[发明专利]一种基于低湍流度水槽的气泡产生和融合实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于低湍流度水槽的气泡产生和融合实验装置，包括：低湍流度循环水槽、通气设备及气泡图像采集分析系统，低湍流循环水槽与通气设备连通，气泡图像采集分析系统设置于所述低湍流循环水槽侧面，低湍流度循环水槽提供产生气泡以及产生的大量气泡融合的水环境；通气设备用于向所述低湍流循环水槽通入气体产生气泡；气泡图像采集分析系统用于对所述低湍流循环水槽内气泡图像进行采集和分析，得到气泡形态变化规律、气泡生长周期变化规律和气泡融合规律。还公开了采用此装置进行气泡产生和融合实验方法。解决了小尺度范围内气泡融合形成气层的实验装置以及实验方法匮乏的问题，为开展气泡‑气层流态转变研究以及气层稳定性研究提供数据基础。

技术领域

本申请涉及水动力技术领域，具体涉及一种基于低湍流度水槽的气泡产生和气泡融合实验装置及方法。

背景技术

为了维护日益严峻的海洋权益，高速水下航行体是我国当前阶段工程研制与发展的重点。与之相关的高速水动力学问题，特别是非稳态空化、载荷与流动控制问题成为了水动力学这一经典基础学科新的挑战、机遇与前沿。

主动通气是一种广泛、有效的水下流动控制手段，通过在航行体表面设置气孔、开缝等向水中通入气体，形成气泡、气层、气腔等结构，通入气体主要位于边界层内部，与外流液态水相互作用，到达减阻、均匀压力、降低载荷等目的。此类研究主要通过平板通气结构向水下通气来研究通入气体产生的气泡与外流液态水之间的相互作用的影响因素，随着通气量、航行速度、头型等因素的不同，气泡的流动形态也相应呈现离散气泡、辫状气泡、层状气泡，以及包含相变效应的云状空泡和空泡群等各种形态，每种气泡流态的水动压力以及对环境条件的敏感性都存在较大差异。由于影响因素较多，不同尺度下气泡流态转变的相似参数选取以及相似律也非常复杂。

目前气层减阻被认为是一种相当有前景的减阻方法，人们建立了大尺度气层平板通气的实验设备，如拖曳水池平板通气减阻实验和拖曳水池船模通气减阻实验。但是小尺度范围内的气层通气实验装置还很匮乏，特别是针对气泡融合形成气层的实验装置以及实验方法。

发明内容

本发明公开了一种基于低湍流度水槽的气泡产生和融合实验装置及方法，一种基于低湍流度水槽的气泡产生和融合实验装置能够产生气泡、大量气泡以及大量气泡融合并演化成气泡层的过程。在实验方法中，通过改变来流速度、通气速度、通气孔直径、通气孔孔间距离和和通气孔的直径，获得气泡生长周期变化规律、气泡形态变化规律以及气泡融合规律。为开展气泡-气层流态转变研究以及气层稳定性研究提供数据基础。

本发明具体提供下述技术方案：

一种基于低湍流度水槽的气泡产生和融合实验装置，所述装置包括：低湍流度循环水槽、通气设备及气泡图像采集分析系统，所述低湍流度循环水槽与通气设备连通，所述气泡图像采集分析系统设置于所述低湍流度循环水槽侧面，其中，

所述低湍流度循环水槽提供产生气泡以及产生的大量气泡融合的水环境；

所述通气设备用于向所述低湍流度循环水槽通入气体产生气泡；

所述气泡图像采集分析系统用于对所述低湍流度循环水槽内气泡图像进行采集和分析，得到气泡形态变化规律、气泡生长周期变化规律和气泡融合规律。

作为本发明的一种优选方案，所述低湍流度循环水槽包括试验水槽、电机、整流板、水泵、进水槽和出水槽；所述进水槽与试验水槽进水口连通，所述出水槽与试验水槽出水口连通，所述整流板设置于进水槽内，临近试验水槽进水口，进水槽的近试验水槽端的宽度大于出水槽的宽度，所述进水槽与所述出水槽连通，所述水泵设置于进水槽进水口处，与电机电连接。

作为本发明的一种优选方案，所述试验水槽两侧设置透明观测窗，所述试验水槽顶端无盖，与大气连通。

作为本发明的一种优选方案，所述通气设备包括平板模型、气瓶、控制阀、流量计和过滤阀，其中，