一种多点电火花气泡生成装置及其使用方法

1.本发明属于爆炸毁伤研究技术领域，具体涉及一种多点电火花气泡生成装置及其使用方法。


背景技术：

2.随着海上冲突成为国际冲突的一种主要形式，水中作战起着越来越至关重要的作用，水中兵器在水下爆炸时，除了会向四周产生高频冲击波外，还会在高温高压气态爆轰产物的作用下形成爆炸气泡；对于近场水下爆炸情况，爆炸气泡会对附近的结构物体产生严重的破坏作用，除了气泡的膨胀收缩产生的脉动载荷外，气泡在坍塌阶段还会朝着结构产生高速的水射流，速度可达数十米甚至几百米，形成巨大的射流载荷。对于水下爆炸气泡载荷相关特性进行研究，揭示其产生以及演化机理，具有非常重要的现实意义
3.目前，水下爆炸气泡相关问题的研究主要针对单点爆炸气泡进行，单点爆炸气泡通常对结构物产生的毁伤效果不佳；而多点爆炸相比于单点爆炸存在许多优势，多点爆炸产生的载荷能够相互叠加，使得冲击波载荷及气泡载荷的冲量效应比同等药量的单点爆炸显著增加，并能有效提高爆炸能量转化为毁伤效应的效能，采用多点爆炸能够有效增强毁伤能力，明显扩大有效毁伤区域，大幅度提高爆炸能量的有效利用率；同时，多点爆炸还能提高局部区域或特定方向上毁伤元的强度，实现对毁伤精度的控制。当前对于水下爆炸气泡相关问题的试验研究通常在爆炸水箱或爆炸水池中进行，采用引爆炸药或火药的方式来生成爆炸气泡，而这种方法目前主要适用于对浅水爆炸气泡的研究，对于深水环境下气泡演化特性的研究，适应性较差，在实际深水环境中进行爆炸试验存在操作难度大、安全性差等一系列问题，同时由于炸药、火药等火工品的制造和使用受到国家管控，采用此方式进行水下爆炸试验会受到很多方面的条件限制，使得试验成本和难度大大增加。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种安装简单、操作便捷、实验过程易于观察、成本低、安全可靠的多点电火花气泡生成装置及其使用方法。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：
6.一种多点电火花气泡生成装置，包括立方体容器、容器盖板、导线螺纹管、n个纵向定位管、n个放电电极、导线、气门嘴、观察窗、测试装置安装孔、排水孔，
7.所述立方体容器顶部开孔，所述容器盖板连接于所述顶部开孔外，所述导线螺纹管穿过所述容器盖板伸入立方体容器内，所述纵向定位管的一端连接于立方体容器内的导线螺纹管，每个纵向定位管上连接有一个放电电极，所述导线穿过所述导线螺纹管后与放电电极连接，所述气门嘴设置于容器盖板上，所述立方体容器上设置有观察窗、测试装置安装孔、排水孔，所述n≥2。
8.进一步地，还包括压块螺母和螺母密封圈，所述压块螺母套设于所述导线螺纹管外并通过螺母密封圈紧固密封。
9.进一步地，还包括盖板垫圈和盖板紧固件，所述盖板垫圈位于容器盖板与所述立方体容器顶面之间，所述盖板紧固件穿过容器盖板、盖板垫圈和立方体容器以实现容器盖板的固定。
10.进一步地，所述盖板紧固件为螺栓。
11.进一步地，还包括n个电极底座，所述电极底座与纵向定位管连接，所述放电电极与所述电极底座固定连接。
12.进一步地，所述纵向定位管和纵向定位管上设置有刻度。
13.进一步地，还包括压力表和压力传感器，所述传感器安装于气门嘴处，所述压力表和压力传感器连接。
14.进一步地，还包括空气压缩机，所述空气压缩机与另一个气门嘴连接。
15.进一步地，还包括高压放电装置和高速摄像机，所述高压放电装置与导线连接，所述高速摄像机设置于立方体容器一侧。
16.根据上述的多点电火花气泡生成装置的使用方法，包括以下步骤：
17.第一步，将导线螺纹管穿过容器盖板，两块压块螺母分别从盖板两侧套在导线螺纹管上并压紧容器盖板，压块螺母与盖板之间使用螺母密封圈进行密封，调节导线螺纹管的轴向位置，使得导线螺纹管在立方体容器内的部分长度满足工况要求，后将压块螺母紧固，调整至合适的预紧力；
18.第二步，根据工况需要，选取预定数量的纵向定位管，将纵向定位管与导线螺纹管连接，并利用导线螺纹管上的刻度，调整纵向定位管的竖直方向位置，再将纵向定位管绕导线螺纹管旋转一预定角度，确定好其圆周方向位置，然后将纵向定位管与导线螺纹管固联；
19.第三步，根据工况需要，选取预定数量的放电电极，将放电电极正负极与电极底座通过螺栓相连接，调整正负电极的角度，使电极头部间距满足放电要求，然后拧紧螺栓；
20.第四步，将电极底座与纵向定位管连接，利用纵向定位管上的刻度，调整电极的水平位置，同时通过调整电极底座的角度，精准定位放电电极头部位置，后拧紧螺栓；
21.第五步，将导线从导线螺纹管上端穿入，下端穿出后与放电电极连接，做好正负极接线，利用防水胶做好导线绝缘，将导线的另一端连接至高压放电装置，并做好接地；导线螺纹管内灌满密封胶，对导线与导线螺纹管之间的缝隙进行填充，满足密封要求；
22.第六步，将两个气门嘴安装在容器盖板上；
23.第七步，将立方体容器放置在安全平坦的地方，将压力传感器安装于气门嘴处，然后从立方体容器顶部开孔加注水，需要根据试验工况需要控制注水量；
24.第八步，将第五步中连接安装好的容器盖板、导线螺纹管、纵向定位管、放电电极、导线、压块螺母、螺母密封圈、盖板垫圈和盖板紧固件部件整体通过顶部开孔放入立方体容器，容器盖板盖在容器上部开孔处，盖板与容器壁之间使用盖板垫圈，保障密封性，用盖板紧固件将容器盖板固定在立方体容器上，调整好预紧力，保证密封性；
25.第九步，将压力表与压力传感器连接，将空气压缩机连接到另一气门嘴，根据水深压力计算公式p＝ρgh，得到试验工况需要的水深下的压力大小，利用空气压缩机充入气体，使得压力表上的示数与计算得到的压力大小保持一致；
26.第十步，设置好高速摄像机，调整好高压放电装置的参数，按下放电按钮。
27.本发明采用小型密闭容器，在容器中加注一定量水后，通过充入空气来实现对深
水环境的模拟。采用导线螺纹管作为容器内放电电极的载体，通过调节导线螺纹管的轴向位置实现对电极高度的控制。采用多个放电电极，实现多点气泡的生成，并利用纵向定位管对各电极的相对位置进行调整
28.本发明与现有技术相比，其显著优点为：
29.1、立方体容器为密闭腔体，顶端设置两个气门嘴，在进行模拟试验时，立方体容器内留有一部分空气，能够使用空气压缩机通过一个气门嘴充入一定的空气，对容器内部进行增压，实现模拟深水环境压力的需求，另一个气门嘴进行压力实时测量，便于控制模拟水深压力的大小；
30.2、采用导线螺纹管这一零件进行纵向支撑与定位，通过调整压块螺母，可以控制导线螺纹管的上下移动，从而可以调节放电部分的整体高度，实现调节爆炸气泡与水面之间距离的作用；
31.3、放电电极正负极安装在电极底座上，两个电极间距可调，可以实现对放电模块参数的控制，电极底座可在纵向定位管上平移和旋转，纵向定位管可在导线螺纹管上平移和旋转，通过这一设定可以实现对放电电极位置的细微调节；同时可以根据工况需要设置不同数量的放电电极，来实现多点气泡生成；
32.4、本试验装置采用立方体容器，受力相对均匀，安装固定比较方便，可以在任意水平地面上进行模拟不同水深环境下的电火花气泡试验。
33.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
34.图1为本发明多点电火花气泡生成装置结构示意图。
35.图2为本发明多点电火花气泡生成装置的局部剖视图。
36.图3为本发明多点电火花气泡生成装置的正等轴测图。
37.图4为本发明多点电火花气泡生成装置的使用示意图。
具体实施方式
38.本模拟不同水深环境下的聚能射流试验装置中柱形容器采用金属材料，只需要使得容器强度能够承受最大加压压力即可；不计及爆炸冲击载荷下的柱形容器壁厚δ
e
由以下公式确定：
[0039][0040]
其中，r为容器筒体的直径；
[0041]
pc为最大加压压力；
[0042]
σ
t
为容器材料的许用应力；
[0043]
δ
e
为容器壁厚m。
[0044]
结合图1
‑
4，一种多点电火花气泡生成装置,包括立方体容器1、容器盖板2、导线螺纹管5、2个纵向定位管8、2个放电电极9、导线11、气门嘴12、观察窗13、测试装置安装孔14、排水孔15，
[0045]
所述立方体容器1顶部开孔，所述容器盖板2连接于所述顶部开孔外，所述导线螺
纹管5穿过所述容器盖板2伸入立方体容器1内，所述纵向定位管8的一端连接于立方体容器1内的导线螺纹管5，每个纵向定位管8上连接有一个放电电极9，所述导线11穿过所述导线螺纹管5后与放电电极9连接，所述气门嘴12设置于容器盖板2上，所述立方体容器1上设置有观察窗13、测试装置安装孔14(一些其他通用型测试、信号采集装置可通过此安装孔装入容器内部)、排水孔15。
[0046]
进一步地，还包括压块螺母6和螺母密封圈7，所述压块螺母6套设于所述导线螺纹管5外并通过螺母密封圈7紧固密封。
[0047]
进一步地，还包括盖板垫圈3和盖板紧固件4，所述盖板垫圈3位于容器盖板2与所述立方体容器1顶面之间，所述盖板紧固件4穿过容器盖板2、盖板垫圈3和立方体容器1以实现容器盖板2的固定。
[0048]
进一步地，所述盖板紧固件4为螺栓。
[0049]
进一步地，还包括2个电极底座10，所述电极底座10与纵向定位管8连接，所述放电电极9与所述电极底座10固定连接。
[0050]
进一步地，所述纵向定位管8和纵向定位管8上设置有刻度。
[0051]
进一步地，还包括压力表19和压力传感器，所述传感器安装于气门嘴12处，所述压力表19和压力传感器连接。
[0052]
进一步地，还包括空气压缩机17，所述空气压缩机17与另一个气门嘴12连接。
[0053]
进一步地，还包括高压放电装置18和高速摄像机16，所述高压放电装置18与导线11连接，所述高速摄像机16设置于立方体容器1一侧
[0054]
在进行试验时，需要遵循一定操作步骤。
[0055]
第一步，将导线螺纹管5穿过容器盖板2，两块压块螺母6分别从盖板2两侧套在导线螺纹管5上并压紧容器盖板2，压块螺母6与盖板2之间使用螺母密封圈7进行密封，调节导线螺纹管5的轴向位置，使得导线螺纹管5在立方体容器1内的部分长度满足工况要求，后将压块螺母6紧固，调整至合适的预紧力。
[0056]
第二步，根据工况需要，选取合适数量的纵向定位管8，将纵向定位管8通过端部的耳片与导线螺纹管5连接，并利用导线螺纹管5上的刻度，调整纵向定位管8的竖直方向位置，再将纵向定位管8绕导线螺纹管5旋转一定角度，确定好其圆周方向位置，其后拧紧纵向定位管8端部耳片上的螺栓，使其与导线螺纹管5固联。
[0057]
第三步，根据工况需要，选取合适数量的放电电极9，将放电电极9正负极与电极底座10通过螺栓相连接，调整正负电极的角度，使其电极头部间距满足放电要求，然后拧紧螺栓。
[0058]
第四步，将电极底座10与纵向定位管8连接，利用纵向定位管8上的刻度，调整电极的水平位置，同时可以通过调整电极底座10的角度，精准定位放电电极9头部位置，后拧紧螺栓。
[0059]
第五步，将导线11从导线螺纹管5上端穿入，下端穿出后与放电电极9进行连接，做好正负极接线，利用防水胶做好导线11绝缘，将导线11的另一端连接至高压放电装置18，并做好接地；导线螺纹管5内灌满密封胶，对导线11与螺纹管5之间的缝隙进行填充，满足密封要求。
[0060]
第六步，将两个气门嘴12安装在容器盖板2上。
[0061]
第七步，将立方体容器1放置在安全平坦的地方，通过测试装置安装孔14(一些其他通用型测试、信号采集装置，可以通过此安装孔14进入容器内部)安装好测试用传感器，后从立方体容器1顶部开口加注水，需要根据试验工况需要控制一定的注水量，但同时注水高度需满足一定条件，至少为立方体容器1高度的5/8，并且不超过7/8。
[0062]
第八步，将第一步至第六步中连接好的部件整体通过顶部开孔放入立方体容器1，容器盖板2盖在容器上部开孔处，盖板2与容器壁之间使用盖板垫圈3，保障密封性，用螺栓将容器盖板2固定在立方体容器1上，调整好合适的预紧力，保证密封性达到最佳。
[0063]
第九步，将压力表19安装到一侧的气门嘴12，将空气压缩机17连接到另一侧的气门嘴12上；根据水深压力计算公式p＝ρgh，得到试验工况需要的水深下的压力大小；利用空气压缩机充入气体，使得压力表上的示数与计算得到的压力大小保持一致。
[0064]
第十步，设置好高速摄像机16，调整好高压放电装置18及传感器采集装置的参数，按下放电按钮。
[0065]
实施例1：
[0066]
立方体容器1的材料为q235，壁厚为0.01m，长*宽*高尺寸为0.8m*0.8*1m；观察窗尺寸为0.4m*0.4m，厚度为0.01m，材料采用亚克力；导线螺纹管5外径16mm，内径8mm，长度为1m，材料采用45钢，控制导线螺纹管5伸入立方体容器1内的长度为0.8m；放电电极9采用钨电极，电极底座10与纵向定位管8采用45钢材料，将正负电极安装在电极底座10上后，调节正负极间距为2.5mm，根据刻度调节电极底座10在纵向定位管8上的位置，使放电电极9尖端距离导线螺纹管5轴线距离为0.2m；将纵向定位管8安装在导线螺纹管5上，根据导线螺纹管5上的刻度调节纵向定位管8的上下位置，使放电电极9尖端与立方体容器1上壁面距离为0.5m；立方体容器1内注水高度为0.7m，使用空气压缩机通过气门嘴12充入气体，使容器内压力达到0.8mpa。
[0067]
实施例2：
[0068]
立方体容器1的材料为q235，壁厚为0.01m，长*宽*高尺寸为0.8m*0.8*1m；观察窗尺寸为0.4m*0.4m，厚度为0.01m，材料采用亚克力；导线螺纹管5外径16mm，内径8mm，长度为1m，材料采用45钢，控制导线螺纹管5伸入立方体容器1内的长度为0.8m；放电电极9采用钨电极，电极底座10与纵向定位管8采用45钢材料；在一根纵向定位管8上安装两个电极底座10，将两个放电电极9分别安装在各自的电极底座10上后，调节正负极尖端间距均为2.5mm，根据刻度调节电极底座10在纵向定位管8上的位置，使放电电极91尖端距离导线螺纹管5轴线距离为0.2m，放电电极92尖端距离导线螺纹管5轴线距离为0.25m，根据导线螺纹管5上的刻度调节纵向定位管8的上下位置，使放电电极9尖端与立方体容器1上壁面距离为0.5m；立方体容器1内注水高度为0.7m，使用空气压缩机通过气门嘴12充入气体，使容器内压力达到1mpa。
[0069]
实施例3：
[0070]
立方体容器1的材料为q235，壁厚为0.01m，长*宽*高尺寸为0.8m*0.8*1m；观察窗尺寸为0.4m*0.4m，厚度为0.01m，材料采用亚克力；导线螺纹管5外径16mm，内径8mm，长度为1m，材料采用45钢，控制导线螺纹管5伸入立方体容器1内的长度为0.8m；放电电极9采用钨电极，电极底座10与纵向定位管8采用45钢材料；使用2根纵向定位管8，每个纵向定位管8上各自安装一个电极底座10，将两个放电电极9分别安装在各自的电极底座10上后，调节正负
极尖端间距均为2.5mm，根据刻度调节电极底座10在纵向定位管8上的位置，使放电电极91和放电电极92尖端距离导线螺纹管5轴线距离均为0.2m，根据导线螺纹管5上的刻度调节纵向定位管8的上下位置，使放电电极91尖端与立方体容器1上壁面距离为0.5m，放电电极91尖端与立方体容器1上壁面距离为0.55m，并且两个电极上下排列，竖直方向距离为0.05m；立方体容器1内注水高度为0.8m，使用空气压缩机通过气门嘴12充入气体，使容器内压力达到2mpa。
[0071]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。