[发明专利]一种用于水下高压气体破冰实验的气枪装置

说明书

本发明属于船舶与海洋工程实验领域，主要应用于高压气体载荷破冰的流固耦合实验研究，具体涉及一种用于水下高压气体破冰实验的气枪装置。本发明实现了水下高压气源在压力和气量可调下的快速释放，同时可以产生预定形状的水下高压气泡。本发明的产生的高压气泡的压力可调，且可以通过控制气枪装置气缸的大小从而控制产生高压气泡体积。

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程实验领域，主要应用于高压气体载荷破冰的流固耦合实验研究，具体涉及一种用于水下高压气体破冰实验的气枪装置。

背景技术

随着北极航道以及极地资源开发的升温，对新型破冰技术的需求不断增加。传统的破冰方式，无外乎依仗其坚固的船体结构，强大的推进能力，以冲水系统和快速侧倾系统为辅助，通过与冰层的直接接触，依靠动力与自重野蛮地碾压冰块。高压气体破冰则有着根本性的革新，该机构在工作时先将空气尽可能的压缩，而后将高压空气发射到冰下，高压空气在水下迅速膨胀并释放能量，引发爆炸产生冲击波和空泡射流，对冰结构造成持续的破坏。高压气体破冰技术是一种高效优越的破冰方式，不但能提高航运的经济性，对节能减排，抑制温室效应同样有着不容小觑的作用。

高压气泡的作用机理如下：高压气泡在内部高压气体的推动下开始在水中快速地扩张。随着气泡内气体的逐渐膨胀，气泡内部的压力和温度开始逐渐降低。并且在水惯性的作用下气泡会出现过度扩张的现象，因此气泡内部压力会低于周围参考压力，气泡表面的负压力差会使得气泡的扩张停止，之后气泡半径就会达到最大值。随后，气泡开始收缩和溃灭。溃灭的整个过程是因为气泡内部压力低于气泡周围静水压力。这个过程会一直持续，直到气泡内部压力不断增大到超过周围的静水压而停止(惯性作用)。当气泡溃灭到最小半径时，此刻由于气泡内压远远大于周围的水介质压力，通常会产生压力波，或将其称之为压力脉冲，会对于冰面造成严重的毁伤作用

通过高压气体破冰机理实验研究该过程中的流固耦合问题，得到合理的压力载荷与冰层损伤模式，对于提高破冰船型的结构设计水平和航行安全性，具有重要的工程应用意义和科学理论价值。

在高压气体破冰实验中，高压气源的快速释放与形状控制是两大关键。在已有的水下高压气体实验技术中，专利申请号为201811168678.5的专利“一种气动式水下高压气泡源”，采用三个电磁阀联动控制释放高压气体作为气源，气枪结构较为复杂，且未考虑气枪外形对高压气体所形成气泡形状的影响，同时气枪枪头也未做处理，难以产生实验所需的气泡形状。现有的气体破冰实验装置存在许多不足：

(1)采用炸药作为气源，水下点火释放高压气体，不仅具有一定的危险性，而且实验成本高和操作难度大，不利于开展重复实验；

(2)采用电火花作为气源产生水下高压气泡，由于电压限制，难以产生尺寸较大的气泡，而且过高的实验电压也会存在安全隐患；

(3)采用高压气枪作为气源，对气枪外形和枪头考虑较少，难以产生理想的水下气泡形状，对于实验结果的测量与利用产生不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供可以调节水下高压气源的压力与气量，产生预定形状的水下高压气泡的一种用于水下高压气体破冰实验的气枪装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种用于水下高压气体破冰实验的气枪装置，包括压缩气缸、电磁阀和枪头，所述的压缩气缸的外壳与电磁阀的外壳相连；所述的电磁阀外壳上设有电缆接口，电磁阀内部设有隔板；所述的隔板一侧的空间与压缩气缸的交接，且在交接处开有通往压缩气缸的出气口，隔板另一侧空间的电磁阀内壁上设有电磁线圈，电磁线圈之间安装有电磁活塞；所述的压缩气缸设有高压气体接口，在连通压缩气缸与电磁阀的出气口处设有密封活塞；所述的电磁活塞通过传动连杆与压缩气缸内部的密封活塞相连，且传动连杆穿过电磁阀内部的隔板；所述的电磁活塞通过复位弹簧与电磁阀内部的隔板相连；所述的枪头安装在电磁阀的上且位于隔板与压缩气缸之间。

本发明还可以包括：