水下低电压放电诱发的空化泡与空气泡的同步实验装置的制作方法

本发明属于空泡动力学领域，具体涉及一种空化泡与空气泡的同步实验装置。
背景技术：
：空化作为一种水动力学现象广泛存在于水利、船舶、医疗等行业，对空化泡的研究起源于工程中的空蚀现象。国内外大量的水利水电工程的高、中水头泄水建筑物中的一些部位，经常会发生材料剥蚀破坏的现象，这种现象称为空蚀。水利行业中，为减免空蚀的危害，多采用掺气措施，国内外的研究设计和实践都已表明，该措施经济有效，且工程形式简单、减蚀效果明显。虽然掺气措施被广泛应用，但是，关于掺气减蚀机理目前大多停留在假想层面，缺乏细观层面的实验数据支撑。而空化泡的全生命(低压电火花空泡的生命周期约为1～3ms)过程伴随着自身的膨胀、收缩、溃灭、回弹震荡等力学行为，如微射流和冲击波。研究掺气过程中空化泡与空气泡间的相互作用对更有效的掺气减蚀具有重要意义。目前，实验室内采用能量脉冲方式模拟工业生产中出现的空化泡，如水下高电压放电、水下低电压放电等方法诱发空化泡。水下低电压放电法产生电火花空化泡，它的电压低于110伏，用来在一对接触的精细电极之间短路放电，使水迅速电离、汽化产生空化泡。水下低电压放电法由于其具有精度高、重复性高、安全性高和成本低而被逐渐采用。但针对掺气减蚀机理的细观研究缺乏空化泡与空气泡相互作用的实验技术，仅有的少量文献中关于空化泡与空气泡的研究手段的介绍，如采用外界辅助的方式(如采用涂抹石蜡的绳子粘附气泡)在空化泡附近摆放一个空气泡。但这种方法会对空化泡和空气泡的演变形态以及微射流的发展方向产生较大干扰，直接影响实验结果的可靠性。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种水下低电压放电诱发的空化泡与空气泡的同步实验装置，用于空化泡与空气泡的系统性研究，为细观层面掺气减蚀机理的研究提供了新的方便有效的实验装置和方法。本发明提供的水下低电压放电诱发的空化泡与空气泡的同步实验装置，包括光电开关、低电压诱发空化泡控制组件、空气泡释放控制组件、水槽、高速摄像机、计算机，所述光电开关由激光模组和光敏电阻传感器组成，所述低电压诱发空化泡控制组件由低电压放电器和两根铜导线组成；所述空气泡发生组件由空气注射泵、与空气注射泵的输出端连接的软管、连接在软管末端的针头组成；所述光电开关的光敏电阻传感器同时与低电压发生器和高速摄像机电连接，同时控制低电压发生器和高速摄像机的电连接，所述激光模组安装在与光敏电阻传感器的信号接收端相对的位置，且激光模组和光敏电阻传感器位于水槽外两侧，使得激光模组发出的激光射线穿过水槽水体入射到光敏电阻传感器上；所述低电压诱发空化泡控制组件的两根铜导线一端分别连接低电压发生器的正负级，另一端相互搭接在一起，且搭接点位于水槽液面下，用于在低电压发生器工作时在水体中产生空化泡；所述空气泡发生组件的针头固定于水槽底部，其安装位置使得逸出的空气泡在水体中上升并穿过激光模组发出的激光射线，使光敏电阻传感器接收到的光强发生变化，从而触发高速摄像机与低电压发生器电路通电工作；所述高速摄像机与计算机连接，实时获取高速摄像机的拍摄影像。进一步地，所述激光模组的激光射线出射点、光敏电阻传感器信号接收端、针头的针孔三点共铅垂面。进一步地，所述激光模组发出的激光射线与光敏电阻传感器的信号接收端位于同一水平直线上。进一步地，高速摄像机和低电压发生器上的两根导线的搭接点分别位于激光模组的激光射线出射点、光敏电阻传感器信号接收端、针头的针孔三点所在铅垂面的两侧，以避免激光射线的移动影响高速摄像机的拍摄视野。进一步地，光敏电阻传感器、激光模组的位置可调，低电压发生器上的两根导线的搭接点与针孔的水平相对位置和铅直相对位置均可调节，目的是使空气泡穿过激光模组发出的激光射线的相对位置可调，获得空化泡和空气泡不同相对位置的图片，即不同水平距离和不同竖直距离的空化泡与空气泡。进一步地，所述激光模组、高速摄像机的安装位置满足使从针头逸出的空气泡穿过激光射线及以后的动态在高速摄像机的拍摄视野中。进一步地，低电压发生器上的两根导线的搭接点位于高速摄像机的拍摄视野中。进一步地，所述针头设置为针孔孔径不同的多种规格。进一步地，所述针头垂直安装在水槽底壁上，使针孔垂直向上。进一步地，所述激光模组发出的激光射线与针头所在直线垂直。以上技术方案中，所述光电开关包括激光模组和光敏电阻传感器。光敏电阻传感器的信号接收端负责接收激光模组发出的激光射线。光敏电阻传感器带有继电器模块，配电位器调节灵敏度，通过调节电位器，设定启动继电器阀值，当亮于此阀值时，继电器模块断开，暗于此阀值时，继电器接通。阈值根据空气泡穿过激光模组发出的激光射线时，光敏电阻传感器的信号接收端接收的激光光强变化来设定。以上技术方案中，空气泡穿过激光模组发出的激光射线时，光敏电阻传感器将同时触发高速摄像机与低电压发生器电路接通一定时间，否则电路断电。以上技术方案中，空化泡的大小可以通过低电压发生器的输出电压大小来调节，空化泡的位置可以通过两根铜导线搭接的位置来确定。上述技术方案中，所述空气泡的大小可以通过针头的孔径大小来调节，空气泡的位置可以通过光敏电阻传感器和激光模组共同调节。表一示出空气流速为0.1cm/ms时，不同孔径的针头对应不同直径大小的空气泡。表一：孔径/mm0.110.200.300.400.500.60气泡直径/mm0.711.221.672.082.472.84使用本发明所述实验装置进行实验研究时工作流程和原理：激光模组发出激光射线对准光敏电阻传感器的信号接收端，控制空气注射泵放出定量空气，产生的定量空气逸出针头到水槽内形成空气泡，当空气泡上浮至一定高度时穿过激光模组发出的激光射线，光敏电阻传感器接收的光强发生变化，从而触发光敏电阻传感器，使高速摄像机与低电压发生器的工作电路通电。进一步低电压发生器输出端的两根导线通电短路，在两导线搭接处产生空化泡。同时，高速摄像机通电后同步录制空气泡与空化泡相互作用画面。高速摄像机录制影像实时传输给计算机，计算机进行影像保存。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.本发明所述实验装置利用光电开关将空气泡上浮至一定位置与高速摄像机的拍摄、空化泡的产生进行同步，实现空化泡与空气泡相互作用的动态信息获取和研究，为细观层面掺气减蚀机理的研究提供了新的便利的实验方法。2使用本发明所述实验装置，空化泡的大小、位置与空气泡的大小、位置均能精确控制。3.本发明所述实验装置操作简便、安全可靠、实验效果好，成本低。附图说明图1为本发明所述实验装置的结构示意图；图2为本发明所述实验装置中水槽、光敏电阻传感器、激光模组的相对位置布置俯视图(平面布置图)；图3为实施例中高速摄像机拍摄到的水下低电压放电诱发的空化泡与空气泡相互作用的图片；图中0时刻图片左侧为直径10.3mm的扁球形空气泡，右侧为水下低电压放电诱发的空化泡产生的初始时刻；图中1200μs时刻图片右侧为膨胀至最大直径为19.5mm的空化泡。图中，1低电压发生器，2铜导线a，3铜导线b，4空化泡，5空气泡，6水槽，7光敏电阻传感器，8激光模组，9针头，软管10，11空气注射泵，12高速摄像机，13计算机。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。以下所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明保护范围内。实施例水下低电压放电诱发的空化泡与空气泡的同步实验装置，包括光电开关、低电压诱发空化泡控制组件、空气泡释放控制组件、水槽6、高速摄像机12、计算机13，所述光电开关由激光模组8和光敏电阻传感器7组成，所述低电压诱发空化泡控制组件由低电压放电器1和铜导线a2，铜导线b3组成；所述空气泡发生组件由空气注射泵11、与空气注射泵的输出端连接的软管10、连接在软管末端的针头9组成；所述光电开关的光敏电阻传感器同时与低电压发生器和高速摄像机电连接，同时控制低电压发生器和高速摄像机的电连接，所述激光模组安装在与光敏电阻传感器的信号接收端相对的位置，且激光模组和光敏电阻传感器位于水槽外两侧，使得激光模组发出的激光射线穿过水槽水体入射到光敏电阻传感器上；所述低电压诱发空化泡控制组件的两根铜导线一端分别连接低电压发生器的正负级，另一端相互搭接在一起，且搭接点位于水槽液面下，用于在低电压发生器工作时在水体中产生空化泡；所述空气泡发生组件的针头垂直安装在水槽底壁上，且针孔垂直向上，其安装位置使得逸出的空气泡在水体中上升并穿过激光模组发出的激光射线，且激光模组发出的激光射线与针头所在直线垂直，使光敏电阻传感器接收到的光强发生变化，从而触发高速摄像机与低电压发生器的工作电路通电工作；所述高速摄像机与计算机连接，实时获取高速摄像机的拍摄影像。本实施例进行以下优化：激光模组的激光射线出射点、光敏电阻传感器信号接收端、针头的针孔三点共铅垂面，并且激光模组发出的激光射线与光敏电阻传感器的信号接收端位于同一水平直线上。高速摄像机和低电压发生器上的两根导线的搭接点分别位于激光模组的激光射线出射点、光敏电阻传感器信号接收端、针头的针孔三点所在铅垂面的两侧，以避免激光射线的移动影响高速摄像机的拍摄视野。所述光敏电阻传感器和激光模组的水平位置与铅直位置均可调节，以便于调节激光射线适应空气泡的位置，使空气泡穿过激光射线。所述激光模组、高速摄像机的安装位置满足使从针头逸出的空气泡穿过激光射线及以后的动态在高速摄像机的拍摄视野中，且所述两根导线的搭接点与高速摄像机的镜头中心在同一水平线上。低电压发生器上的两根导线的搭接点位于高速摄像机的拍摄视野中。所述针头设置为针孔孔径不同的多种规格，以满足实验条件需要。本实例中，所有电器均采用民用220v交流电供电。空气注射泵采用lsp01-1b抽取/灌注型注射泵(市售)；低电压发生器的输出端的两根铜导线直径均为0.1mm，低电压发生器按照专利申请cn103528792a公开的“水下低压放电气泡产生装置”进行组装；激光模组为市售波长650nm的点状红外激光模组，功率为5mw，激光射线直径1-2mm；光敏电阻传感器(市售)采用5v光敏电阻传感器继电器模块。光敏电阻传感器，激光模组与计算机通电待机；高速摄像机选择最大达2400000帧/秒的高速摄像机，镜头采用微距放大镜头；计算机预装高速摄像机控制及图像处理软件。进行实验时，向水槽内缓慢加入去离子水，使液面高出低电压发生器输出端的铜导线搭接处5倍的空化泡最大半径(空化泡最大半径根据实验量测)。激光模组8发出激光射线对准光敏电阻传感器7的信号接收端，空气注射泵11放出空气泡5，产生的空气泡5逸出针头9到水槽6内，当空气泡5上浮至一定高度时穿过激光模组发出的激光射线，光敏电阻传感器7接收的光强发生变化，从而触发光敏电阻传感器7将高速摄像机12与低电压发生器1的工作电路通电。进一步低电压发生器1输出端的铜导线a2与铜导线b3通电短路，在铜导线a2与铜导线b3搭接处产生空化泡4。同时，高速摄像机12通电后同步录制空气泡5与空化泡4相互作用画面。高速摄像机12录制影像实时传输给计算机13，计算机通过高速摄像机控制及图像处理软件进行影像获取与剪辑处理，空化泡与空气泡的大小根据所占图像中像素点数进行量测。高速摄像机拍摄到的水下低电压放电诱发的空化泡与空气泡相互作用的图片见图3。图中0时刻，空气泡穿过激光模组发出的激光射线，触发光敏电阻传感器将高速摄像机与低电压发生器的工作电路通电，高速摄像机拍摄的图片左侧为直径10.3mm的扁球形空气泡，右侧为空化泡产生的初始时刻；之后，空化泡发出耀眼光芒并开始膨胀，在1200μs时刻图片右侧为膨胀至最大直径为19.5mm的空化泡，随后空化泡经历收缩、溃灭、再膨胀、再收缩溃灭等过程；在空化泡的全生命周期中，空气泡受空化泡的影响形态发生剧烈变化，且对空化泡的溃灭方向、溃灭强度有影响。实验装置准确的拍摄到空气泡与空化泡相互作用的画面。使用一种水下低电压放电诱发的空化泡与空气泡的同步实验装置，空化泡与定量空气泡生成时机、位置相比以往实验手段更加精准，实验的可控性大大提高，为细观层面掺气减蚀机理的研究提供了新的便利的实验方法。当前第1页12