[发明专利]一种单空泡溃灭与材料边界耦合特性多场测量平台

说明书

本发明公开了一种单空泡溃灭与材料边界耦合特性多场测量平台，该测量平台包括测试板、实验水箱、电火花发生器、瞬态空泡形态观察系统、瞬态空泡运动场测量系统和结构应力采集系统；电火花发生器生成单空泡与测试板发生相互耦合作用，瞬态空泡形态观察系统利用高速录像观测和图像处理技术对空泡形态的几何尺度进行定性和定量化分析；瞬态空泡运动场测量系统利用片光源照亮流场中的示踪粒子并记录图像，对图像序列中的相邻图像进行互相关分析获得瞬态速度矢量场，处理得到速度场与涡量场信息；结构应力采集系统根据测试板壁面动态响应过程，分析不同初始距离下，测试板附近空泡溃灭载荷与测试板壁面形变的相互关系与作用机理。

技术领域

本发明涉及一种研究空泡溃灭与边界耦合作用的实验用测量装置，用于研究弹性材料结构参数、流体的环境压力对空泡演化发展的影响，获得瞬态演化过程的空泡形态、速度场、压力场的非定常分布。

背景技术

在生产和生活中，流体中空泡的例子并不少见。空泡的溃灭现象可能以有益的方式被加以利用，比如医疗中超声波清洗等；而更多的在自然界中，空泡的溃灭可以造成严重的灾难，比如螺旋桨运转过程中产生的空泡对螺旋桨的严重毁伤。为了减少空泡现象对水下结构体的损伤，科学家做了很多努力，如今用复合材料等弹性材料来替代传统的刚性材料成为了新的突破口。国内外很多实验室都采用在水槽内生成空泡的方法来研究空泡在不同情况下的运动特性。

(1)振动空泡近弹性壁面的可视化实验研究(《机床与液压》2015年第6期)；采用一个60V的低压电路产生振动空泡来研究近弹性壁面空泡的动态特性，利用高速摄像机记录空泡的变化形态，振动空泡由60v低压电路产生。

(2)水下爆炸气泡脉动的实验数值模拟(《北京理工大学学报》2008年12月第12期第28卷)，采用柱状TNT炸药产生空泡。

(3)弹塑性边界下水下爆炸气泡动态特性的数值仿真研究(《系统仿真学报》2009年第21期第14卷)；运用有限元软件MSC.Dytran建立三维气泡模型,对水平弹塑性薄板边界条件下的水下爆炸气泡运动特性进行测量。

(4)一种水中爆炸气泡脉动实验研究方法(《高压物理学报》2009年10月第5期第23卷)；采用直接小当量PETN炸药进行水中爆炸气泡脉动实验。

以上的实验研究均存在实验装置复杂，实验效果不理想，实验安全性较低的缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种单空泡溃灭与材料边界耦合特性多场测量平台，该测量能够研究弹性材料结构参数(惯性系数、阻尼系数和刚度系数)、流体的环境压力对空泡演化发展的影响，获得瞬态演化过程的空泡形态、速度场、压力场的非定常分布。同时还能够研究弹性材料壁面动态响应过程，分析不同初始距离下，弹性材料附近空泡溃灭载荷与弹性材料壁面形变的相互关系与作用机理。

一种单空泡溃灭与材料边界耦合特性多场测量平台，该测量平台包括测试板、实验水箱、电火花发生器、瞬态空泡形态观察系统、瞬态空泡运动场测量系统和结构应力采集系统；

所述测试板设置在实验水箱内部，所述电火花发生器能够在实验水箱内部生成近测试板的单空泡，单空泡与测试板发生相互耦合作用，通过控制电火花发生器的位置来精确控制空泡的初始位置；所述瞬态空泡形态观察系统位于实验水箱外部，所述瞬态空泡形态观察系统利用高速录像观测和图像处理技术对空泡形态的几何尺度进行定性和定量化分析；所述瞬态空泡运动场测量系统利用片光源照亮流场中的示踪粒子并记录图像，对图像序列中的相邻图像进行互相关分析获得瞬态速度矢量场，处理得到速度场与涡量场信息，实现单空泡时间维度上的连续测量；所述结构应力采集系统用于采集测试板上的应力变化，根据测试板壁面动态响应过程，分析不同初始距离下，测试板附近空泡溃灭载荷与测试板壁面形变的相互关系与作用机理。