PDF《加热球体入水空泡实验研究 李佳川 魏英杰 王聪 邓环宇》

10 h 以上, 实验时水温即为室温 Tw =

17 ? C, 水深为0.8 m. 加热设备采用型号为 SX2-2.5-10 的马弗炉, 尺 寸为

200 mm *

120 mm *

80 mm, 并通过镍硅热 电偶外接精度为

1 ? C 的温度控制器, 所能达到的 最高温度为

1000 ? C. 该设备的控温方式为通断式 控温, 即当温度达到设定温度时停止加热, 当温度 低于设定温度时开始加热. 由于温度的升高与降低 都有一个缓冲的过程, 因此加热时偏离设定温度的 幅度较大. 为了使温度稳定, 人为观察温度值进行 通断电操作, 经过反复试验, 能够使加热温度稳定 在设定温度的±3 ? C范围内. 达到设定温度后维持

30 min, 当实时温度显示为设定温度时立即用坩埚 钳将球体取出, 并快速释放. 加热球体在空气中的 冷却速度较慢, 且球体在空气中历经的时间较短, 因此本实验可以忽略球体在空气中降温的影响. 图1实验系统示意图 Fig. 1. Schematic of the water-entry experiment. 实验采用 Photron FASTCAM SA-X 型高速 摄像机对球体入水现象进行拍摄, 拍摄帧率为

2000 fps. 为达到良好的光照效果, 实验中使用一 组9 *

500 W的点阵光源通过柔光屏散射后照射水 域, 并将两盏

1000 W 新闻灯布置在水槽的左右两 侧作为补充光源. 对每种情况下的入水过程均进行 204703-2 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 65, No.

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204703 了三次以上的拍摄, 本文所采用的图片能够反映多 次重复实验中同样的入水形态特性.

3 实验结果分析 3.1 不同温度球体入水空泡实验分析 为探究温度对球体入水空泡的影响, 本文采 用17―800 ? C 温度范围内的球体进行垂直入水实 验, 入水速度为1.5 m/s. 不同温度下球体入水形态 如图

2 所示, 其中被加热到

100 与200 ? C 的球体同

17 ? C 的室温球体具有相同的入水形态. 为了尽可 能多地显示出不同入水时间下的形态变化情况, 同 一温度下并没有保持图片之间具有完全相同的时 间间隔. 从图

2 中可以看到, 不同温度下球体具有 不同的入水形态特性. 球体撞击水面后, 一层溅水膜将沿球体表面向 上运动, 这层溅水膜能否与球体表面发生分离将影 响球体入水空泡的形成. 同一温度下的首张图片对 应球体触水后

5 ms 时刻, 图中箭头指向溅水膜流 动到球体表面的位置. 入水

5 ms 时,

17 ? C 球体表 面的溅水膜较其他温度实验更加靠近球体的顶端, 沿球体表面流动的距离比较长, 且没有与球体表面 发生分离. 在此后的时间内, 溅水膜一直沿球体表 面运动, 直至完全入水前, 溅水膜在球体顶端碰撞. 此时溅水膜在球体表面封闭, 没有空隙产生, 因此 没有形成入水空泡. 随后, 球体表面完全触水, 液 面有水柱涌起.

100 与200 ? C 球体如同

17 ? C 球体 均没有产生入水空泡, 虽然

200 ? C 已经高于水的 沸点, 但水的过冷度较高, 球体周围水的汽化现象 较弱, 没有使球体表面性........