一種六自由度運動條件下氣泡動力學特性研究裝置及方法制造方法及圖紙

一種六自由度運動條件下氣泡動力學特性研究試驗裝置及方法，該裝置主要包括六自由度運動模擬平臺、連續注氣系統、透明試驗段、高速攝像系統及遠程計算機；連續注氣系統包括高精度直線模組、流向控制管路、注射器及毛細管接頭，該系統可實現氣體連續、穩定注射，并可以精確測量氣體注入流量，通過調節毛細管接頭尺寸，可以控制注入氣泡直徑；高速攝像儀固定于試驗段前側伺服模組相機架上，可實現相機位置遠程自動調節，在試驗段后部放置LED面板光源，面板上貼有半透明坐標紙，可用于拍攝圖像尺寸標定；連續注氣系統、試驗段及高速攝像系統均放置于六自由度運動模擬平臺上，平臺可實現沿三個坐標軸的平移及轉動六個自由度的模擬運動。本發明專利技術為研究復雜海洋條件下氣泡運動特性提供了有效途徑。

【技術實現步驟摘要】
一種六自由度運動條件下氣泡動力學特性研究裝置及方法
本專利技術屬于多相流體動力學特性試驗研究領域，具體涉及一種六自由度運動條件下氣泡動力學特性研究試驗裝置及方法。
技術介紹
海洋核動力平臺是小型核反應堆與船舶工程的有機結合，可為偏遠島嶼提供安全、高效的能源供給，也可用于海洋石油開采、大功率船舶及海水淡化領域的供能，對中國開發利用新能源和海洋能源開發具有重大意義。核態沸騰是海洋核動力系統中常見的物理現象，在沸騰過程中，氣泡動力學特性會對流動、傳熱過程產生極大的影響。尤其是在海洋條件下，核動力平臺受海洋中風浪作用，會發生升潛、傾斜、搖擺等六個自由度運動，受海洋附加作用力影響，核動力系統會受到強烈的非線性擾動，氣泡動力學特性與靜止條件相比會發生顯著變化，導致系統流動傳熱特性發生變化，甚至會引發沸騰危機提前。因此，開展海洋條件下氣泡動力學研究對海洋核動力平臺的安全運行具有重要意義。目前國內外已開展了很多氣泡動力學特性研究，但研究多是針對于靜止狀態下開展的；并且少數在運動條件下開展的試驗也存在著運動條件單一、試驗控制精度較低的問題。例如，中國專利申請號201810135432.1，公開了一種兩相上升流體流動顯示實驗方法及實驗裝置。該方法采用雙通道套管注射針在氣泡內形成煙線顯示流場，并采用高速攝像結合PIV的方法對氣泡行為及流體流動行為進行研究。該實驗是基于靜止條件下開展的，并且實驗采用蠕動泵進行氣體注射，不可避免的會出現流量脈動。Liu等人開展了氣泡運動特性的可視化研究，但也僅是針對于靜止條件開展的，難以分析運動對氣泡運動特性的影響。也有學者開展了運動條件下氣泡運動特性研究。例如，付學寬開展的橫蕩條件下氣泡行為研究，但實驗僅在單自由度下開展，并且實驗采用氣泵注射空氣，在較小流量下，氣體流量會存在波動，難以精確控制。中國專利申請號201610533661.X，公開了一種運動條件下氣泡動力學可視化研究裝置，該專利技術可開展運動條件下自然循環及強迫循環流動沸騰過程氣泡行為研究，由于沸騰過程的復雜性，氣泡間會發生復雜的相互作用，該方法難以對單氣泡在大空間的運動機理進行深入分析。專利技術說明為了解決上述現有技術存在的缺點，本專利技術建立了一套六自由度運動條件下，氣泡動力學特性研究的可視化實驗裝置及方法，該裝置主要包括六自由度運動模擬平臺、連續注氣系統、透明試驗段、高速攝像系統及信號處理采集系統，可用于研究試驗段發生六自由度運動時內部氣泡的行為特性及運動機理。為了達到上述目的，本專利技術采用如下技術方案：一種六自由度運動條件下氣泡動力學特性研究試驗裝置，包括六自由度運動模擬平臺1，由高精度直線模組2、注射器3、流向控制管路4和毛細管接頭7組成的連續注氣系統，透明試驗段5，由高速攝像儀8和伺服模組相機架9組成的高速攝像系統及遠程計算機10；在連續注氣系統中，兩注射器3以相對的方向將柱塞桿末端固定于高精度直線模組2中心滑塊兩側；注射器3出口與流向控制管路4注射器接管連接，流向控制管路4出口端通過硅膠管連接毛細管接頭7末端；毛細管接頭7通過螺紋連接到透明試驗段5底部，該連續注氣系統能夠實現氣體連續穩定的注射；高速攝像儀8固定于伺服模組相機架9上，放置于透明試驗段5的一側，用于拍攝氣泡的運動行為；在透明試驗段5另一側放置一LED面板光源6，以滿足拍攝過程中的采光要求；高精度直線模組2、透明試驗段5、伺服模組相機架9均固定于六自由度運動模擬平臺1上，隨六自由度運動模擬平臺1一起運動。所述連續注射系統中高精度直線模組2包括直線導軌2-1、高精度伺服電機2-2、固定支架2-3和中心滑塊2-4，兩個注射器3相對放置，通過固定支架2-3固定于直線導軌2-1上，注射器柱塞桿末端固定于中心滑塊2-4兩側，在設置在直線導軌2-1上的高精度伺服電機2-2控制下，兩個注射器3連續交替進行吸排氣過程；注射器3出口連接硅膠管4-1，隨后管路被分成兩路，一路經正向安裝單向閥4-3到達出氣口，另一路經反向安裝單向閥4-2到達進氣口；當注射器3排氣時，氣體經正向安裝單向閥4-3和排氣口排出，此時反向安裝單向閥4-2起到密封作用；反之當注射器3吸氣時，氣體經吸氣口及反向安裝單向閥4-2進入，而正向安裝單向閥4-3起到密封作用；通過兩注射器3交替吸排氣，實現氣體連續的從進氣口吸入并從出氣口排出。所述毛細管接頭7包括一體化結構的鋁制外殼7-1，內部有一通孔，鋁制外殼7-1頂部帶有外螺紋，中間為凸臺結構，底部為寶塔型接頭，不銹鋼毛細管7-2由通孔穿過，采用環氧樹脂AB膠7-3進行固定和密封。所述透明試驗段5固定于六自由度運動模擬平臺1中心點處，采用有機玻璃加工而成，在底部中心位置開有螺紋孔，螺紋參數與毛細管接頭7外螺紋一致，透明試驗段5前側固定有不銹鋼直尺，用以確定透明試驗段內水位，透明試驗段底部側面設有排水閥13，透明試驗段5的頂部蓋板11上設置注水閥12，用于注水及調節試驗壓力，頂部蓋板11可拆卸，便于容器內部清洗。所述高速攝像儀8與LED面板光源6分置于透明試驗段5兩側；LED面板光源6表面貼有半透明坐標紙，用于氣泡尺寸的標定；高速攝像儀8通過螺紋連接固定于伺服模組相機架9上，能夠實現X、Y、Z三個方向位置調整。所述伺服模組相機架9包括直線導軌9-2，設置在直線導軌9-2上的相機托盤9-1以及與直線導軌9-2連接的伺服電機9-3，相機托盤9-1能夠沿直線導軌9-2作X、Y、Z三個自由度運動。所述高精度直線模組2、高速攝像儀8、伺服模組相機架9、六自由度運動模擬平臺1均通過局域網與遠程計算機10連接，實現遠程工況調節及數據采集。所述試驗系統對應的試驗方法，在開展六自由度運動條件下氣泡動力學特性研究試驗時，首先選取某一尺寸毛細管接頭7連接到透明試驗段5底部，開啟透明試驗段5頂部的注水閥12，按照試驗工況要求注入一定高度的去離子水；開啟LED面板光源6及高速攝像儀8，并設定高速攝像儀8的拍攝參數；開啟六自由度運動模擬平臺1，設定六自由度運動模擬平臺的運動形式及運動參數；調節高精度直線模組2，使空氣以一定的流速連續、穩定地從注射器排出；氣體經不銹鋼毛細管7-2進入透明試驗段5，在表面張力作用下，會形成球形氣泡并在不銹鋼毛細管7-2內表面不斷生長；待氣泡生長到一定尺寸，會從不銹鋼毛細管7-2內表面脫離，在透明試驗段5內作上升運動；在此試驗過程中，采用高速攝像系統拍攝氣泡產生、脫離及運動行為特性；試驗結束后，關閉高速攝像儀8及高精度直線模組2，并使六自由運動模擬平臺1恢復初始位置。和現有技術相比較，本專利技術具有以下優點：1、試驗裝置整體可實現沿三個坐標軸平移及轉動六個自由度運動，準確模擬典型的海洋條件，可開展六自由度運動條件下氣泡動力學特性研究；2、試驗采用高精度直線模組、注射器結合流向控制管路進行注氣，可實現連續、穩定、不間斷的注射氣體，控制精度高，并且通過注射器刻度可對注入氣體流量進行精確測量；3、高速攝像儀與透明試驗段均固定于運動平臺，實驗中兩者之間保持相對靜止，可有效避免相對位置變化時由于折射率變化引起的測量誤差，提高了測量精度；4、毛細管接頭與透明試驗段采用螺紋連接，更換方便，毛細管與接頭外殼采用環氧樹脂AB膠固定和密封，加工簡單，密封性好；5、通過數據線及局域網連接本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種六自由度運動條件下氣泡動力學特性研究試驗裝置，其特征在于：包括六自由度運動模擬平臺(1)，由高精度直線模組(2)、注射器(3)、流向控制管路(4)和毛細管接頭(7)組成的連續注氣系統，透明試驗段(5)，由高速攝像儀(8)和伺服模組相機架(9)組成的高速攝像系統及遠程計算機(10)；在連續注氣系統中，兩注射器(3)以相對的方向將柱塞桿末端固定于高精度直線模組(2)中心滑塊兩側；注射器(3)出口與流向控制管路(4)注射器接管連接，流向控制管路(4)出口端通過硅膠管連接毛細管接頭(7)末端；毛細管接頭(7)通過螺紋連接到透明試驗段(5)底部，該連續注氣系統能夠實現氣體連續穩定的注射；高速攝像儀(8)固定于伺服模組相機架(9)上，放置于透明試驗段(5)的一側，用于拍攝氣泡的運動行為；在透明試驗段(5)另一側放置一LED面板光源(6)，以滿足拍攝過程中的采光要求；高精度直線模組(2)、透明試驗段(5)、伺服模組相機架(9)均固定于六自由度運動模擬平臺(1)上，隨六自由度運動模擬平臺(1)一起運動。

【技術特征摘要】
1.一種六自由度運動條件下氣泡動力學特性研究試驗裝置，其特征在于：包括六自由度運動模擬平臺(1)，由高精度直線模組(2)、注射器(3)、流向控制管路(4)和毛細管接頭(7)組成的連續注氣系統，透明試驗段(5)，由高速攝像儀(8)和伺服模組相機架(9)組成的高速攝像系統及遠程計算機(10)；在連續注氣系統中，兩注射器(3)以相對的方向將柱塞桿末端固定于高精度直線模組(2)中心滑塊兩側；注射器(3)出口與流向控制管路(4)注射器接管連接，流向控制管路(4)出口端通過硅膠管連接毛細管接頭(7)末端；毛細管接頭(7)通過螺紋連接到透明試驗段(5)底部，該連續注氣系統能夠實現氣體連續穩定的注射；高速攝像儀(8)固定于伺服模組相機架(9)上，放置于透明試驗段(5)的一側，用于拍攝氣泡的運動行為；在透明試驗段(5)另一側放置一LED面板光源(6)，以滿足拍攝過程中的采光要求；高精度直線模組(2)、透明試驗段(5)、伺服模組相機架(9)均固定于六自由度運動模擬平臺(1)上，隨六自由度運動模擬平臺(1)一起運動。2.根據權利要求1所述的六自由度運動條件下氣泡動力學特性研究試驗系統，其特征在于：所述連續注射系統中高精度直線模組(2)包括直線導軌(2-1)、高精度伺服電機(2-2)、固定支架(2-3)和中心滑塊(2-4)，兩個注射器(3)相對放置，通過固定支架(2-3)固定于直線導軌(2-1)上，注射器柱塞桿末端固定于中心滑塊(2-4)兩側，在設置在直線導軌(2-1)上的高精度伺服電機(2-2)控制下，兩個注射器(3)連續交替進行吸排氣過程；注射器(3)出口連接硅膠管(4-1)，隨后管路被分成兩路，一路經正向安裝單向閥(4-3)到達出氣口，另一路經反向安裝單向閥(4-2)到達進氣口；當注射器(3)排氣時，氣體經正向安裝單向閥(4-3)和排氣口排出，此時反向安裝單向閥(4-2)起到密封作用；反之當注射器(3)吸氣時，氣體經吸氣口及反向安裝單向閥(4-2)進入，而正向安裝單向閥(4-3)起到密封作用；通過兩注射器(3)交替吸排氣，實現氣體連續的從進氣口吸入并從出氣口排出。3.根據權利要求1所述的六自由度運動條件下氣泡動力學特性研究試驗系統，其特征在于：所述毛細管接頭(7)包括一體化結構的鋁制外殼(7-1)，內部有一通孔，鋁制外殼(7-1)頂部帶有外螺紋，中間為凸臺結構，底部為寶塔型接頭，不銹鋼毛細管(7-2)由通孔穿過，采用環氧樹脂AB膠(7-3)進行固定和密封。4.根據權利要求1所述的六自由度運動條件下...

【專利技術屬性】
技術研發人員：田文喜，陳沖，王明軍，蘇光輝，秋穗正，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61