[发明专利]液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置

说明书

本发明提供一种液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，包括光电开关、液体光致击穿诱发空化泡控制组件、空气泡释放控制组件、水槽、高速摄像机、计算机，所述光电开关由激光模组和光敏电阻传感器组成，所述液体光致击穿诱发空化泡控制组件由激光器，扩束镜，反射镜，聚焦透镜组成，所述空气泡发生组件由空气注射泵、与空气注射泵的输出端连接的软管、连接在软管末端的针头组成。该实验装置可用于空化泡与空气泡的系统性同步研究，为细观层面掺气减蚀机理的研究提供了新的方便有效的实验装置和方法。

技术领域

本发明属于空泡动力学领域，具体涉及一种空化泡与空气泡的同步实验装置。

背景技术

空化作为一种水动力学现象广泛存在于水利、船舶、医疗等行业，对空化泡的研究起源于工程中的空蚀现象。国内外大量的水利水电工程的高、中水头泄水建筑物中的一些部位，经常会发生材料剥蚀破坏的现象，这种现象称为空蚀。水利行业中，为减免空蚀的危害，多采用掺气措施，国内外的研究设计和实践都已表明，该措施经济有效，且工程形式简单、减蚀效果明显。虽然掺气措施被广泛应用，但是，关于掺气减蚀机理目前大多停留在假想层面，缺乏细观层面的实验数据支撑。而空化泡的全生命(低压电火花空泡的生命周期约为1～3ms)过程伴随着自身的膨胀、收缩、溃灭、回弹震荡等力学行为，如微射流和冲击波。研究掺气过程中空化泡与空气泡间的相互作用对更有效的掺气减蚀具有重要意义。

目前空化泡的产生方法，主要有水下高电压放电、水下低电压放电、液体光致击穿等方法。液体光致击穿是利用激光的液体光致击穿效应产生空化泡。强激光束的能量密度超过液体的击穿阀值时，液体会被“光学击穿”，在击穿区域的水电离形成高温高压的等离子体，等离子体吸收后续激光能量向外膨胀形成超音速的等离子冲击波，同时由于高温致使液体汽化产生空化泡。该方法由于具有球对称性好、易于控制且无机械形变的优点，成为研究空泡动力学的有效手段。

由于掺气减蚀涉及多个研究领域，而且对实验设备要求苛刻，比如，空化泡溃灭时间的量级约为10^-4s，研究该过程就需要采用频率达10⁵帧/秒或更高的高速摄影设备；空气泡与空化泡产生的相对时刻与相对位置难以控制，实验研究难度较大。仅有的少量文献采用涂抹石蜡的绳子上预先粘附气泡再在气泡旁产生空化泡，这种方法对空化泡与空气泡的演变形态以及力学行为有很大的干扰。因此目前对掺气减蚀微观机理的研究仍然处于初步探索阶段，缺少切实可靠的的实验装置和数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，用于空化泡与空气泡的系统性研究，为细观层面掺气减蚀机理的研究提供了新的方便有效的实验装置和方法。

针对以上发明目的，本发明提供一种液体光致击穿诱发空化泡与空气泡的同步实验装置，包括光电开关、液体光致击穿诱发空化泡控制组件、空气泡释放控制组件、水槽、高速摄像机、计算机，所述光电开关由激光模组和光敏电阻传感器组成，所述液体光致击穿诱发空化泡控制组件由激光器，扩束镜，反射镜，聚焦透镜，所述空气泡发生组件由空气注射泵、与空气注射泵的输出端连接的软管、连接在软管末端的针头组成；

所述光电开关的光敏电阻传感器同时与激光器和高速摄像机电连接，同时控制激光器和高速摄像机的工作电路连通，所述激光模组安装在与光敏电阻传感器的信号接收端相对的位置，且激光模组和光敏电阻传感器位于水槽外两侧，使得激光模组发出的激光射线穿过水槽水体入射到光敏电阻传感器上；所述液体光致击穿诱发空化泡控制组件中，所述扩束镜位于激光器的出射光路上，将激光器发出的脉冲激光扩束为激光束，所述反射镜位于激光束光路上，使激光束的向下垂直于水槽中水面传播，并经过聚焦透镜聚焦至水体中设定的液体光致击穿位置，产生空化泡；所述空气泡发生组件的针头固定于水槽底部，其安装位置使得逸出的空气泡在水体中上升并穿过激光模组发出的激光射线，使光敏电阻传感器接收到的光强发生变化，从而同时触发高速摄像机和激光器通电工作；所述高速摄像机与计算机连接，实时获取高速摄像机的拍摄影像。