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高速摄影在超空泡流体控制中的应用

rocketech  发表于 2016/3/4 11:04:47      519 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

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用高速摄影记录系统观察一支AK步枪在水里射击的情形,开枪瞬间,枪口喷出火药产生的气体,穿过该团气体后,子弹似乎是包裹在一个巨大的气泡里。随后子弹迅速减速,气泡急剧收缩,压缩到一定程度再次膨胀,如此反复。包裹子弹的那层气体,就是空泡。 

 

1 AK步枪在水中射击的情形

 

产生空泡的原因是,常温液体水在低压下变成了气体。一开始,水中的子弹运动速度非常快,根据伯努利定律,流体速度越快,压强就越小,它的表面就会有一层水因为压强很低满足气化的条件变成气体,也就是前面描述的高速子弹在水中的气泡。
    人们对空泡效应了解最多的是在船舶螺旋桨的设计上。因为螺旋桨的转速快,在桨叶的末端很可能达到产生空泡的临界速度而产生了小气泡,在高速摄影记录处理系统下可以看到,这些小气泡会压缩膨胀破裂,释放出很高的能量,最终严重破坏螺旋桨。下图就是高速摄影记录处理系统下空泡的形态和侵蚀的效果图。

 

螺旋桨尾的空泡效果

 

空泡侵蚀效果图


设计师们想了很多办法来避免和减少空泡造成的危害。但也有需要利用空泡现象的时候,水的密度是空气的800多倍,在水里运动的阻力比在空气中大得多,既然水中高速运动的物体会有空泡包裹,就相当于脱离了水的束缚,来到了自由的气体中,可以达到极大的速度。将螺旋桨产生的那种叫片状空泡连在一起,当片状空泡连接成了一个整体,像包裹子弹的外壳那样,就叫超空泡。

但是,要维持一个稳定的超空泡实在是不容易。在超空泡中的物体,实际上是在气体和液体的边界上运动,各种扰动都会造成失稳。正像水中的子弹一样,迅速翻滚失去速度,仅仅掉在一两米外的地方。另外,还要想办法维持物体的高速,否则超空泡就无法形成。

为了进行空泡和超空泡研究,不仅要有高速水洞,还要有能观察的超空泡形成和存在状态的高速摄影技术。下图是前苏联在高速水洞中进行超空泡实验的高速图像记录。   

 


图4 超空泡实验的高速图像记录

 

湖南科天健光电技术有限公司的高速摄像记录处理系统可以很好的满足超空泡研究中的高速摄影和回放的需求。其中,采用的CP80-3-M-540相机是德国Optronis采用最新CMOS传感器研制的高速相机产品。该相机采用CoaXPress数据接口,非常适合科研、军工、航天等高性能应用需求。

高速摄像记录处理系统由高速相机CP80-3-M-540、采集卡、工控机以及高速存储软件组成,全分辨率1969×1710下,帧率为540帧/秒,对感兴趣区间进行“开窗”,在1200×1200分辨率下,帧率为 1000帧/秒,480*480分辨率下,帧率为5000帧/秒。1.3T左右可存15min。高帧率的长时间拍摄的高速摄像记录处理系统,为研究分析超空泡流体控制提供了可靠的技术支持。

 

产品优势

     1、高帧率,回放时间精度更精细
      2、记录处理系统化,处理性能高
      3、高分辨率,高精度把握更多细节
      4、CoaxPress高速传输

 

技术参数

    1、高分辨率:1696*1710
    2、全帧分辨率下可达540帧/秒
    3、多种分辨率选择提高帧率1000fps@1200*1200,5000fps@480*480
    4、相机彩色/黑白可选
    5、全局式快门,拍摄高速运动或现象图像无模糊
    6、正常动态范围为60dB,采用多段曝光模式时,提高相机的动态达90dB
    7、CoaxPress高速最高传输带宽能达到781MBps

 


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