本發(fā)明屬于水力學實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)施，具體涉及一種定速旋轉(zhuǎn)物體穩(wěn)定高速變角度入水實驗裝置。

背景技術(shù)：

物體入水問題廣泛存在于日常生活和工程、科學研究等眾多領(lǐng)域，如返回艙入水、潛艇入水、飛機水面迫降、運動員跳水等，在理論和實際應(yīng)用方面具有重要的價值。物體入水過程雖然只是一個非常短暫的瞬態(tài)過程，但這個短暫的過程涉及強非線性自由面運動及破碎、湍流與漩渦、物體的運動與變形、物體與水的耦合相互作用等，使得此過程在運動體整個運動過程中占有極其重要的地位。由于高速運動物體，如魚雷、導(dǎo)彈等在運動過程中一般伴隨著著劇烈的旋轉(zhuǎn)，且當速度足夠大時，在進入水中后產(chǎn)生超空泡現(xiàn)象，使得高速旋轉(zhuǎn)運動物體入水研究在航空、水中兵器等領(lǐng)域具有極其重要意義。由于入水問題涉及到的運動十分復(fù)雜，現(xiàn)有的理論分析方法不能很好地對此物理過程準確分析，因此目前主要采用大量實驗研究數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬技術(shù)來測量預(yù)報近似數(shù)據(jù)。而實驗研究的數(shù)據(jù)常常又被用來與數(shù)值模擬結(jié)果對比以驗證數(shù)值模擬技術(shù)的準確性。因此物體入水試驗研究對入水問題的研究有不可取代的作用。1983年Greenhow 和Lin做了水平圓柱入水和楔形體入水的實驗。1990年，A.M.Worthington利用當時出現(xiàn)的閃光攝影技術(shù)，觀察入水物體落入不同液面時出現(xiàn)的飛濺和空泡現(xiàn)象。目前現(xiàn)有的物體入水實驗裝置一般都采用入水物體自由下落的方法來獲得物體入水初速度，且一般都不考慮物體的旋轉(zhuǎn)及入水角度問題，很難真實模擬如導(dǎo)彈、子彈頭、魚雷等高速旋轉(zhuǎn)物體的入水過程，使得與現(xiàn)實接近的高速旋轉(zhuǎn)物體變角度入水實驗數(shù)據(jù)缺乏，很難給這類物體的現(xiàn)實設(shè)計應(yīng)用提供有力可靠的依據(jù)。因此目前迫切需要一種實驗裝置以實現(xiàn)不同旋轉(zhuǎn)速度下入水物體以不同角度和不同初速度高速入水研究。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種旋轉(zhuǎn)物體穩(wěn)定高速變角度入水實驗裝置，其可穩(wěn)定釋放不同形狀的高速旋轉(zhuǎn)中的入水物體，且可精確控制物體的入水角度。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明包括透明水箱、由工控計算機控制連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及設(shè)置于透明水箱上方的入水物體釋放裝置，所述入水物體釋放裝置包括入水角度量角器以及與橫向支撐桿活動連接的氣體導(dǎo)桿，所述氣體導(dǎo)桿底端固定設(shè)置有入水物體旋轉(zhuǎn)裝置。

進一步的，所述入水物體旋轉(zhuǎn)裝置包括套接在氣體導(dǎo)桿底端的旋轉(zhuǎn)齒輪以及設(shè)有與旋轉(zhuǎn)齒輪相配合的旋轉(zhuǎn)頭的電機，所述旋轉(zhuǎn)齒輪與入水物體固定殼體固定連接。

進一步的，所述氣體導(dǎo)桿通過高壓氣管與氣體供應(yīng)裝置密封連接。

進一步的，所述氣體供應(yīng)裝置包括設(shè)有電磁開關(guān)閥的高壓氣瓶以及與高壓氣瓶相連的空氣壓縮機。

進一步的，所述入水物體固定殼體與入水物體相配合固定，所述入水物體為球體、錐體或者一端為可與入水物體固定殼體相配合的球體的物體等。

進一步的，所述入水物體固定殼體內(nèi)壁設(shè)有一層密封墊。

進一步的，所述入水角度量角器固定設(shè)置在氣體導(dǎo)桿上，所述橫向支撐桿上固定設(shè)有與入水角度量角器相配合的入水角度調(diào)節(jié)指針。

進一步的，所述入水角度量角器固定設(shè)置在橫向支撐桿上，所述氣體導(dǎo)桿上固定設(shè)有與入水角度量角器相配合的入水角度調(diào)節(jié)指針。

進一步的，所述橫向支撐桿的一端與氣體導(dǎo)桿鉸接連接，另一端與可拆卸套接設(shè)置在支撐柱上的升降套筒固定連接。

進一步的，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括由工控計算機控制連接的同步儀、激光發(fā)射器、高速攝像儀和高速照相機。

本發(fā)明的有益效果如下：

1.本發(fā)明所述入水物體旋轉(zhuǎn)裝置包括套接在氣體導(dǎo)桿底端的旋轉(zhuǎn)齒輪以及設(shè)有與旋轉(zhuǎn)齒輪相配合的旋轉(zhuǎn)頭的電機，所述旋轉(zhuǎn)齒輪與入水物體固定殼體固定連接，入水物體固定殼體與入水物體相配合，入水物體隨入水物體固定殼體同步轉(zhuǎn)動。并且，通過控制電機的轉(zhuǎn)速從而可以控制入水物體的旋轉(zhuǎn)速度，從而實現(xiàn)入水物體定速旋轉(zhuǎn)入水實驗。

2. 本發(fā)明所述氣體導(dǎo)桿通過高壓氣管與設(shè)有電磁開關(guān)閥的高壓氣瓶密封相連，高壓氣瓶與空氣壓縮機相連。通過控制空氣壓縮機工作使高壓氣瓶中形成負壓或正壓，負壓氣體吸住入水物體可以避免如之前機械夾持固定裝置釋放時的不穩(wěn)定抖動，使入水物體受力更加均勻釋放更加穩(wěn)定，還可防止物體在旋轉(zhuǎn)過程中脫落造成危險，同時可通過控制釋放氣壓使得入水物體得到很大的入水速度以開展高速旋轉(zhuǎn)體入水實驗。相比于其他入水物體釋放裝置，本發(fā)明通過氣體壓力控制入水物體的釋放，可根據(jù)實驗需要提供不同氣壓釋放入水物體，從而得到高的入水速度，還可有效減少入水物體與釋放端的摩擦，使得實驗人員更加精確地控制其入水速度。

3.本發(fā)明設(shè)置有入水角度量角器和與之相配合的入水角度調(diào)節(jié)指針，可準確調(diào)節(jié)物體入水角度，可順利開展物體多角度入水實驗。

4.本發(fā)明所述支撐柱上通過螺栓可拆卸套接設(shè)置有升降套筒，所述橫向支撐桿的一端焊接在升降套筒上，通過升降套筒可將入水物體釋放裝置設(shè)置在所需高度，靈活方便。

5.本發(fā)明所述入水物體固定殼體內(nèi)壁上設(shè)有一層密封墊，更好地實現(xiàn)入水物體與入水物體固定殼體之間的密封性，從而使得對入水物體與入水物體固定殼體接觸面光潔度的要求在一定程度上有所降低，有效降低實驗成本。

6本發(fā)明所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括與工控計算機相連接的同步儀，通過同步儀控制電磁式釋放裝置、高速攝影儀、高速照相機同時工作，可有效提高實驗的精確度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明入水物體釋放裝置的構(gòu)示意圖。

其中，1是電機；2是氣體導(dǎo)桿；3是入水角度量角器；4是橫向支撐桿；5是升降套筒；6是支撐柱；7是高壓氣管；8是旋轉(zhuǎn)齒輪；9是入水物體固定殼體；10是入水物體；11是透明水箱；12是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；13是電磁開關(guān)閥；14是高壓氣瓶；15是空氣壓縮機；16是工控計算機；17是入水角度調(diào)節(jié)指針；18是密封墊；19是旋轉(zhuǎn)頭。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明包括透明水箱11、由工控計算機16控制連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)12以及設(shè)置于透明水箱11上方的入水物體釋放裝置，其中透明水箱11為玻璃水箱或者透明塑料水箱，該透明水箱11放置在支架上，使得透明水箱11底部距離地面一定的高度。入水物體釋放裝置包括入水角度量角器3以及與橫向支撐桿4活動連接的氣體導(dǎo)桿2，氣體導(dǎo)桿2底端固定設(shè)置有入水物體旋轉(zhuǎn)裝置。其中橫向支撐桿4和氣體導(dǎo)桿2之間采用鉸接、栓桿、螺紋連接等方式，只要滿足以下條件即可：需要調(diào)節(jié)入水角度時可令氣體導(dǎo)桿2相對橫向支撐桿4轉(zhuǎn)動，角度調(diào)節(jié)完畢時，可將橫向支撐桿4和氣體導(dǎo)桿2固定鎖死以固定入水角度。入水角度量角器3和入水角度調(diào)節(jié)指針17的安裝優(yōu)選以下兩種方式，第一種：將入水角度量角器3焊接、螺釘固定連接等方式固定設(shè)置在氣體導(dǎo)桿2上，使得入水角度量角器3隨氣體導(dǎo)桿2一起轉(zhuǎn)動，將入水角度調(diào)節(jié)指針17配合固定設(shè)置在橫向支撐桿4上，用以指示轉(zhuǎn)動角度；第二種：將入水角度調(diào)節(jié)指針17焊接、螺釘固定連接等方式固定設(shè)置在氣體導(dǎo)桿2上，使得入水角度調(diào)節(jié)指針17隨氣體導(dǎo)桿2一起轉(zhuǎn)動，將入水角度量角器3配合固定設(shè)置在橫向支撐桿4上。但本發(fā)明中入水角度的測量并不限于上述方法和設(shè)備，只要能夠?qū)θ胨嵌冗M行精確測量即可。另外，橫向支撐桿4與可拆卸套接設(shè)置在支撐柱6上的升降套筒5固定連接。套接在支撐柱6上的升降套筒5上設(shè)置有鎖定部件，如螺栓等，擰緊鎖定部件可將升降套筒5固定在支撐柱6上的某一位置，擰松鎖定部件后升降套筒5可沿支撐柱6上下移動，從而對入水物體釋放裝置的高度進行調(diào)節(jié)。本發(fā)明數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)12的組成根據(jù)實驗需求而定，包括PIV測速系統(tǒng)等，一般包括由工控計算機16控制連接的同步儀、激光發(fā)射器、高速攝像儀和高速照相機。

如圖2所示，入水物體旋轉(zhuǎn)裝置包括套接在氣體導(dǎo)桿2底端的旋轉(zhuǎn)齒輪8，旋轉(zhuǎn)齒輪8的底部固定連接有入水物體固定殼體9，使得入水物體固定殼體9隨旋轉(zhuǎn)齒輪8同步同速轉(zhuǎn)動。由電機1帶動旋轉(zhuǎn)齒輪8轉(zhuǎn)動，電機1上設(shè)有與旋轉(zhuǎn)齒輪8相配合的旋轉(zhuǎn)頭19，通過控制電機1的轉(zhuǎn)速便可間接控制入水物體固定殼體9的轉(zhuǎn)速。需要說明的是，本發(fā)明入水物體旋轉(zhuǎn)裝置并不僅限于上述實施例，也可采用皮帶傳動、傳動輪組傳動等，只要能夠使得入水物體固定殼體9定速旋轉(zhuǎn)即可。另外，入水物體固定殼體9的形狀結(jié)構(gòu)根據(jù)入水物體10的形狀結(jié)構(gòu)而定，二者相互配合，保證二者可以密閉接觸，且接觸面不漏氣。入水物體10可以為球體、錐體或者一端為可與入水物體固定殼體相配合的球體的物體等。

如圖1所示，本發(fā)明中入水物體10的釋放利用氣壓控制方法，首先為保證控制系統(tǒng)的密閉性，在入水物體固定殼體9內(nèi)壁上設(shè)有一層密封墊18，不僅可以有效增強密封性能，還可以降低對入水物體10光潔度的要求，降低實驗成本。該控制系統(tǒng)包括入水物體固定殼體9、氣體導(dǎo)桿2、高壓氣管7、高壓氣瓶14以及空氣壓縮機15，氣體導(dǎo)桿2為具有密封空腔的導(dǎo)桿或者在導(dǎo)桿內(nèi)部設(shè)置高壓氣管，通過高壓氣管7與入水物體固定殼體9密封連接。高壓氣瓶14上設(shè)有可由工控計算機16控制的電磁開關(guān)閥13，通過空氣壓縮機15的運行狀況控制高壓氣瓶14內(nèi)的氣壓。本發(fā)明所適用的入水物體的釋放裝置并不僅僅限于上述實施例，還可以為利用電磁吸附原理的電磁釋放裝置，或者傳統(tǒng)的入水物體釋放方法。

實驗時，操作人員首先對整個裝置的氣密性進行檢查，然后對入水物體10的入水角度進行調(diào)節(jié)，再通過工控計算機16控制空氣壓縮機15運行，使得高壓氣瓶14處于負壓狀態(tài)。當其內(nèi)部負壓達到設(shè)定值后，控制高壓氣瓶14上的電磁開關(guān)閥13打開，此時高壓氣管7、氣體導(dǎo)桿2和入水物體固定殼體9內(nèi)部均處于負壓狀態(tài)。將入水物體10放入入水物體固定殼體9內(nèi)，在負壓作用下，入水物體10牢固吸附在入水物體固定殼體9中，關(guān)閉電磁開關(guān)閥13，自此在高壓氣管7、氣體導(dǎo)桿2和入水物體固定殼體9之間形成一個處于負壓狀態(tài)的密閉空間。通過工控計算機16控制電機1以設(shè)定轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)頭19帶動旋轉(zhuǎn)齒輪8同速轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)齒輪8帶動與其固定連接的入水物體固定殼體9同速轉(zhuǎn)動。同時，控制空氣壓縮機15運行，使高壓氣瓶14中形成高壓。待入水物體10達到實驗設(shè)定值穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，控制電磁開關(guān)閥13開啟，并控制高壓氣瓶14中的氣壓值及電磁開關(guān)閥13的開度，使得入水物體10得以以設(shè)定速度釋放。待入水物體10入水完成，各數(shù)據(jù)采集裝置數(shù)據(jù)采集完畢，本次實驗完成。本發(fā)明可對導(dǎo)彈、子彈頭、魚雷等高速旋轉(zhuǎn)物體的入水運動進行有效的模擬和研究。