专利名称：一种用于水中超空泡及高速物体出入水的发射装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及流体力学中流体压力的发生器，尤其是涉及一种用于水中超空泡及高速物体出入水的发射装置。
背景技术：
“超空泡技术”是通过在水下航行体周围不断提供气泡来减小航行器的沾湿面积， 从而降低航行体运行阻力的一项新兴技术。由于超空泡流区与物面直接接触部分的液体都已被汽化，汽体的密度通常比空气小得多(如27°C时，水蒸气密度为0. 0255mig/m3，约为空气密度的1/50)，在水中超空泡运动的物体其阻力可以比在空气中飞行时还小约850倍， 可以使水下高速运动的航行体获得90%的减阻量。基于超空泡技术研制的水下超空泡射弹，可以突破普通射弹水中运动极限，显著提高水中射弹的速度，使水下射弹的速度提高到 1000 m/s的量级，大大增加射弹的行程和杀伤力，从而为舰(潜)艇提供有效的防御能力。 “超空泡技术”是一种革命性的减阻方法，是未来水下兵器降低阻力、提高航速、增大航程的重要手段和发展方向。超空泡主要分为自然超空泡和通气超空泡两种，前者依靠提高航行体的速度产生超空泡，后者依靠人工通气增加空泡内压强生成超空泡。我国在高速物体出入水诱导产生自然超空泡的基础试验研究方面刚刚起步不久，相关的研究单位大多是在水洞中进行，但由于多数水洞只能开展物体入水试验，且试验受弗鲁德数片的影响较大，空泡变形较严重，难以准确分析空泡的形态特性。造成上述现象的主要原因是目前还没有出现一种能较好地实现用于水中超空泡及出入水研究的高速物体发射装置。
发明内容针对上述背景技术中所存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种用于水中超空泡及高速物体出入水的发射装置，可开展使物体瞬间加速到100m/S至500m/s的速度发射并以垂直角度出入水来诱导产生自然超空泡的试验。为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是一、一种用于水中超空泡及高速物体出入水的发射装置本实用新型包括高压气源、箱体支撑架、高速摄影仪、工控计算机、两个隔膜、安全截获器、水箱、水箱盖、球阀、发射管、平板；箱体支撑架上端面的平板中心开有通孔，平板下端面同轴焊有法兰，法兰向下依次安装球阀和第一隔膜以及第一法兰盖，平板的上端面与水箱的下端面固接，水箱盖与水箱的上端口通过蝴蝶铰链连接，水箱盖中心开有通孔，水箱盖的上端面与安全截获器连接，水箱盖的下端面依次安装第二隔膜和第二法兰盖，水箱箱体四周设有观察窗口，高速摄影仪的摄像头对准观察窗口的液体自由面处，高速摄影仪与工控计算机相连，发射管安放在球阀下面，发射管的发射口中心始终对准球阀的阀口中心； 还包括两根气体导管、两个压力表、密封圈、电磁阀、管阀连接器、缸阀连接器、高压气缸、支撑板、支撑柱、气体导管接口、气压测量接口和气体控制开关；发射管的下端与管阀连接器的上端相连接，电磁阀的上端与管阀连接器的下端相连接，电磁阀的下端与缸阀连接器的上端相连接，缸阀连接器的下端与高压气缸相连接，高压气缸分别通过六角螺栓和第二螺母与支撑板相连接，支撑柱分别通过第一螺母与支撑板相连接，气压测量接口的右端与高压气缸相焊接，气压测量接口的左端与第二压力表相连，气体导管接口的左端与高压气缸相焊接，气体导管接口的右端与第二气体导管的左端口相连，第二气体导管的右端口与气阀控制开关相连，第一气体导管的左端口与气阀控制开关相连，第一气体导管的右端口与高压气源相连，第一压力表与第一气体导管相连。二、另一种用于水中超空泡及高速物体出入水的发射装置本实用新型包括高压气源、箱体支撑架、高速摄影仪、工控计算机、两个隔膜、安全截获器、水箱、水箱盖、球阀、发射管、平板；箱体支撑架上端面的平板中心开有通孔，平板下端面同轴焊有法兰，法兰向下依次安装第二隔膜和安全截获器，平板的上端面与水箱的下端面固接，水箱盖与水箱的上端口通过蝴蝶铰链连接，水箱盖中心开有通孔，水箱盖的上端面与球阀连接，球阀的上端面依次安装第一隔膜和第一法兰盖，球阀的下端面与第二法兰盖相连，水箱箱体四周设有观察窗口，高速摄影仪的摄像头对准观察窗口的液体自由面处， 高速摄影仪与工控计算机相连，发射管安放在球阀上面，发射管的发射口中心始终对准球阀的阀口中心；还包括两根气体导管、两个压力表、密封圈、电磁阀、管阀连接器、缸阀连接器、高压气缸、支撑板、支撑柱、气体导管接口、气压测量接口和气体控制开关；发射管的上端与管阀连接器的下端相连接，电磁阀的上端与管阀连接器的下端相连接，电磁阀的下端与缸阀连接器的下端相连接，缸阀连接器的上端经密封圈与高压气缸相连接，高压气缸分别通过六角螺栓和第二螺母与支撑板相连接，支撑柱分别通过第一螺母与支撑板相连接， 气压测量接口的右端与高压气缸相焊接，气压测量接口的左端与第二压力表相连，气体导管接口的左端与高压气缸相焊接，气体导管接口的右端与第二气体导管的左端口相连，第二气体导管的右端口与气阀控制开关相连，第一气体导管的左端口与气阀控制开关相连， 第一气体导管的右端口与高压气源相连，第一压力表与第一气体导管相连。以上两种技术方案中所述的安全截获器为一个填充满黏土的圆柱钢体。[0011]本实用新型具有的有益效果是本实用新型采用高压气源所释放的氮气来驱动试验物体加速、发射，实现试验物体以100m/S至500m/s的速度出入水诱导产生三维自然超空泡流。该超空泡流具有较明显的汽/液两相流相互扰动作用和较清晰的汽/液两相流内外边界，在边界的内侧是单相的水汽流动。这样，再配合使用各种光学仪器和流场可视化仪器，就可以研究高速物体出水时物体周围空化气泡的溃灭机理以及高速物体垂直出入水过程中所涉及到的液面和空泡面两个非线性自由边界之间的复杂的流体力学行为。采用本实用新型可以方便、直观地研究高速物体出入水运动过程所伴随的超空泡流的流体力学特性。另外，本实用新型结构简单，成本较低，易于推广。
图1是本实用新型装置开展高速物体出水试验时的结构示意图。图2是本实用新型装置开展高速物体入水试验时的结构示意图。图中1、高压气源，2、第一气体导管，3、第一压力表，4、气体导管接口，5、气阀控制
5开关，6、第二气体导管，7、密封圈，8、电磁阀开关，9、发射管，10、第一法兰盖，11、第一隔膜， 12、球阀，13、法兰，14、平板，15、观察窗口，16、锁孔，17、抛射体，18、安全截获器，19、黏土， 20、第二法兰盖，21、水箱盖，22、蝴蝶铰链，23、工控计算机，24、高速摄影仪，25、箱体支撑架，26、管阀连接器，27、电磁阀，28、缸阀连接器，29、六角螺栓，30、高压气缸，31、支撑板， 32、第一螺母，33、第二螺母，34、支撑柱，35、气压测量接口，36、第二压力表，37、第二隔膜， 38、水箱。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型做进一步说明。当开展高速物体出水试验时，如图1所示，本实用新型包括高压气源1、箱体支撑架25、高速摄影仪M、工控计算机23、两个隔膜11，37、安全截获器18、水箱38、水箱盖21、 球阀12、发射管9、平板14 ；箱体支撑架25上端面的平板14中心开有通孔，平板14下端面同轴焊有法兰13，法兰13向下依次安装球阀12和第一隔膜11以及第一法兰盖10，平板14 的上端面与水箱38的下端面固接，水箱盖21与水箱38的上端口通过蝴蝶铰链22连接，水箱盖21中心开有通孔，水箱盖21的上端面与安全截获器18连接，水箱盖21的下端面依次安装第二隔膜37和第二法兰盖20，水箱38箱体四周设有观察窗口 15，高速摄影仪M的摄像头对准观察窗口 15的液体自由面处，高速摄影仪M与工控计算机23相连，发射管9安放在球阀12下面，发射管9的发射口中心始终对准球阀12的阀口中心；本实用新型还包括两根气体导管2，6、两个压力表3，36、密封圈、电磁阀27、管阀连接器沈、缸阀连接器观、高压气缸30、支撑板31、支撑柱34、气体导管接口 4、气压测量接口 35和气体控制开关5 ；发射管9的下端与管阀连接器沈的上端相连接，电磁阀27的上端与管阀连接器沈的下端相连接，电磁阀27的下端与缸阀连接器28的上端相连接，缸阀连接器28的下端与高压气缸30 相连接，高压气缸30分别通过六角螺栓四和第二螺母33与支撑板31相连接，支撑柱34 分别通过第一螺母32与支撑板31相连接，气压测量接口 35的右端与高压气缸30相焊接， 气压测量接口 35的左端与第二压力表36相连，气体导管接口 4的左端与高压气缸30相焊接，气体导管接口 4的右端与第二气体导管6的左端口相连，第二气体导管6的右端口与气阀控制开关5相连，第一气体导管2的左端口与气阀控制开关5相连，第一气体导管2的右端口与高压气源1相连，第一压力表3与第一气体导管2相连。当开展高速物体入水试验时，如图2所示，本实用新型包括高压气源1、箱体支撑架25、高速摄影仪M、工控计算机23、两个隔膜11，37、安全截获器18、水箱38、水箱盖21、 球阀12、发射管9、平板14 ；箱体支撑架25上端面的平板14中心开有通孔，平板14下端面同轴焊有法兰13，法兰13向下依次安装第二隔膜37和安全截获器18，平板14的上端面与水箱38的下端面固接，水箱盖21与水箱38的上端口通过蝴蝶铰链22连接，水箱盖21 中心开有通孔，水箱盖21的上端面与球阀12连接，球阀12的上端面依次安装第一隔膜11 和第一法兰盖10，球阀12的下端面与第二法兰盖20相连，水箱38箱体四周设有观察窗口 15，高速摄影仪M的摄像头对准观察窗口 15的液体自由面处，高速摄影仪M与工控计算机23相连，发射管9安放在球阀12上面，发射管9的发射口中心始终对准球阀12的阀口中心；本实用新型还包括两根气体导管2，6、两个压力表3，36、密封圈7、电磁阀27、管阀连接器沈、缸阀连接器观、高压气缸30、支撑板31、支撑柱34、气体导管接口 4、气压测量接口35和气体控制开关5 ；发射管9的上端与管阀连接器沈的下端相连接，电磁阀27的上端与管阀连接器26的下端相连接，电磁阀27的下端与缸阀连接器观的下端相连接，缸阀连接器28的上端经密封圈7与高压气缸30相连接，高压气缸30分别通过六角螺栓四和第二螺母33与支撑板31相连接，支撑柱34分别通过第一螺母32与支撑板31相连接，气压测量接口 35的右端与高压气缸30相焊接，气压测量接口 35的左端与第二压力表36相连，气体导管接口 4的左端与高压气缸30相焊接，气体导管接口 4的右端与第二气体导管6的左端口相连，第二气体导管6的右端口与气阀控制开关5相连，第一气体导管2的左端口与气阀控制开关5相连，第一气体导管2的右端口与高压气源1相连，第一压力表3与第一气体导管2相连。两个隔膜11，37的径向几何形状为圆形，其截面积大小分别等于第一法兰盖10和 13法兰的连接面截面积大小。安全截获器18内置放黏土 19。本实用新型的工作过程如下所述如图1、图2所示实施例中，安装好试验装置，把试验研究所用的抛射体17放置到发射管9中，将球阀12的阀口开关打开，高压气源1内储存有氮气，高压气源1的氮气气压值为IMI^a至6Mpa，打开高压气源1的阀口和气阀控制开关5，使高压气源1所释放的氮气通过第一气体导管2和第二气体导管6进入高压气缸30，当高压气缸30内的氮气储量达到预期值时，也即第二压力表36表征显示出预期值时，立即关闭气阀控制开关5，同时开启高速摄影仪对，打开电磁阀开关8，通过高压气缸30内所释放出的氮气来驱动抛射体17从发射管9中高速发射，抛射体17—旦穿透第一次所碰触的隔膜后，立即关闭球阀12的阀口， 抛射体17高速射入放有透明液体的水箱38中，使得液体周围形成剧烈波动的流场，当抛射体17离开液体自由面后，继续前进，穿透第二次所碰触的隔膜，最终被安全截获器18所截获捕捉，嵌入在黏土 19中。高速摄影仪M将所拍摄到的抛射体17在高速出入水运动过程中诱导产生超空泡的流体动力学作用过程以数字图像的形式传输并储存到工控计算机23 中，再配合使用一些光学仪器和流场可视化仪器，就可以研究和了解研究高速物体出水时物体周围空化气泡的溃灭机理以及高速物体垂直出入水过程中所涉及到的液面和空泡面两个非线性自由边界之间的复杂的流体力学行为。经上述方法，用上述试验装置可使试抛射体17加速到100m/S至500m/s。抛射体 17在液体中一边高速前进，一边与液体发生强烈的相互作用，诱导周围液体产生超空泡，进而使得抛射体17在液体中运行的过程中被超空泡所完全包络住，在抛射体17周围形成明显的超空泡汽/液两相流现象。从抛射体17出入水过程中，高速摄影仪所拍摄的数字图像来分析，若数字图像显示某一时刻抛射体17周围被一个尺寸略大于自身尺寸的细长椭球体状液柱包络住时，说明此时抛射体17在液体运行过程中伴随有超空泡产生。
权利要求1.一种用于水中超空泡及高速物体出入水的发射装置，包括高压气源(1)、箱体支撑架(25)、高速摄影仪(24)、工控计算机(23)、两个隔膜(11，37)、安全截获器(18)、水箱 (38)、水箱盖(21)、球阀(12)、发射管(9)、平板(14)；箱体支撑架(25)上端面的平板(14) 中心开有通孔，平板(14)下端面同轴焊有法兰(13)，法兰(13)向下依次安装球阀(12)和第一隔膜(11)以及第一法兰盖(10)，平板(14)的上端面与水箱(38)的下端面固接，水箱盖(21)与水箱(38)的上端口通过蝴蝶铰链(22)连接，水箱盖(21)中心开有通孔，水箱盖 (21)的上端面与安全截获器(18)连接，水箱盖(21)的下端面依次安装第二隔膜(37)和第二法兰盖(20)，水箱(38)箱体四周设有观察窗口(15)，高速摄影仪(24)的摄像头对准观察窗口(15)的液体自由面处，高速摄影仪(24)与工控计算机(23)相连，发射管(9)安放在球阀(12)下面，发射管(9)的发射口中心始终对准球阀(12)的阀口中心；其特征在于还包括两根气体导管(2，6)、两个压力表(3，36)、密封圈(7)、电磁阀(27)、管阀连接器(26)、缸阀连接器(28)、高压气缸(30)、支撑板(31)、支撑柱(34)、气体导管接口(4)、气压测量接口(35)和气体控制开关(5);发射管(9)的下端与管阀连接器(26)的上端相连接，电磁阀(27) 的上端与管阀连接器(26)的下端相连接，电磁阀(27)的下端与缸阀连接器(28)的上端相连接，缸阀连接器(28)的下端与高压气缸(30)相连接，高压气缸(30)分别通过六角螺栓和第二螺母与支撑板(31)相连接，支撑柱(34)分别通过第一螺母与支撑板(31)相连接，气压测量接口(35)的右端与高压气缸(30)相焊接，气压测量接口(35)的左端与第二压力表(36)相连，气体导管接口(4)的左端与高压气缸(30)相焊接，气体导管接口(4)的右端与第二气体导管(6)的左端口相连，第二气体导管(6)的右端口与气阀控制开关(5)相连，第一气体导管(2)的左端口与气阀控制开关(5)相连，第一气体导管(2)的右端口与高压气源 (1)相连，第一压力表(3)与第一气体导管(2)相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于水中超空泡及高速物体出入水的发射装置，其特征在于所述的安全截获器(18)为一个填充满黏土(19)的圆柱钢体。
3.一种用于水中超空泡及高速物体出入水的发射装置，包括高压气源(1)、箱体支撑架(25)、高速摄影仪(24)、工控计算机(23)、两个隔膜(11，37)、安全截获器(18)、水箱 (38)、水箱盖(21)、球阀(12)、发射管(9)、平板(14);箱体支撑架(25)上端面的平板(14)中心开有通孔，平板(14)下端面同轴焊有法兰(13)，法兰(13)向下依次安装第二隔膜(37)和安全截获器(18)，平板(14)的上端面与水箱(38)的下端面固接，水箱盖(21)与水箱(38) 的上端口通过蝴蝶铰链(22)连接，水箱盖(21)中心开有通孔，水箱盖(21)的上端面与球阀 (12)连接，球阀(12)的上端面依次安装第一隔膜(11)和第一法兰盖(10)，球阀(12)的下端面与第二法兰盖(20)相连，水箱(38)箱体四周设有观察窗口(15)，高速摄影仪(24)的摄像头对准观察窗口(15)的液体自由面处，高速摄影仪(24)与工控计算机(23)相连，发射管 (9)安放在球阀(12)上面，发射管(9)的发射口中心始终对准球阀(12)的阀口中心；其特征在于还包括两根气体导管(2，6)、两个压力表(3，36)、密封圈(7)、电磁阀(27)、管阀连接器(26)、缸阀连接器(28)、高压气缸(30)、支撑板(31)、支撑柱(34)、气体导管接口(4)、 气压测量接口(35)和气体控制开关(5);发射管(9)的上端与管阀连接器(26)的下端相连接，电磁阀(27)的上端与管阀连接器(26)的下端相连接，电磁阀(27)的下端与缸阀连接器 (28)的下端相连接，缸阀连接器(28)的上端经密封圈(7)与高压气缸(30)相连接，高压气缸(30)分别通过六角螺栓和第二螺母与支撑板(31)相连接，支撑柱(34)分别通过第一螺母与支撑板(31)相连接，气压测量接口( 35 )的右端与高压气缸(30 )相焊接，气压测量接口 (35)的左端与第二压力表(36)相连，气体导管接口(4)的左端与高压气缸(30)相焊接，气体导管接口(4)的右端与第二气体导管(6)的左端口相连，第二气体导管(6)的右端口与气阀控制开关(5)相连，第一气体导管(2)的左端口与气阀控制开关(5)相连，第一气体导管 (2)的右端口与高压气源(1)相连，第一压力表(3)与第一气体导管(2)相连。
4.根据权利要求3所述的一种用于水中超空泡及高速物体出入水的发射装置，其特征在于所述的安全截获器(18)为一个填充满黏土(19)的圆柱钢体。
专利摘要本实用新型公开了一种用于水中超空泡及高速物体出入水的发射装置。包括高压气源、箱体支撑架、高速摄影仪、工控计算机、隔膜、安全截获器、水箱、球阀、发射管、平板、压力表、电磁阀、管阀连接器、缸阀连接器、高压气缸、支撑板、支撑柱、气体导管接口、气压测量接口和气体控制开关。试验物体通过高压气源所释放的氮气被驱动、加速，并通过发射管发射进入水箱，当试验物体自上而下和自下而上地通过液体自由面时，产生了伴随超空泡产生的入水和出水的流场。配合使用各种光学仪器和流场可视化仪器，能研究高速物体出入水时物体周围空化气泡的溃灭机理以及高速物体垂直出入水过程中所涉及到的液面和空泡面两个非线性自由边界之间的复杂的流体力学行为。
文档编号G01M10/00GK202221367SQ201120343328
公开日2012年5月16日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者周浩磊, 张晓萍, 施红辉, 王超, 章利特, 董若凌, 贾会霞 申请人:浙江理工大学