[发明专利]附着型非定常空化流体内部结构观察装置及方法

说明书

本发明属于船舶与水下航行器工程、水利水电工程技术领域，特别涉及附着型空化流体实验技术。附着型非定常空化流体内部结构观察装置，其技术方案是：它包括：水洞观察段，实验模型(1)，玻璃窗组件(13)，内窥镜相机(10)，内窥镜镜头(8)，内窥镜光源(7)，内窥镜照明系统(9)，内窥镜图像显示器(12)和内窥镜图像采集存储电脑主机(11)；本发明利用内窥镜技术，为附着型非定常空化流体内部复杂结构的观察研究提供了有效手段。

技术领域

本发明属于船舶与水下航行器工程、水利水电工程技术领域，特别涉及附着型空化流体实验技术。

背景技术

工程领域中的空化现象大多数是一种附着型空化。研究表明，空化的发展过程具有强烈的非定常特性，伴随着复杂的流体作用力。附着型空穴断裂及大尺度空泡云团的脱落和溃灭往往会产生剧烈的振动、噪声和压力脉冲，这些问题涉及到了多个工程领域里关键问题的解决。

附着型非定常空化流体流动涉及到湍流、动量和质量转换、可压缩性和非定常等几乎所有的复杂流动现象，这使得附着型非定常空化流体内部结构非常复杂，如各种漩涡结构(马蹄涡，发卡涡等)、回射流运动结构。尤其是，随着附着型空化流体内部含气率的增加，空化流体的声速会显著降低，一定工况下会导致泡状流激波的产生，已有学者对该激波诱导附着型空穴断裂及脱落机制进行研究。开展附着型空化流体内部复杂精细结构的研究工作对于提高对空化机理的认识具有重要意义，因此，亟需发明新的研究手段。

由于空化现象的复杂性，实验研究一直是推动人们对空化流动机理认识的基本方法，空化流动的常规研究设备主要有高速全流场显示技术、粒子测速技术(PIV)、激光多普勒测速(LDV)、激光诱导荧光(LIF)和微小型传感器。先进实验技术的发明，是推动人们对空化机理认识的重要途径，例如，北京理工大学的王国玉等分别采用高速摄像技术和粒子测速技术(PIV)研究了绕翼型和回转体的空穴形态演变过程以及空化流动的速度场。但高速摄像技术是针对空化流体整体形态演变进行观察，无法精确捕捉到空化流体内部众多复杂精细结构。

发明内容

本发明的目的是：针对现有测量设备无法精确捕捉空化流体内部各种精细结构的问题，提供了一种基于内窥镜的附着型非定常空化流体内部结构观察装置及方法。

本发明的技术方案是：附着型非定常空化流体内部结构观察装置，其特征是：它包括：水洞观察段，实验模型，玻璃窗组件，内窥镜相机，内窥镜镜头，内窥镜光源，内窥镜照明系统，内窥镜图像显示器和内窥镜图像采集存储电脑主机；

水洞观察段包括：试验段，透明有机玻璃；试验段为矩形断面结构，顶面、前面以及侧面为便于观察的透明有机玻璃板；

实验模型为楔形结构，前部分为收缩段，后部分为扩张段，附着型空化发生在扩张段流动分离区域，在扩张段流动分离区域布置有两个玻璃窗组件安装螺纹孔；试验段底部与水洞观察段下部通过螺栓孔连接，在试验段底部铣出一圈密封槽，采用O型密封圈进行水密封；

玻璃窗组件包括：玻璃凸台，玻璃压圈和玻璃套；玻璃套上部的螺纹结构以与实验模型扩张段的螺纹孔相装配；

内窥镜相机用于拍摄内窥镜镜头所观察的图像；

内窥镜镜头通过长管探入玻璃窗组件进行观察；

内窥镜光源为内窥镜镜头观察区域提供照明；

内窥镜照明系统控制内窥镜光源能量等级，保证内窥镜镜头观察区域的亮度达到拍摄要求；

内窥镜图像显示器用于对内窥镜镜头观察以及捕捉精细结构，根据内窥镜图像显示器提供图像对内窥镜镜头位置和内窥镜光源能量等级进行调节；

内窥镜图像采集存储电脑主机采集并存储内窥镜相机拍摄的图像。

附着型非定常空化流体内部结构观察方法，它使用如上所述的附着型非定常空化流体内部结构观察装置，并包括以下步骤：