[发明专利]一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置和方法

说明书

本发明提供了一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置和方法，装置包括智能数据采集系统、轨道式观测支架、气泡冲击仰视与斜视观测记录系统、实时控温透明水箱、水平隔板、气泡冲击侧视观测打光设备、气泡冲击仰视与斜视观测打光设备、铝板、海冰试样、气泡冲击侧视观测记录系统、限位组件、反光观测镜、水箱水压控制系统、遥控温度控制面板和电源；遥控温度控制面板控制实时控温透明水箱内水温，电源为电火花气泡发生器供电，电火花气泡发生器产生气泡对铝板上的海冰试样破坏。本发明提供监测气泡除冰的实验装置，通过试验得到利用气泡能量去除结构物表面冰时的裂纹产生、扩展及破坏过程，观察具有规律性的宏观破坏模式。

技术领域

本发明属于气泡除冰技术领域，尤其是涉及一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置和方法。

背景技术

近年来，极地地区丰富的矿物能量资源掀起了研究领域的新浪潮，人们开始对极地资源的开发和利用投入大量的关注。而极地船和极地海洋平台作为重要的科考基础装备，其建造的安全性、可靠性等问题的研究是极地科考领域的一项重要技术支撑。为了确保极地科考船和极地海洋平台的安全性，与海冰有关的问题需要进行研究。除冰技术已经引起越来越多的关注，在极地恶劣条件下的环境气候中，湿冷的海气团、多浓的海雾、暴风雪等极端气候形成了海冰，附着在极地船舶和海洋平台上的海冰对这些极地装备的正常工作和运转造成了极大的威胁，可能会引起航行事故、工作人员的生命安全。因此，对于海冰的破坏机理以及防冻除冰技术的研究分析在极地海冰研究领域中有着重要的意义。

除冰技术根据除冰方式通常分为主动除冰和被动除冰。主动除冰方法通常从外力中吸收大量能量和资源，包括机械，电加热，红外线；而被动除冰方法几乎不会通过使用涂料本身来防止冰凝结，结合风或重力来除冰而消耗能量。目前，最常用的除冰技术是化学除冰，电热除冰，气动除冰，电振荡除冰和电脉冲除冰。电加热除冰的方法是通过使用电阻线等加热元件装置作为热源将冰层融化去除，其工作原理是将发电机的电能转化为热能，其优点是除冰的过程快捷方便，缺点是在能量的转化过程中，能量损耗较多，且较易发生二次结冰的情况；高速热流除冰方法是通过喷射高压蒸汽水来融化结构表面的冰层，其优点是产生的能量可被发动机、锅炉等设备循环利用，缺点是对覆冰材料有限制，不适用于热敏感性材料和脆性材料；化学物质除冰的方法一般是用于积雪道路上，采用喷洒和涂抹融冰的化学产品如氯化钙、尿素等等来融化冰，其缺点是腐蚀设备和污染环境。与传统方法相比，使用气泡可以破冰，另一个优点是气泡可以由多种来源产生，例如水下放电或压缩空气等。因此，可以使用气泡这样的清洁和可再生的能量，该过程可以更加环保。

目前，国内外对各种情况下除冰技术的探究很多，大多数集中于飞机、路面和高压输电线的除冰试验。张东来、许培仪基于夹心式换能器、超声波发生器搭配使用，采用非热力学、低功耗的除冰方式，利用超声导波剪切应力应力实现除冰，可以根据覆冰状态确定夹心式换能器的安装位置和间距，提高除冰效力。李海涛、于雁武研制了一种高压线压缩空气冲击除冰装置，利用压缩空气存储器内储存的高压气体除冰，有效去除覆冰。但对于去除极地船舶结构和海洋平台的覆冰的研究并不多见。因此，利用水下放电或压缩空气产生气泡破冰的新型清洁、环保的试验研究十分必要，对于监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置和方法也有着重要意义。

一般对超声除冰的试验研究较多，而对于监测电火花产生气泡去除结冰结构物表面冰层的裂纹扩展特性的研究较少，仅采用单一的试验设备不能满足本试验的需求。为了进一步提高对气泡除冰的裂纹扩展的认识，因此有必要设计一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置及测试方法。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种监测气泡除冰的裂纹扩展特性的实验装置和方法，本发明采用水下电火花气泡产生装置，提供针对监测气泡除冰的实验装置，并通过试验得到利用气泡能量去除结构物表面冰时的裂纹产生、扩展及破坏过程，观察得到具有规律性的宏观破坏模式。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：