專利名稱：一種平面超空泡發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及流體力學(xué)中流體壓力的實(shí)驗(yàn)裝置，尤其是涉及近水自由面的伴隨超空泡產(chǎn)生的一種平面超空泡發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)運(yùn)動(dòng)體入水速度足夠大時(shí)，運(yùn)動(dòng)體頭部附近的水壓力會(huì)低于當(dāng)?shù)仫柡驼羝麎毫χ?，從而發(fā)生局部空化現(xiàn)象。當(dāng)速度達(dá)到某一臨界值時(shí)，運(yùn)動(dòng)體周圍就會(huì)形成一個(gè)完全包圍運(yùn)動(dòng)體的空泡，稱為超空泡。由于超空泡中的混合氣體密度明顯低于水密度，因此，運(yùn)動(dòng)體在超空泡中的運(yùn)動(dòng)阻力將大大減小，超空泡的減阻特性由此顯現(xiàn)。超空泡技術(shù)將大大提高水下航行器的航行速度，這對(duì)于學(xué)科研究和國(guó)家超空泡及其在水下武器系統(tǒng)的應(yīng)用都有重大意義。目前，國(guó)外對(duì)于此方面的研究技術(shù)比國(guó)內(nèi)先進(jìn)很多，在我國(guó)起步較晚，我國(guó)的流體力學(xué)和空化超空泡研究還在初步階段，大部分研究均停留在基本的理論與小型試驗(yàn)階段。在研究方法與內(nèi)容方面，國(guó)內(nèi)多采用水洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真模擬來(lái)空泡形態(tài)、空化器對(duì)空泡形成的影響以及水下高速?gòu)椀赖臏y(cè)量計(jì)算。水洞實(shí)驗(yàn)對(duì)于準(zhǔn)確分析空泡形態(tài)有點(diǎn)難度，而且國(guó)內(nèi)對(duì)于淺水以及不同水深度時(shí)高速物體運(yùn)動(dòng)流體特性還較少涉及，在用于研究水平運(yùn)動(dòng)的裝置中更是無(wú)法進(jìn)行物體的出入水實(shí)驗(yàn)而節(jié)省試驗(yàn)成本一器多用。而在常規(guī)的拖拽水槽里，因其運(yùn)動(dòng)速度較低，難以產(chǎn)生自然空化。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述背景技術(shù)中所存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種平面超空泡發(fā)生裝置，水箱限制了物體高速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的超空泡在水箱厚度方向上發(fā)展，從而形成二維的超空泡形態(tài)。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是水箱置于四根立柱間的下底板上，水箱上部用上蓋板壓住固定；水箱上、下分別有法蘭孔，下法蘭孔與球閥連接；水箱前面中部開孔后安裝有機(jī)玻璃視窗板，水箱后面與有機(jī)玻璃視窗板相同位置，連接一塊相同尺寸的鋼板，鋼板中間開有與水箱連通的水平長(zhǎng)通槽， 長(zhǎng)通槽兩側(cè)對(duì)稱位置分別開有導(dǎo)向槽；在兩導(dǎo)向槽間裝有小車裝置，所述的小車裝置包括四個(gè)滾珠軸承，小車面板，兩根軸承連接棒，主連接棒和運(yùn)動(dòng)物體，兩根軸承連接棒的兩端分別裝有滾珠軸承，滾珠軸承設(shè)置在鋼板的兩根導(dǎo)向槽中，兩根軸承連接棒間裝有小車面板，主連接棒的一端與小車面板連接，主連接棒的另一端安裝有運(yùn)動(dòng)物體后經(jīng)鋼板中間的長(zhǎng)通槽伸入水箱內(nèi)，小車面板的一側(cè)開有兩個(gè)牽引孔，兩根彈簧的一端分別與各自的牽引孔連接，另一端分別與立柱上的勾環(huán)連接，小車面板的另一側(cè)向外依次設(shè)置啟動(dòng)擋板和開有復(fù)位孔；與裝有勾環(huán)立柱相對(duì)的立柱上裝有發(fā)射扳機(jī)和兩個(gè)滑輪，發(fā)射扳機(jī)與長(zhǎng)通槽同軸布置，兩個(gè)滑輪分別位于發(fā)射扳機(jī)的下方，牽引繩的一端與小車面板上的復(fù)位孔連接，牽引繩的另一端經(jīng)一個(gè)滑輪后固定在另一個(gè)滑輪上，水箱有機(jī)玻璃視窗板一側(cè)外，安放高速攝影儀和照明燈，高速攝影儀的攝像頭垂直對(duì)準(zhǔn)長(zhǎng)通槽水平中心軸處，高速攝影儀與工控計(jì)算機(jī)相連。所述的運(yùn)動(dòng)物體為頭部是斜線與水平成45°的運(yùn)動(dòng)物體、頭部是圓頭形的運(yùn)動(dòng)物體、頭部是斜線與水平成30°的運(yùn)動(dòng)物體或頭部是平頭型的運(yùn)動(dòng)物體，以上運(yùn)動(dòng)物體的頭部均朝向遠(yuǎn)離發(fā)射扳機(jī)的一側(cè)。長(zhǎng)通槽和導(dǎo)向槽遠(yuǎn)離的發(fā)射扳機(jī)的一端分別安裝由牛筋墊和硬質(zhì)彈簧重疊而成的緩沖墊。本實(shí)用新型具有的有益效果是本實(shí)用新型中的二維水箱限制了物體高速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的超空泡在水箱厚度方向上發(fā)展，從而形成二維的超空泡形態(tài)。在玻璃視窗中所出現(xiàn)的物體周圍的超空泡氣液兩相流各種行為配合使用各種高級(jí)光學(xué)儀器，就可以靈活控制水位，研究近液面物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)其周圍所產(chǎn)生的空泡形態(tài)發(fā)展特點(diǎn)。小車裝置也可以良好的保證物體運(yùn)動(dòng)的直線性。而且由于小車與運(yùn)動(dòng)物體的連接靈活性，可以更換不同頭型的高速運(yùn)動(dòng)物體來(lái)使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加完整，甚至可以直接將小車裝置簡(jiǎn)化成為只有水中運(yùn)動(dòng)物體和主連接棒所組成的裝置， 直接將連接棒與彈簧相連進(jìn)行試驗(yàn)，這樣能減輕物體質(zhì)量而使其得到更大的運(yùn)動(dòng)速度，其周圍的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象也會(huì)更明顯和清晰，便于觀察。

圖1是本實(shí)用新型的前視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的右視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實(shí)用新型的后視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖3小車裝置的放大圖。圖5是圖4的左視圖。圖6是圖5中運(yùn)動(dòng)物體的各種形式；其中圖6 (a)的運(yùn)動(dòng)物體其頭部斜線與水平成45°，圖6 (b)為圓頭形的運(yùn)動(dòng)物體，圖6 (c)的運(yùn)動(dòng)物體其頭部斜線與水平成30°，圖 6 (d)為平頭型運(yùn)動(dòng)物體。圖7是圖3的A-A剖面圖。圖8是圖3發(fā)射扳機(jī)的放大圖。圖9是圖8的俯視圖。圖10是圖8的側(cè)視圖。圖11是當(dāng)發(fā)射扳機(jī)扣住小車時(shí)的俯視圖。圖12是當(dāng)發(fā)射扳機(jī)扣住小車時(shí)的前視圖。圖中1、上蓋板，2、水箱，3、有機(jī)玻璃視窗板，4、工控計(jì)算機(jī)，5、高速攝影儀，6、法蘭孔，7、立柱，8、固定角鋼，9、下底板，10、固定架包邊，11、腳輪，12、照明燈，13、球閥，14、三角支撐架，15、鋼板，16、密封圈，17、滑輪，18、發(fā)射扳機(jī)，19、小車裝置，20、軌道封蓋板，21、 緩沖墊，22、彈簧，23、勾環(huán)，24、運(yùn)動(dòng)物體，25、主連接棒，26、小車面板，27、滾珠軸承，28、牽引孔，29、軸承連接棒，30、復(fù)位孔，31、啟動(dòng)擋板，32、長(zhǎng)通槽，33、導(dǎo)向槽。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
4[0025]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖7、圖8、圖9、圖10所示，本實(shí)用新型的水箱2置于四根立柱7間的下底板9上，水箱2上部用上蓋板1壓住固定，上蓋板1和下底板9上分別裝有固定角鋼8防止水箱移動(dòng)，四根立柱7與下底板連接處做固定包邊10，立柱7下端由三角架14固定，下面連接腳輪11 ；水箱2上、下分別有法蘭孔6，下法蘭孔與球閥13連接； 水箱2前面中部開孔后安裝有機(jī)玻璃視窗板3，兩者中間加上密封圈16，水箱2后面與有機(jī)玻璃視窗板3相同位置，連接一塊相同尺寸的鋼板15，兩者中間加上密封圈16，鋼板15中間開有與水箱2連通的水平長(zhǎng)通槽32，長(zhǎng)通槽32兩側(cè)對(duì)稱位置分別開有導(dǎo)向槽33 ；在兩導(dǎo)向槽33間裝有小車裝置19，將軌道封蓋板20用一排螺釘固定在鋼板15上，限制了軸承的活動(dòng)空間，防止其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的滑落(如圖7所示)。所述的小車裝置19包括四個(gè)滾珠軸承 27，小車面板26，兩根軸承連接棒29，主連接棒25和運(yùn)動(dòng)物體24，兩根軸承連接棒29的兩端分別裝有滾珠軸承27，滾珠軸承27設(shè)置在鋼板15的兩根導(dǎo)向槽33中，兩根軸承連接棒 29間裝有小車面板26，主連接棒25的一端與小車面板26連接，主連接棒25的另一端安裝有運(yùn)動(dòng)物體24后經(jīng)鋼板15中間的長(zhǎng)通槽32伸入水箱2內(nèi)，小車面板26的一側(cè)開有兩個(gè)牽引孔28，兩根彈簧22的一端分別與各自的牽引孔28連接，另一端分別與立柱7上的勾環(huán) 23連接，小車面板26的另一側(cè)向外依次設(shè)置啟動(dòng)擋板31和開有復(fù)位孔30 ；與裝有勾環(huán)23 立柱相對(duì)的立柱上裝有發(fā)射扳機(jī)18和兩個(gè)滑輪17，發(fā)射扳機(jī)18與長(zhǎng)通槽32同軸布置，兩個(gè)滑輪17分別位于發(fā)射扳機(jī)18的下方，牽引繩的一端與小車面板26上的復(fù)位孔30連接， 牽引繩的另一端經(jīng)一個(gè)滑輪17后固定在另一個(gè)滑輪17上，水箱2有機(jī)玻璃視窗板3 —側(cè)夕卜，安放高速攝影儀5和照明燈12，高速攝影儀5的攝像頭垂直對(duì)準(zhǔn)長(zhǎng)通槽32水平中心軸處，高速攝影儀5與工控計(jì)算機(jī)4相連。如圖6所示，所述的運(yùn)動(dòng)物體24為頭部是斜線與水平成45°的運(yùn)動(dòng)物體(如圖6 (a)所示)、頭部是圓頭形的運(yùn)動(dòng)物體(如圖6 (b)所示)、頭部是斜線與水平成30°的運(yùn)動(dòng)物體(如圖6 (c)所示)或頭部是平頭型的運(yùn)動(dòng)物體(如圖6 (d)所示)，以上運(yùn)動(dòng)物體的頭部均朝向遠(yuǎn)離發(fā)射扳機(jī)18的一側(cè)。所述的長(zhǎng)通槽32和導(dǎo)向槽33遠(yuǎn)離的發(fā)射扳機(jī)18的一端分別安裝由牛筋墊和硬質(zhì)彈簧重疊而成的緩沖墊21。在固定好裝置后，將滑輪17上鋼絲繩一端勾入小車面板26后端的復(fù)位孔30中并扣緊，然后利用兩個(gè)滑輪17手動(dòng)將整個(gè)小車裝置19拉回到軌道的初始位置處，此時(shí)如圖 11、圖12所示，發(fā)射扳機(jī)18繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)射扳機(jī)18的前端鉤子勾在啟動(dòng)擋板31中將扣住小車裝置19，然后在長(zhǎng)通槽32表面粘一整條的膠帶，將其封住。調(diào)整高速攝影儀位置，白平衡，速度以及清晰度等一系列所需參數(shù)，保證拍到清晰的物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程。球閥13保持關(guān)閉狀態(tài)，水箱2上下左右法蘭均為封閉狀態(tài)。通過(guò)法蘭孔6將水箱2注水至所需水位。開啟照明燈12。將小車裝置19上的滑輪17繩索勾環(huán)解開，打開發(fā)射扳機(jī)18，小車裝置19由于彈簧22的拉力瞬間射出，與其連接的水中運(yùn)動(dòng)物體24也隨之運(yùn)動(dòng)，最終到達(dá)軌道末端停止。期間，高速攝影儀5將透過(guò)有機(jī)玻璃視窗板16拍攝到水中運(yùn)動(dòng)物體24的全程運(yùn)動(dòng)情況，它將所拍攝到的運(yùn)動(dòng)物體24在近水面高速水平運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的超空泡流體力學(xué)過(guò)程以數(shù)字流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，用上述發(fā)生器可使運(yùn)動(dòng)物體24加速到40m/s 100m/S甚至更高。如果還想取得更高的速度，可使用小口徑步槍或輕氣炮，將速度高于150m/s的物體打入上述發(fā)生器。運(yùn)動(dòng)物體24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)而使得運(yùn)動(dòng)物體24在液體中運(yùn)行的過(guò)程中被超空泡所完全包絡(luò)住，在運(yùn)動(dòng)物體24周圍形成明顯的超空泡汽/液兩相流現(xiàn)象。在高速攝影儀所拍攝到的圖像中， 可以清晰的觀察到產(chǎn)生超空泡后的運(yùn)動(dòng)物體尺寸明顯大于其在空氣中的尺寸，這就說(shuō)明了高速物體周圍產(chǎn)生了超空泡。另外，運(yùn)動(dòng)物體24的幾何外形長(zhǎng)徑比越大，越有利于運(yùn)動(dòng)物體24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。而且，運(yùn)動(dòng)物體24的頭型角度不同，對(duì)于其產(chǎn)生超空泡的過(guò)程也會(huì)明顯不同。由于本實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)軌道為接近于水平液面處，那么物體運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的復(fù)雜流場(chǎng)很有可能與液面相互作用而出現(xiàn)不同的力學(xué)特性。此外，由于水箱不與支架直接相連，將特制鋼板換成全封閉的整體鋼板，仍舊安裝在原鋼板位置，將水箱整體旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)，可以通過(guò)上下兩個(gè)法蘭孔來(lái)進(jìn)行高速物體出入水試驗(yàn)。通過(guò)有機(jī)玻璃視窗板結(jié)合高速攝影技術(shù)就可觀察到物體出入水時(shí)復(fù)雜的流體力學(xué)特性。
權(quán)利要求1.一種平面超空泡發(fā)生裝置，其特征在于水箱(2)置于四根立柱間的下底板(9)上， 水箱(2)上部用上蓋板(1)壓住固定；水箱(2)上、下分別有法蘭孔，下法蘭孔與球閥(13)連接；水箱(2)前面中部開孔后安裝有機(jī)玻璃視窗板(3)，水箱(2)后面與有機(jī)玻璃視窗板(3) 相同位置，連接一塊相同尺寸的鋼板(15)，鋼板(15)中間開有與水箱(2)連通的水平長(zhǎng)通槽(32)，長(zhǎng)通槽(32)兩側(cè)對(duì)稱位置分別開有導(dǎo)向槽；在兩導(dǎo)向槽間裝有小車裝置(19)，所述的小車裝置(19)包括四個(gè)滾珠軸承，小車面板(26)，兩根軸承連接棒，主連接棒(25)和運(yùn)動(dòng)物體(24)，兩根軸承連接棒的兩端分別裝有滾珠軸承，滾珠軸承設(shè)置在鋼板(15)的兩根導(dǎo)向槽中，兩根軸承連接棒間裝有小車面板(26)，主連接棒(25)的一端與小車面板(26) 連接，主連接棒(25)的另一端安裝有運(yùn)動(dòng)物體(24)后經(jīng)鋼板(15)中間的長(zhǎng)通槽(32)伸入水箱(2)內(nèi)，小車面板(26)的一側(cè)開有兩個(gè)牽引孔，兩根彈簧的一端分別與各自的牽引孔連接，另一端分別與立柱(7)上的勾環(huán)連接，小車面板(26)的另一側(cè)向外依次設(shè)置啟動(dòng)擋板(31)和開有復(fù)位孔(30);與裝有勾環(huán)立柱相對(duì)的立柱上裝有發(fā)射扳機(jī)(18)和兩個(gè)滑輪， 發(fā)射扳機(jī)(18)與長(zhǎng)通槽(32)同軸布置，兩個(gè)滑輪分別位于發(fā)射扳機(jī)(18)的下方，牽引繩的一端與小車面板(26)上的復(fù)位孔(30)連接，牽引繩的另一端經(jīng)一個(gè)滑輪后固定在另一個(gè)滑輪上，水箱(2)有機(jī)玻璃視窗板(3)—側(cè)外，安放高速攝影儀(5)和照明燈(12)，高速攝影儀(5)的攝像頭垂直對(duì)準(zhǔn)長(zhǎng)通槽(32)水平中心軸處，高速攝影儀(5)與工控計(jì)算機(jī)(4)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面超空泡發(fā)生裝置，其特征在于所述的運(yùn)動(dòng)物體 (24)為頭部是斜線與水平成45°的運(yùn)動(dòng)物體、頭部是圓頭形的運(yùn)動(dòng)物體、頭部是斜線與水平成30°的運(yùn)動(dòng)物體或頭部是平頭型的運(yùn)動(dòng)物體，以上運(yùn)動(dòng)物體的頭部均朝向遠(yuǎn)離發(fā)射扳機(jī)(18)的一側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面超空泡發(fā)生裝置，其特征在于所述的長(zhǎng)通槽(32) 和導(dǎo)向槽遠(yuǎn)離的發(fā)射扳機(jī)(18)的一端分別安裝由牛筋墊和硬質(zhì)彈簧重疊而成的緩沖墊。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種平面超空泡發(fā)生裝置。水箱置于下底板上，水箱前后相同位置安裝有機(jī)玻璃視窗板和鋼板，鋼板上開有導(dǎo)向槽和與水箱連通的長(zhǎng)通槽；在兩導(dǎo)向槽間裝有小車，小車一端與彈簧連接，固定在立柱上的發(fā)射扳機(jī)拉住小車的另一端。打開發(fā)射扳機(jī)，與小車連接的運(yùn)動(dòng)物體即在水下高速運(yùn)動(dòng)。水箱有機(jī)玻璃視窗板一側(cè)外，安放高速攝影儀和照明燈，高速攝影儀與工控計(jì)算機(jī)相連。水箱限制了物體高速運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的超空泡在水箱厚度方向上發(fā)展，從而形成二維的超空泡形態(tài)。本實(shí)用新型利用高速攝影技術(shù)就能清晰觀察到物體近液面高速運(yùn)動(dòng)時(shí)其周圍所產(chǎn)生的空泡形態(tài)發(fā)展特點(diǎn)。小車裝置能保證物體運(yùn)動(dòng)的直線性?？梢愿鼡Q不同頭型的高速運(yùn)動(dòng)物體來(lái)完整實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)G01M10/00GK202255830SQ20112039999
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者周浩磊, 周素云, 張曉萍, 施紅輝 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)