(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210650042.4 (22)申请日 2022.06.09 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 张敏弟　李利剑　王占莹　黄彪　 谭镇坤　刘思华　 (74)专利代理 机构 北京正阳理工知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11639 专利代理师 张利萍 (51)Int.Cl. G01M 10/00(2006.01) G01N 21/84(2006.01) G06V 10/44(2022.01) G06V 10/82(2022.01) (54)发明名称 一种入水角度可调的模型入水过程中空泡 形态采集系统 (57)摘要 本发明公开了一种入水角度可调的模型入 水过程中空泡形态采集系统， 属于空泡动力学技 术领域。 系统包括发射系统、 观测系统以及图像 采集处理系统； 发射系统将模型以可变角度的形 式高速发射至观测系统中， 模型从发射系统射出 后， 发射系统能够阻断提供发射动力的高速气流 对自由液面产生影 响； 观测系统提供模型入水的 试验环境并同步发射系统， 以摄像的方式记录模 型的整个发射过程； 图像采集处理系统基于 Matlab软件对观测系统获取的图像进行处理并 获取模型在 观测系统中的下落速度、 加速度和空 泡体积。 本发明能够实现对不同尺度模型以不同 角度、 不同入 水速度入水过程中形成的入水空泡 进行观测 和分析。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115127776 A 2022.09.30 CN 115127776 A 1.一种入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统， 其特征在于， 系统包括发 射系统、 观测系统以及图像采集处 理系统； 所述发射系统将模型以可变角度的形式高速发射至观测系统中， 模型从发射系统射出 后， 发射系统能够阻断提供发射动力的高速气流对自由液面产生影响； 所述观测系统提供模型入水的试验环境并 同步发射系统， 以摄像的方式记录模型的整 个发射过程； 所述图像采集处理系统基于Matlab软件对观测系统获取的图像进行处理并获取模型 在观测系统中的下落速度、 加速度和空泡体积。 2.如权利要求1所述的入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统， 其特征在 于， 所述发射系统包括支 架、 支撑板、 压气机、 安全阀、 电磁阀、 发射管和尾流阻断器； 所述支架和压气机 固定安装在试验台上， 所述支架的侧边框上设置有不同角度的调节 孔， 所述支撑板的一端活动安装在支架上， 另一端通过设置在支架调节孔中的固定轴限位， 所述发射管安装在支撑板上， 通过改变支撑板与自由液面的角度来调节入水角度； 所述尾 流阻断器同轴安装在发射管 的前端， 模型通过尾流阻断器时， 尾流阻断器利用压强差对发 射管射出 的高速气流进行阻断； 所述压气机通过气管连接电磁阀、 电磁阀依 次连接安全阀 和发射管。 3.如权利要求2所述的入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统， 其特征在 于， 所述尾流阻断器为具有一个豁口 的软膜管， 豁口贯 穿软膜管的前后端。 4.如权利要求3所述的入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统， 其特征在 于， 所述发射管内部装有压力膜片来限制倾 斜发射时模型在重力作用下的运动。 5.如权利要求4所述的入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统， 其特征在 于， 所述压力膜片的主体结构为具有一个中心孔的圆盘， 圆盘一侧沿中心孔的周向均布 四 根筋条， 筋条垂 直于圆盘的平 面， 筋条的末端向内弯曲； 四根筋条所在圆的直径与发射管的 孔径尺寸一致。 6.如权利要求1所述的入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统， 其特征在 于， 所述观测系统包括实验水箱、 光源、 高速摄像机和同步装置； 所述实验水箱位于发射管 的斜下方， 光源和高速摄像机位于水箱的两侧， 所述同步装置用于同步触发高速摄像机和 电磁阀。 7.如权利要求1所述的入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统， 其特征在 于， 所述图像采集处 理系统对图像进行处 理的步骤如下： 步骤一、 对原 始图片进行裁 剪， 获得空泡周围流场图像， 并保存成图片； 步骤二、 对图片进行灰度处理； 计算 图像灰度值梯度大小和边缘方向； 通过Sobel算子 计算图像的灰度梯度大小， 得到边缘强度， 采用3 ×3卷积矩阵计算水平方向和垂直方向的 灰度梯度值， 分别用Gx， Gy表示， 每个像素的灰度梯度值G的计算公式为： 使用 θ描述梯度的方向： θ＝a ×tan2(Gx， Gy)， 其中a为常数， 图像中的每一点的灰度值全 部由灰度梯度值G所代替； 步骤三、 对图像进行二值化处理提取出空泡的形态； 进行双阈值判定： 选取两个合适的权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115127776 A 2阈值来定义上限和下限， 将灰度值大于阈值上限的像素设为白色(255)， 小于或等于阈值下 限的像素设为 黑色(0)， 得到空泡的轮廓； 步骤四、 根据空泡的轮廓， 计算模型 下落速度、 加速度和空泡体积。 8.如权利要求7所述的入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统， 其特征在 于， 所述步骤四中计算模型下落速度、 加速度的过程如下： 将提取后的空泡轮廓放在笛卡尔 坐标系下测量模型的位置， 明确模型位移和时间的数据后， 绘制位移和时间关系曲线， 通过 曲线进行高阶多项式拟合得出位移和时间的函数关系， 保证相关指数R2＝0.99， 进而对函 数进行一阶和二阶求 导得到球 体的速度和 加速度。 9.如权利要求7或8所述的入水角度 可调的模型入水过程中空泡形态采集系统， 其特征 在于， 所述步骤四中计算模型 空泡体积的过程如下： 测量出模 型在图中的特征长度d与模型 的实际特征程度D， 得到比例关系 进一步测量出空泡在图中的最大直径dc与空泡长 度hc， 根据比例关系计算得 出空泡的实际最大直径Dc与高度Hc， 计算公式为： 进一步地得到入水空泡 地实际体积Vc为： 式中Vm为模型实际体积。 10.如权利要求6或7所述的入水角度可调的模型入水过程中空泡形态采集系统， 其特 征在于， 所述水箱在垂直于发射方向的壁面和水箱底部上依 次安装有钢板与泡沫板， 水箱 平行于发射方向的壁 面由亚克力板制成。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115127776 A 3