一种入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统

1.本发明属于空泡动力学技术领域，具体涉及一种用于模型入水过程中空泡形态采集、测量和分析的实验装置。


背景技术：

2.入水过程是指模型(回转体或球体)以一定的初速度从空气中穿过气液交界面进入水中的过程，从模型触及自由液面开始，自由液面受到模型的扰动，并向四周传播，直至模型进入水中，且在水中稳定运动至最底处。模型入水过程是一个短暂的瞬态过程，但这个过程中涉及到由介质突变引起的高冲击载荷、高速运动引起的多尺度漩涡以及水的相变，所以入水过程在很大程度上决定了模型是否能够稳定的从空气中进入水以及模型的入水姿态。入水过程在各个领域都有广泛应用，在工程领域，模型入水过程的研究对于解决空投鱼雷、反潜导弹的入水，以及宇宙飞船的回收等有重要的意义。入水过程中当模型触及自由液面的时刻出现了复杂的物理现象：气、水、模型三者之间的相互作用，既有自由液面与空泡相互作用，又有模型冲击自由液面受到瞬间增加的冲击载荷作用。
3.目前，入水问题的理论研究主要集中在采用数值模拟方法分析模型入水过程中所形成的空泡，但由于入水过程中伴随着湍动、相变、可压缩、介质突变、瞬间极端载荷以及移动接触线等大量复杂的流动现象，同时涉及到自由液面与空泡的相互作用，空泡与模型之间的相互作用，导致模型运动姿态的预测极为复杂。在工程中通常忽略粘性和可压缩性的影响采用近似计算，而且气液界面的识别和捕捉对网格精度和数量依赖较大，导致空泡轮廓以及模型的运动姿态与实际过程有较大出入。因此，对于模型入水的实验观测显得尤为重要。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统，能够实现对不同尺度模型以不同角度、不同入水速度入水过程中形成的入水空泡进行观测和分析。
5.一种入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统，系统包括发射系统、观测系统以及图像采集处理系统；
6.所述发射系统将模型以可变角度的形式高速发射至观测系统中，模型从发射系统射出后，发射系统能够阻断提供发射动力的高速气流对自由液面产生影响；
7.所述观测系统提供模型入水的试验环境并同步发射系统，以摄像的方式记录模型的整个发射过程；
8.所述图像采集处理系统基于matlab软件对观测系统获取的图像进行处理并获取模型在观测系统中的下落速度、加速度和空泡体积。
9.进一步地，所述发射系统包括支架、支撑板、压气机、安全阀、电磁阀、发射管和尾流阻断器；
10.所述支架和压气机固定安装在试验台上，所述支架的侧边框上设置有不同角度的调节孔，所述支撑板的一端活动安装在支架上，另一端通过设置在支架调节孔中的固定轴限位，所述发射管安装在支撑板上，通过改变支撑板与自由液面的角度来调节入水角度；所述尾流阻断器同轴安装在发射管的前端，模型通过尾流阻断器时，尾流阻断器利用压强差对发射管射出的高速气流进行阻断；所述压气机通过气管连接电磁阀、电磁阀依次连接安全阀和发射管。
11.进一步地，所述尾流阻断器为具有一个豁口的软膜管，豁口贯穿软膜管的前后端。
12.进一步地，所述发射管内部装有压力膜片来限制倾斜发射时模型在重力作用下的运动。
13.进一步地，所述压力膜片的主体结构为具有一个中心孔的圆盘，圆盘一侧沿中心孔的周向均布四根筋条，筋条垂直于圆盘的平面，筋条的末端向内弯曲；四根筋条所在圆的直径与发射管的孔径尺寸一致。
14.进一步地，所述观测系统包括实验水箱、光源、高速摄像机和同步装置；所述实验水箱位于发射管的斜下方，光源和高速摄像机位于水箱的两侧，所述同步装置用于同步触发高速摄像机9和电磁阀。
15.进一步地，所述图像采集处理系统对图像进行处理的步骤如下：
16.步骤一、对原始图片进行裁剪，获得空泡周围流场图像，并保存成图片；
17.步骤二、对图片进行灰度处理；计算图像灰度值梯度大小和边缘方向；通过sobel算子计算图像的灰度梯度大小，得到边缘强度，采用3
×
3卷积矩阵计算水平方向和垂直方向的灰度梯度值，分别用g
x
，gy表示，每个像素的灰度梯度值g的计算公式为：
[0018][0019]
使用θ描述梯度的方向：θ＝a
×
tan2(g
x
，gy)，其中a为常数，图像中的每一点的灰度值全部由灰度梯度值g所代替；
[0020]
步骤三、对图像进行二值化处理提取出空泡的形态；进行双阈值判定：选取两个合适的阈值来定义上限和下限，将灰度值大于阈值上限的像素设为白色(255)，小于或等于阈值下限的像素设为黑色(0)，得到空泡的轮廓；
[0021]
步骤四、根据空泡的轮廓，计算模型下落速度、加速度和空泡体积。
[0022]
进一步地，所述步骤四中计算模型下落速度、加速度的过程如下：将提取后的空泡轮廓放在笛卡尔坐标系下测量模型的位置，明确模型位移和时间的数据后，绘制位移和时间关系曲线，通过曲线进行高阶多项式拟合得出位移和时间的函数关系，保证相关指数r2＝0.99，进而对函数进行一阶和二阶求导得到球体的速度和加速度。
[0023]
进一步地，所述步骤四中计算模型空泡体积的过程如下：测量出模型在图中的特征长度d与模型的实际特征程度d，得到比例关系进一步测量出空泡在图中的最大直径dc与空泡长度hc，根据比例关系计算得出空泡的实际最大直径dc与高度hc，计算公式为：
[0024]
[0025][0026]
进一步地得到入水空泡地实际体积vc为：
[0027][0028]
式中vm为模型实际体积。
[0029]
进一步地，所述发射管与安全阀通过法兰进行连接，法兰的连接部位处装有密封垫。
[0030]
进一步地，所述水箱在垂直于发射方向的壁面和水箱底部上依次安装有钢板与泡沫板，水箱平行于发射方向的壁面由亚克力板制成。
[0031]
有益效果：
[0032]
1、本发明的空泡形态采集系统由发射系统、观测系统以及图像采集处理系统组成，发射系统将模型以可变角度的形式高速发射至观测系统中，模型从发射系统射出后，发射系统能够阻断提供发射动力的高速气流对自由液面产生影响；能够实现发射不同尺度模型以不同角度、速度入水过程的实验观测，提取入水空泡形态演化过程，以及模型所受冲击载荷作用效果。实验过程中，通过程序和自动控制装置控制电磁阀与高速摄像机同步开启，实现对模型入水过程的精确控制，为分析入水问题提供了有力的依据。
[0033]
2、本发明发射系统中的发射管出口安装了尾流阻断器，当模型通过时，在高速气流作用下，尾流阻断器之间压强小于外侧压强，尾流阻断器在压差作用下紧贴在一起，阻断了高速气流，保证了自由液面不被破坏，能够有效避免气动发射扰动自由液面的不良影响，提高模型入水时自由液面演化过程的分析精度。
[0034]
4、本发明发射系统发射管内部装有压力膜片来限制倾斜发射时模型在重力作用下的运动，压力膜片的主体结构为具有一个中心孔的圆盘，圆盘一侧沿中心孔的周向均布四根筋条，筋条垂直于圆盘的平面，筋条的末端向内弯曲；四根筋条所在圆的直径与发射管的孔径尺寸一致，上述结构使得发射管在角度变化过程中模型始终保持在相对固定的位置，当气流驱动模型发射时，压力膜片不会产生较大的阻力来影响模型的发射。
[0035]
5、本发明的图像采集处理系统能够对实验图像进行处理，自动提取空泡轮廓。本图像采集处理系统通过灰度处理、双阈值判定、二值化处理及边界识别，最终提取空泡的轮廓，位置和体积，结合同步仪器的时间标定能够得到模型运动的速度和加速度等重要信息。
[0036]
6、本发明的发射管与安全阀通过法兰进行连接，可以通过更换发射管的口径来实现不同尺度模型的发射，在法兰处装有密封垫以此保证装置的密封性。
[0037]
7、本发明的水箱在垂直于发射方向的壁面和水箱底部上依次安装有钢板与泡沫板，水箱平行于发射方向的壁面由亚克力板制成。钢板和泡沫板能够防止模型击打在水箱壁面造成水箱损坏或者模型飞溅对实验人员造成危险。同时，通过水箱底部加装泡沫板使模型能够落入其中，以便收集模型。
附图说明
[0038]
图1为本发明空泡形态采集系统的组成示意图；
[0039]
图2为发射系统结构组成示意图；
[0040]
图3为尾流阻断器与发射管连接关系示意图；
[0041]
图4为尾流阻断器结构示意图；
[0042]
图5为尾流阻断器工作原理示意图；
[0043]
图6为模型与压力膜片在发射管中位置示意图；
[0044]
图7为压力膜片的结构示意图；
[0045]
图8为尾流阻断器使用前后效果对比图；
[0046]
图9为入水空泡图像处理后的空泡轮廓。
[0047]
其中：1-气管、2-电磁阀固定座、3-电磁阀、4-安全阀、5-发射管、6-发射管固定座、7-尾流阻断器、8-计算机、9-高速摄像机、10-水箱、11-光源、12-压气机、13-支架、14-支撑板、15-固定轴、16-调节孔。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0049]
如附图1所示，本发明提供了一种入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统，系统包括发射系统、观测系统以及图像采集处理系统。
[0050]
如附图2所示，发射系统包括支架13、支撑板14、压气机12、安全阀4、电磁阀3、发射管5和尾流阻断器7。
[0051]
支架13和压气机12固定安装在试验台上，压气机提供高压气体作为驱动模型高速运动的动力，在压气机12侧面装有压力表和调压阀，用来监测和控制出口压力。压气机12通过气管1将高压气体输送到电磁阀3处。安全阀4与发射管5之间通过法兰连接，方便更换发射管。发射管内部装有用来固定模型的位置压力膜片。电磁阀3与电磁阀固定座2之间通过法兰连接，且在电磁阀3和电磁阀固定座2之间装有密封胶片起到缓冲和密封的作用，电磁阀固定座2与支撑板14之间通过螺栓固定。电磁阀3与安全阀4之间通过法兰连接，在法兰盘之间装有密封垫。发射管固定座6与支撑板14之间也通过螺栓连接，在发射管5与发射管固定座6之间垫有橡胶片起到缓冲作用。模型发射前，启动压气机12，将压力加压到一定程度，然后调节调压阀使流出的高压气体达到额定压力，接着通过同步装置打开电磁阀3并且同步触发观测系统中的高速摄像机进行拍摄，在高压气体的作用下压力膜片发生形变，释放模型，高压气体膨胀推动模型加速运动达到规定的发射速度并进入水中，完成模型入水过程。
[0052]
支架13的侧边框上设置有不同角度的调节孔16，支撑板14的一端通过轴承活动安装在支架13上，另一端通过设置在支架调节孔中的固定轴15限位，同时固定轴15对支撑板14起到支撑作用，固定轴15的两端由螺母固定。通过改变支撑板14与自由液面的角度来调节模型入水角度.
[0053]
如附图3所示，尾流阻断器7同轴安装在发射管5的前端，模型通过尾流阻断器7时，尾流阻断器利用压强差对发射管射出的高速气流进行阻断。
[0054]
如附图4所示，尾流阻断器为具有一个等宽度豁口的软膜管，豁口贯穿软膜管的前后端。当高速运动的模型从发射管5射出后，高速气流将直接作用于水体自由液面，对模型入水过程中造成较大影响。根据伯努利方程可知，加装尾流阻断器7后，当模型通过时，在高速气流作用下，尾流阻断器之间压强小于外侧压强，软膜管在压差作用下紧贴在一起，阻断
了高速气流，保证了自由液面不被破坏，具体原理如图5所示。
[0055]
如附图6和7所示，压力膜片的主体结构为具有一个中心孔的圆盘，圆盘一侧沿中心孔的周向均布四根筋条，筋条垂直于圆盘的平面，筋条的末端向内弯曲；四根筋条所在圆的直径与发射管的孔径尺寸一致。
[0056]
观测系统包括水箱10、光源11、高速摄像机9和同步装置；实验水箱位于发射管的斜下方，光源11和高速摄像机9位于水箱的两侧，同步装置用于同步触发高速摄像机9和电磁阀。水箱10在垂直于发射方向的壁面上依次安装有钢板与泡沫板，防止模型击打在水箱壁面损坏水箱或者造成模型飞溅对实验人员产生危险，同时加装泡沫板便于收集模型。在水箱的底部铺设有泥土缓冲层和防护网。水箱10平行于发射方向的壁面由亚克力板制成，平行光源增加亮度以便达到更好的观测效果。
[0057]
下面以气缸体积为25l，发射管长度为0.4m，以发射速度60m/s，直径为20mm，质量为32.88g的模型为例说明具体实施方式：
[0058]
步骤一确定模型发射角度，以30
°
为例，将支撑板旋转到该角度位置，然后插入支撑轴固定支撑板和发射装置的位置。
[0059]
步骤二根据速度-压力关系使用压气机进行加压。首先确定模型发射所需压力，模型速度与压力之间的关系为：
[0060][0061]
其中v为模型出口时的速度，p1为压气机所需压力，为模型质量修正系数，v为压气机气缸的容积，m
dan
为模型质量，l为发射管长度，a为发射管的截面积由模型尺寸决定，p0为大气压，k为绝热指数。
[0062]
计算得压气机所需压力为665294pa。
[0063]
当高压气缸内部压力达到计算压力时停止充气。
[0064]
步骤三通过程序控制电磁阀与高速摄像机，对整个过程进行拍摄采集。
[0065]
步骤四对通过高速摄像机获取的原始图片进行提取并获得关注区域。
[0066]
步骤五对图片进行灰度处理。计算图像灰度值梯度大小和边缘方向；通过sobel算子计算图像的灰度梯度大小，得到边缘强度，采用3
×
3卷积矩阵计算水平方向和垂直方向的灰度梯度值，分别用g
x
，gy表示。每个像素的灰度梯度值g的计算公式为：
[0067][0068]
使用θ描述梯度的方向：θ＝a
×
tan2(g
x
，gy)，其中a为常数，图像中的每一点的灰度值全部由灰度梯度值g所代替。
[0069]
步骤六对图像进行二值化处理提取出空泡的形态。进行双阈值判定：确定两个灰度阈值来定义图像灰度值上限和下限，将灰度值大于阈值上限的像素设为白色(255)，小于或等于阈值下限的像素设为黑色(0)得到空泡轮廓。
[0070]
步骤七计算模型下落速度、加速度和空泡体积。将提取后的空泡轮廓放在笛卡尔坐标系下测量模型的位置，得到模型位移和时间的数据后，对数据进行高阶多项式拟合，保证相关指数r2＝0.99，进而对拟合曲线进行一阶和二阶求导得到球体的速度和加速度。
[0071]
对于发射不同尺寸的模型仅需要依据模型尺寸更换发射管就可以实现。
[0072]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。