專利名稱：水中電火花氣泡生成的實驗裝置及實驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種實驗裝置，具體地說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)實現(xiàn)對水下劇烈氣泡的產(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。但實船爆炸現(xiàn)象相當(dāng)復(fù)雜，物理實驗不易實施，而且水下爆炸的特殊性和水質(zhì)等條件 給高速攝像機拍攝清晰的氣泡圖像帶來了很大的困難，昂貴的實驗費用更是使水下爆炸實 驗氣泡圖像的取得顯得非常珍貴。因此國內(nèi)外很多實驗室都采用在水槽內(nèi)生成氣泡的方法 來取代真實的水下爆炸實驗，在此基礎(chǔ)上來研究水下爆炸氣泡在不同情況下的運動特性。與本發(fā)明申請有關(guān)的公開文件有1、水中高壓放電氣泡的實驗研究(《物理學(xué)報》 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實驗研究方法(《高壓物理學(xué)報》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》2009年6月第6期第38卷)； 5、激光泡最大泡半徑的測試與分析(《水動力學(xué)研究與進(jìn)展》2005年9月第5期第20卷A 輯)；6、水下爆炸氣泡脈動的實驗及數(shù)值模擬(《北京理工大學(xué)學(xué)報》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實 驗。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 驗研究均存在實驗裝置復(fù)雜，實驗效果不理想，實驗安全性較低的特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種安裝操作簡單、實驗效果清晰便于觀察，實驗成本較 低，安全可靠的水中電火花氣泡生成的實驗裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種水中電火 花氣泡生成的實驗方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的水中電火花氣泡生成的實驗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，還包括單刀雙擲開關(guān)K，單刀雙擲 開關(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 攝像機和光源，高速攝像機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驗方法如下(1)選取直徑較細(xì)的銅絲，并對銅絲進(jìn)行處理，安裝高速攝像機，調(diào)整水槽光源及 高速攝像機的位置，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 雙擲開關(guān)，電容開始放電，氣泡通過電極放電打火生成，氣泡在水槽中往復(fù)膨脹坍塌形成脈 動現(xiàn)象，并被高速攝像機拍攝并記錄下全過程；(3)采集和記錄實驗中所涉及到的數(shù)據(jù)，包括電容參數(shù)、材料屬性、電路特性以及 攝像機的相關(guān)參數(shù)，記錄實驗前后電容兩端電壓表的示數(shù)，通過實驗水槽中內(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)運動特性，將氣泡脈動過程中 隨時間變化的數(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，通過除銹措施除去其污垢，將兩銅絲對稱搭接，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氣泡運動特性的影響。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 度適中，置于銅絲交接處的左側(cè)或右側(cè)，能夠被攝像機清晰地捕捉到。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的曝光需要， 又能有效避免在電火花生成初期曝光過度的情況發(fā)生，光源要求擺放在銅絲搭接處的正后 方，攝像機則要求擺放在其正前方，保證攝像機鏡頭中心與氣泡生成位置水平，使光源、銅 絲搭接點和攝像機鏡頭中心位于一條直線上。調(diào)節(jié)方法可以通過電腦上的網(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，其中開關(guān)K為單刀雙擲開關(guān)，分別接電源，銅絲與電容的 一端，用來控制電路的充放電，電容C通過電源U和電阻R組成的回路充電，其兩端有測量 其電壓的電壓表，待充電完成后，開關(guān)反向閉合，從而實現(xiàn)放電過程。本發(fā)明提供的是一種實驗設(shè)備安裝操作簡單、實驗效果清晰便于觀察，實驗成本 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及記錄氣泡發(fā)生膨脹坍塌 潰滅全過程的實驗方法。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)氣泡在水中爆炸時間較短、爆炸反 映劇烈的特點，設(shè)計了一套能夠準(zhǔn)確捕捉氣泡運動形態(tài)的高速攝像系統(tǒng)。通過該裝置，可以 較為簡單的模擬真實水下爆炸，成為代替真實爆炸的一種有力實驗手段，為氣泡理論的研 究提供一種有效的實驗途徑。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)生成氣泡實驗方法不同，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，無論是從機理還是實驗方法步驟上都與本發(fā)明的試驗方法 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實驗，與本發(fā)明 的試驗方法不同。文獻(xiàn)4和文獻(xiàn)5均利用激光產(chǎn)生空泡，實驗設(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)明的試驗方法差別較大。因此本發(fā)明 的優(yōu)勢非常明顯，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高速攝像機記錄的單個電火花氣泡的運動。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(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驗裝置及方法包括高速攝像機、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為單刀雙擲開關(guān)， 當(dāng)K擲向1時電源給電容C充電，當(dāng)K擲向2時，電容放電，同時電極N在水中打火生成氣 泡。1、準(zhǔn)備實驗材料并對設(shè)備進(jìn)行安裝調(diào)試實驗材料選取直徑約為0. 013mm的銅絲，實驗設(shè)備包括高速攝像機、電火花生成 裝置、連續(xù)光源和水槽。其中高速攝像機為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)，能夠被攝像機清晰地捕 捉到，調(diào)節(jié)光源亮度，要求既能夠滿足攝像機的曝光需要，又能有效避免在電火花生成初期 曝光過度的情況發(fā)生，光源L要求擺放在銅絲搭接處的正后方，攝像機則要求擺放在其正 前方，保證攝像機鏡頭中心與氣泡生成位置水平。按照圖1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，其中開關(guān)K為單刀雙 擲開關(guān)，分別接電源，銅絲與電容的一端，用來控制電路的充放電，電容C通過電源U和電阻 R回路充電，其兩端有測量其電壓的電壓表，待充電完成后，開關(guān)反向閉合，從而實現(xiàn)放電過 程。2、電容放電生成氣泡及相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄開啟高速攝像機并使其與電腦連接，閉合電路，開關(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，記錄下此時電容C兩端的電壓，將單刀雙擲開關(guān)K反向 閉合，置于2處，此時電容C接在銅絲兩端，電極在極短的時間內(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)出強光，放電點附近的流體被氣化從而形成氣泡，氣泡在水槽 中往復(fù)膨脹坍塌形成脈動現(xiàn)象，并被高速攝像機拍攝并記錄下全過程，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的相關(guān)參數(shù)，將氣泡脈動過程中隨 時間變化的數(shù)據(jù)匯總，存儲到電腦硬盤中，實驗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)生了很強烈的白光導(dǎo)致相機在氣泡形成初期在氣泡生成位置曝光 過度引起的。記錄實驗前后電容兩端電壓表的示數(shù)，通過實驗水槽中內(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)運動特性。繪制氣泡隨時間變化的曲 線，從而得出氣泡運動的規(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驗裝置，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，還包括單刀雙擲開關(guān)(K)， 單刀雙擲開關(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)置高速攝像機和光源，高速攝像機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驗裝置，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驗方法，其特征是(1)選取直徑較細(xì)的銅絲，并對銅絲進(jìn)行處理，安裝高速攝像機，調(diào)整水槽光源及高速 攝像機的位置，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 開關(guān)，電容開始放電，氣泡通過電極放電打火生成，氣泡在水槽中往復(fù)膨脹坍塌形成脈動現(xiàn) 象，并被高速攝像機拍攝并記錄下全過程；(3)采集和記錄實驗中所涉及到的數(shù)據(jù)，包括電容參數(shù)、材料屬性、電路特性以及攝像 機的相關(guān)參數(shù)，記錄實驗前后電容兩端電壓表的示數(shù)，通過實驗水槽中內(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)運動特性，將氣泡脈動過程中隨時 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驗裝置及實驗方法。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，還包括單刀雙擲開關(guān)(K)，單刀雙擲開關(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)置高速攝像機和光源，高速攝像機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)明可以較為簡單的模擬真實水下爆炸，成為代替真實爆炸的一種有力實驗手段，為氣泡理論的研究提供一種有效的實驗途徑。
文檔編號H01T14/00GK102141523SQ20101060242
公開日2011年8月3日 申請日期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, 王詩平, 王超, 白兆宏, 郭君 申請人:哈爾濱工程大學(xué)