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高速工业相机在超空泡流体控制中的应用
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时间:2015-04-10 15:40:13

        用高速工业相机记录系统观察一支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。

        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,在高速工业相机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。下图就是高速工业相机记录处理系统下空泡的形态和侵蚀的效果图。

空泡形态

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工业相机技术。

        目前,高速工业相机记录处理系统可以很好的满足超空泡研究中的高速工业相机和回放的需求。其中,采用的FastCamera40相机是美国FastVision采用最新CMOS传感器研制的高速工业相机产品。

        该相机全局电子快门、高速可扩展的集成FPGA及内存子系统,拥有独立的高速图像处理功能。当相机与图像采集卡或coprocessor board集成时,相机系统性能可根据用户的具体需求通过增加处理器和内存进行扩展。另外,除了CameraLink接口外,用户还可以选择USB2.0版本,同样可以满足相机全速率捕捉图像的需求。非常适合科研、军工、航天等高性能应用需求。

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