[发明专利]一种六自由度运动条件下气泡动力学特性研究装置及方法

权利要求书

1.一种六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置，其特征在于：包括六自由度运动模拟平台(1)，由高精度直线模组(2)、注射器(3)、流向控制管路(4)和毛细管接头(7)组成的连续注气系统，透明试验段(5)，由高速摄像仪(8)和伺服模组相机架(9)组成的高速摄像系统及远程计算机(10)；在连续注气系统中，两注射器(3)以相对的方向将柱塞杆末端固定于高精度直线模组(2)中心滑块两侧；注射器(3)出口与流向控制管路(4)注射器接管连接，流向控制管路(4)出口端通过硅胶管连接毛细管接头(7)末端；毛细管接头(7)通过螺纹连接到透明试验段(5)底部，该连续注气系统能够实现气体连续稳定的注射；高速摄像仪(8)固定于伺服模组相机架(9)上，放置于透明试验段(5)的一侧，用于拍摄气泡的运动行为；在透明试验段(5)另一侧放置一LED面板光源(6)，以满足拍摄过程中的采光要求；高精度直线模组(2)、透明试验段(5)、伺服模组相机架(9)均固定于六自由度运动模拟平台(1)上，随六自由度运动模拟平台(1)一起运动。

2.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置，其特征在于：所述高精度直线模组(2)包括直线导轨(2-1)、高精度伺服电机(2-2)、固定支架(2-3)和中心滑块(2-4)，两个注射器(3)相对放置，通过固定支架(2-3)固定于直线导轨(2-1)上，注射器柱塞杆末端固定于中心滑块(2-4)两侧，在设置在直线导轨(2-1)上的高精度伺服电机(2-2)控制下，两个注射器(3)连续交替进行吸排气过程；注射器(3)出口连接硅胶管(4-1)，随后管路被分成两路，一路经正向安装单向阀(4-3)到达出气口，另一路经反向安装单向阀(4-2)到达进气口；当注射器(3)排气时，气体经正向安装单向阀(4-3)和排气口排出，此时反向安装单向阀(4-2)起到密封作用；反之当注射器(3)吸气时，气体经吸气口及反向安装单向阀(4-2)进入，而正向安装单向阀(4-3)起到密封作用；通过两注射器(3)交替吸排气，实现气体连续的从进气口吸入并从出气口排出。

3.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置，其特征在于：所述毛细管接头(7)包括一体化结构的铝制外壳(7-1)，内部有一通孔，铝制外壳(7-1)顶部带有外螺纹，中间为凸台结构，底部为宝塔型接头，不锈钢毛细管(7-2)由通孔穿过，采用环氧树脂AB胶(7-3)进行固定和密封。

4.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置，其特征在于：所述透明试验段(5)固定于六自由度运动模拟平台(1)中心点处，采用有机玻璃加工而成，在底部中心位置开有螺纹孔，螺纹参数与毛细管接头(7)外螺纹一致，透明试验段(5)前侧固定有不锈钢直尺，用以确定透明试验段内水位，透明试验段底部侧面设有排水阀(13)，透明试验段(5)的顶部盖板(11)上设置注水阀(12)，用于注水及调节试验压力，顶部盖板(11)可拆卸，便于容器内部清洗。

5.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置，其特征在于：所述高速摄像仪(8)与LED面板光源(6)分置于透明试验段(5)两侧；LED面板光源(6)表面贴有半透明坐标纸，用于气泡尺寸的标定；高速摄像仪(8)通过螺纹连接固定于伺服模组相机架(9)上，能够实现X、Y、Z三个方向位置调整。

6.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置，其特征在于：所述伺服模组相机架(9)包括直线导轨(9-2)，设置在直线导轨(9-2)上的相机托盘(9-1)以及与直线导轨(9-2)连接的伺服电机(9-3)，相机托盘(9-1)能够沿直线导轨(9-2)作X、Y、Z三个自由度运动。

7.根据权利要求1所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置，其特征在于：所述高精度直线模组(2)、高速摄像仪(8)、伺服模组相机架(9)、六自由度运动模拟平台(1)均通过局域网与远程计算机(10)连接，实现远程工况调节及数据采集。

8.权利要求1至7任一项所述的六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置对应的试验方法，其特征在于：在开展六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验时，首先选取某一尺寸毛细管接头(7)连接到透明试验段(5)底部，开启透明试验段(5)顶部的注水阀(12)，按照试验工况要求注入一定高度的去离子水；开启LED面板光源(6)及高速摄像仪(8)，并设定高速摄像仪(8)的拍摄参数；开启六自由度运动模拟平台(1)，设定六自由度运动模拟平台的运动形式及运动参数；调节高精度直线模组(2)，使空气以一定的流速连续、稳定地从注射器排出；气体经不锈钢毛细管(7-2)进入透明试验段(5)，在表面张力作用下，会形成球形气泡并在不锈钢毛细管(7-2)内表面不断生长；待气泡生长到一定尺寸，会从不锈钢毛细管(7-2)内表面脱离，在透明试验段(5)内作上升运动；

在此试验过程中，采用高速摄像系统拍摄气泡产生、脱离及运动行为特性；试验结束后，关闭高速摄像仪(8)及高精度直线模组(2)，并使六自由运动模拟平台(1)恢复初始位置。