程中 隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)匯總，并繪制成曲線。選取合適材料預(yù)處理并進(jìn)行合理布置的方法是選取較細(xì)的銅絲，直徑約為 0.013mm，通過(guò)除銹措施除去其污垢，將兩銅絲對(duì)稱搭接，使其處于水槽的中心位置，并遠(yuǎn)離 水面以減少自由面和水槽壁面對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)特性的影響。正確裝入標(biāo)尺的方法是使標(biāo)尺垂直于水平面置于水中，要求刻度清楚且透明，長(zhǎng) 度適中，置于銅絲交接處的左側(cè)或右側(cè)，能夠被攝像機(jī)清晰地捕捉到。設(shè)備的正確擺放調(diào)節(jié)方法是調(diào)節(jié)光源亮度，要求既能夠滿足攝像機(jī)的曝光需要， 又能有效避免在電火花生成初期曝光過(guò)度的情況發(fā)生，光源要求擺放在銅絲搭接處的正后 方，攝像機(jī)則要求擺放在其正前方，保證攝像機(jī)鏡頭中心與氣泡生成位置水平，使光源、銅 絲搭接點(diǎn)和攝像機(jī)鏡頭中心位于一條直線上。調(diào)節(jié)方法可以通過(guò)電腦上的網(wǎng)格線進(jìn)行調(diào) 節(jié)，調(diào)節(jié)好光圈，保證充足的光線攝入，準(zhǔn)確對(duì)焦，保證氣泡觀察的清晰度。正確連接電路的方法是將兩銅絲分別固定于兩金屬電極上，接入電路后與電容 C并聯(lián)接在電阻R和電源U的兩端，其中開(kāi)關(guān)K為單刀雙擲開(kāi)關(guān)，分別接電源，銅絲與電容的 一端，用來(lái)控制電路的充放電，電容C通過(guò)電源U和電阻R組成的回路充電，其兩端有測(cè)量 其電壓的電壓表，待充電完成后，開(kāi)關(guān)反向閉合，從而實(shí)現(xiàn)放電過(guò)程。本發(fā)明提供的是一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備安裝操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)效果清晰便于觀察，實(shí)驗(yàn)成本 較低，安全可靠的氣泡生成裝置。本發(fā)明還提供了一套可以觀測(cè)及記錄氣泡發(fā)生膨脹坍塌 潰滅全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)方法。本發(fā)明以電火花打火方式作為氣泡的生成裝置，利用電極放電釋放出的巨大能量 融化銅絲從而使周圍流體被氣化，形成氣泡。此外，根據(jù)氣泡在水中爆炸時(shí)間較短、爆炸反 映劇烈的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套能夠準(zhǔn)確捕捉氣泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)的高速攝像系統(tǒng)。通過(guò)該裝置，可以 較為簡(jiǎn)單的模擬真實(shí)水下爆炸，成為代替真實(shí)爆炸的一種有力實(shí)驗(yàn)手段，為氣泡理論的研 究提供一種有效的實(shí)驗(yàn)途徑。文獻(xiàn)1采用水中高壓放電生成氣泡，其充電電壓范圍為2. 5-10KV，與本發(fā)明的低 電壓(約200伏)生成氣泡實(shí)驗(yàn)方法不同，且生成氣泡的半徑大小有著較大區(qū)別。文獻(xiàn)2 采用超聲空化的方法產(chǎn)生氣泡，無(wú)論是從機(jī)理還是實(shí)驗(yàn)方法步驟上都與本發(fā)明的試驗(yàn)方法 有著較大的不同。文獻(xiàn)3采用直接小當(dāng)量PETN炸藥進(jìn)行水中爆炸氣泡脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)，與本發(fā)明 的試驗(yàn)方法不同。文獻(xiàn)4和文獻(xiàn)5均利用激光產(chǎn)生空泡，實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法與本發(fā)明有著本 質(zhì)的不同，文獻(xiàn)6采用柱狀TNT炸藥產(chǎn)生空泡，與本發(fā)明的試驗(yàn)方法差別較大。因此本發(fā)明 的優(yōu)勢(shì)非常明顯，成為研究水下爆炸氣泡和空化氣泡的理想裝置。


圖1是本發(fā)明的連接示意圖2高速攝像機(jī)記錄的單個(gè)電火花氣泡的運(yùn)動(dòng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述本發(fā)明的水中電火花氣泡生成的實(shí)驗(yàn)裝置及方法包括高速攝像機(jī)、電火花生成裝 置、連續(xù)光源和水槽；結(jié)合圖1，電火花生成裝置由U, C，R，N，K及連接它們的導(dǎo)線組成，其 中U為電壓為200V的直流電源，C為3個(gè)額定電壓為250V，電容量為2200mF的電容并聯(lián)，R 為電阻值為IOK歐姆的電阻，N為電極，為兩根直徑為0. 013mm的銅絲，K為單刀雙擲開(kāi)關(guān)， 當(dāng)K擲向1時(shí)電源給電容C充電，當(dāng)K擲向2時(shí)，電容放電，同時(shí)電極N在水中打火生成氣 泡。1、準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料并對(duì)設(shè)備進(jìn)行安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)材料選取直徑約為0. 013mm的銅絲，實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括高速攝像機(jī)、電火花生成 裝置、連續(xù)光源和水槽。其中高速攝像機(jī)為Wiantom V12. 1，最高拍攝速率為650000幀/s， 在圖1中標(biāo)為A。將水槽B內(nèi)裝入去氣的水并安置適當(dāng)?shù)臉?biāo)尺，使標(biāo)尺垂直于水平面置于 水中，要求刻度清楚，長(zhǎng)度適中，置于銅絲N交接處的左側(cè)或右側(cè)，能夠被攝像機(jī)清晰地捕 捉到，調(diào)節(jié)光源亮度，要求既能夠滿足攝像機(jī)的曝光需要，又能有效避免在電火花生成初期 曝光過(guò)度的情況發(fā)生，光源L要求擺放在銅絲搭接處的正后方，攝像機(jī)則要求擺放在其正 前方，保證攝像機(jī)鏡頭中心與氣泡生成位置水平。按照?qǐng)D1連接電路，將兩銅絲分別固定于 兩金屬電極上，接入電路后與電容C并聯(lián)接在電阻R和電源U的兩端，其中開(kāi)關(guān)K為單刀雙 擲開(kāi)關(guān)，分別接電源，銅絲與電容的一端，用來(lái)控制電路的充放電，電容C通過(guò)電源U和電阻 R回路充電，其兩端有測(cè)量其電壓的電壓表，待充電完成后，開(kāi)關(guān)反向閉合，從而實(shí)現(xiàn)放電過(guò) 程。2、電容放電生成氣泡及相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄開(kāi)啟高速攝像機(jī)并使其與電腦連接，閉合電路，開(kāi)關(guān)K置于1處，為電容C充電，觀 察電容兩端電壓表示數(shù)，待穩(wěn)定后，記錄下此時(shí)電容C兩端的電壓，將單刀雙擲開(kāi)關(guān)K反向 閉合，置于2處，此時(shí)電容C接在銅絲兩端，電極在極短的時(shí)間內(nèi)放電，電極打火放出的巨大 能量使金屬絲在瞬間融化，發(fā)出強(qiáng)光，放電點(diǎn)附近的流體被氣化從而形成氣泡，氣泡在水槽 中往復(fù)膨脹坍塌形成脈動(dòng)現(xiàn)象，并被高速攝像機(jī)拍攝并記錄下全過(guò)程，如圖1所示。3、數(shù)據(jù)處理記錄電容參數(shù)、材料屬性、電路特性以及攝像機(jī)的相關(guān)參數(shù)，將氣泡脈動(dòng)過(guò)程中隨 時(shí)間變化的數(shù)據(jù)匯總，存儲(chǔ)到電腦硬盤(pán)中，實(shí)驗(yàn)得到的原始圖像如圖2，其中圖2中的拍攝 頻率為26010幀/s，放電電壓為201V，相鄰兩圖像之間的時(shí)間間隔為0. 185ms,圖中的亮斑 是由于電極放電初期產(chǎn)生了很強(qiáng)烈的白光導(dǎo)致相機(jī)在氣泡形成初期在氣泡生成位置曝光 過(guò)度引起的。記錄實(shí)驗(yàn)前后電容兩端電壓表的示數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)水槽中內(nèi)置的標(biāo)尺讀取氣泡 半徑、氣泡位置等信息，從而確定其半徑和速度等相關(guān)運(yùn)動(dòng)特性。繪制氣泡隨時(shí)間變化的曲 線，從而得出氣泡運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及相關(guān)的影響因素。
權(quán)利要求
1.一種水中電火花氣泡生成的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是兩根銅絲分別固定于兩金屬電極 上，兩金屬電極與電容(C)并聯(lián)接在電阻(R)和電源⑶的兩端，還包括單刀雙擲開(kāi)關(guān)(K)， 單刀雙擲開(kāi)關(guān)(K)分別接電源、銅絲與電容的一端；兩金屬電極置于透明的水槽中，水槽兩 側(cè)設(shè)置高速攝像機(jī)和光源，高速攝像機(jī)和光源處于同一水平面，水槽內(nèi)裝有去氣的水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水中電火花氣泡生成的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征是水槽安置有標(biāo)尺。
3.一種水中電火花氣泡生成的實(shí)驗(yàn)方法，其特征是(1)選取直徑較細(xì)的銅絲，并對(duì)銅絲進(jìn)行處理，安裝高速攝像機(jī)，調(diào)整水槽光源及高速 攝像機(jī)的位置，使其處于同一水平面，將水槽內(nèi)裝入去氣的水并安置適當(dāng)?shù)臉?biāo)尺，連接電 路；(2)將高速攝像機(jī)連接電腦后閉合電路，待電源為電容充電完成后，反向閉合單刀雙擲 開(kāi)關(guān)，電容開(kāi)始放電，氣泡通過(guò)電極放電打火生成，氣泡在水槽中往復(fù)膨脹坍塌形成脈動(dòng)現(xiàn) 象，并被高速攝像機(jī)拍攝并記錄下全過(guò)程；(3)采集和記錄實(shí)驗(yàn)中所涉及到的數(shù)據(jù)，包括電容參數(shù)、材料屬性、電路特性以及攝像 機(jī)的相關(guān)參數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)前后電容兩端電壓表的示數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)水槽中內(nèi)置的標(biāo)尺讀取氣 泡半徑、氣泡位置等信息，從而確定其半徑和速度等相關(guān)運(yùn)動(dòng)特性，將氣泡脈動(dòng)過(guò)程中隨時(shí) 間變化的數(shù)據(jù)匯總，并繪制成曲線。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種水中電火花氣泡生成的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法。兩根銅絲分別固定于兩金屬電極上，兩金屬電極與電容(C)并聯(lián)接在電阻(R)和電源(U)的兩端，還包括單刀雙擲開(kāi)關(guān)(K)，單刀雙擲開(kāi)關(guān)(K)分別接電源、銅絲與電容的一端；兩金屬電極置于透明的水槽中，水槽兩側(cè)設(shè)置高速攝像機(jī)和光源，高速攝像機(jī)和光源處于同一水平面，水槽內(nèi)裝有去氣的水。本發(fā)明以電火花打火方式作為氣泡的生成裝置，利用電極放電釋放出的巨大能量融化銅絲從而使周圍流體被氣化，形成氣泡。本發(fā)明可以較為簡(jiǎn)單的模擬真實(shí)水下爆炸，成為代替真實(shí)爆炸的一種有力實(shí)驗(yàn)手段，為氣泡理論的研究提供一種有效的實(shí)驗(yàn)途徑。
文檔編號(hào)H01T14/00GK102141523SQ20101060242
公開(kāi)日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者倪寶玉, 劉云龍, 姚熊亮, 張阿漫, 王詩(shī)平, 王超, 白兆宏, 郭君 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)