模拟水下发射两相间断流动的实验装置及实验方法.pdf

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1、(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 202311418222.0(22)申请日 2023.10.30(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 傅德彬熊文靖刘浩天何泽鹏(74)专利代理机构 北京康思博达知识产权代理事务所(普通合伙)11426专利代理师 范国锋(51)Int.Cl.B63B 71/20(2020.01)G01M 10/00(2006.01)B64G 7/00(2006.01)(54)发明名称一种模拟水下发射两相间断流动的实验装置及实验方法(57)摘要本发明公开了一种模拟。

2、水下发射两相间断流动的实验装置及实验方法，该实验装置主要包括圆柱形可充气水箱、横向储气单元、垂向储气单元、充气系统、观察窗和加热单元等组件，通过组合和操作这些组件，实验装置能够模拟水下发射过程中气液两相间断流动的状态，同时兼顾水平和垂向发射的不同特点分别予以实验，能够获得气液两相的流动特性和载荷特性。权利要求书2页 说明书7页 附图4页CN 117602028 A2024.02.27CN 117602028 A1.一种模拟水下发射两相间断流动的实验装置，其特征在于，该实验装置包括密闭的水箱(1)，在该水箱(1)的顶部设置有加水口(2)和加气口(3)，在所述水箱下部设置有横向储气单元(4)，在所。

3、述水箱底部设置有垂向储气单元(5)；该实验装置还包括发射筒(6)，所述发射筒(6)能够安装到横向储气单元(4)上或者安装到垂向储气单元(5)上，在所述发射筒(6)内承装高压气体，并且任选地放置航行器模型，在实验过程中，所述发射筒(6)内的高压气体经过横向储气单元(4)进入到水箱(1)中，或者，所述发射筒(6)内的高压气体经过垂向储气单元(5)进入到水箱(1)中，或者，所述发射筒(6)内的航行器模型和高压气体经过横向储气单元(4)进入到水箱(1)中，或者，所述发射筒(6)内的航行器模型和高压气体经过垂向储气单元(5)进入到水箱(1)中。2.根据权利要求1所述的模拟水下发射两相间断流动的实验装置，。

4、其特征在于，所述横向储气单元(4)包括位于中部的横向管道(41)和位于横向管道(41)两端的开孔法兰，其中，位于水箱(1)内部的开孔法兰为横向内侧法兰(42)，位于水箱(1)外部的开孔法兰为横向外侧法兰(43)；所述垂向储气单元(5)包括位于中部的垂向管道(51)和位于垂向管道(51)两端的开孔法兰，其中，位于水箱(1)内部的开孔法兰为垂向内侧法兰(52)，位于水箱(1)外部的开孔法兰为垂向外侧法兰(53)；在所述横向外侧法兰(43)上连接有发射筒(6)或者封闭法兰(7)，在所述垂向外侧法兰(53)上连接有发射筒(6)或者封闭法兰(7)。3.根据权利要求2所述的模拟水下发射两相间断流动的实验装。

5、置，其特征在于，所述发射筒(6)包括顶端开口、底端封闭的长筒(61)，在该在长筒(61)的开口顶端设置有开孔的连接法兰(62)；所述连接法兰(62)与横向外侧法兰(43)及垂向外侧法兰(53)相匹配，能够将所述发射筒(6)密封安装在横向储气单元(4)或者垂向储气单元(5)上。4.根据权利要求2所述的模拟水下发射两相间断流动的实验装置，其特征在于，在实验准备过程中，当所述垂向外侧法兰(53)上连接有发射筒(6)时，在垂向内侧法兰(52)上设置有PET薄膜(8)，在横向外侧法兰(43)上连接有封闭法兰(7)；在实验准备过程中，当所述横向外侧法兰(43)上连接有发射筒(6)时，在横向内侧法兰(42)。

6、上设置有PET薄膜(8)，在垂向外侧法兰(53)上连接有封闭法兰(7)。5.根据权利要求4所述的模拟水下发射两相间断流动的实验装置，其特征在于，在所述水箱(1)内部还设置有开孔的夹紧法兰(81)，该夹紧法兰(81)与横向内侧法兰(42)通过螺栓紧固连接，从而夹紧PET薄膜(8)，将PET薄膜(8)安装在横向内侧法兰(42)上；或者，该夹紧法兰(81)与垂向内侧法兰(52)通过螺栓紧固连接，从而夹紧PET薄膜(8)，将PET薄膜(8)安装在垂向内侧法兰(52)上。6.根据权利要求4所述的模拟水下发射两相间断流动的实验装置，其特征在于，在所述水箱(1)内部，在横向内侧法兰(42)和垂向内侧法兰(5。

7、2)附近都设置有刺针，权利要求书1/2 页2CN 117602028 A2当发射筒(6)内仅有高压气体，没有航行器模型时，通过该刺针刺破PET薄膜(8)，以便于开启实验。7.根据权利要求1所述的模拟水下发射两相间断流动的实验装置，其特征在于，该实验装置还包括充气系统(91)，该充气系统(91)与所述加气口(3)相连，能够为水箱(1)注气加压；该充气系统(91)还与发射筒(6)的底端相连，能够为发射筒(6)注气加压。8.根据权利要求7所述的模拟水下发射两相间断流动的实验装置，其特征在于，该实验装置还包括加热单元(92)，所述充气系统(91)与发射筒(6)相连的气管经过所述加热单元(92)，通过该。

8、加热单元(92)为充入发射筒(6)底部的气体加热。9.根据权利要求1所述的模拟水下发射两相间断流动的实验装置，其特征在于，该实验装置还包括压强测量系统和光学测量系统，其中，通过所述压强测量系统实时采集实验过程中水箱(1)内部各处的压力信息；所述光学测量系统包括光源和高速摄像机，所述高速摄像机设置在水箱(1)上观测窗(11)的外部，透过观测窗(11)录制实验过程中的气泡形态变化影像；优选地，该实验装置还任选地包括设置在发射筒(6)中的磁浮子瞬态水位测量系统。10.一种采用权利要求1至9之一所述的模拟水下发射两相间断流动的实验装置进行实验的方法，其特征在于，所述实验包括航行器水平出筒过程中气泡脉动。

9、实验、航行器垂向出筒过程中气泡脉动实验、航行器水平出筒后倒灌水流实验、航行器垂向出筒后倒灌水流实验。权利要求书2/2 页3CN 117602028 A3一种模拟水下发射两相间断流动的实验装置及实验方法技术领域0001本发明涉及潜射两相分析实验技术领域，具体涉及模拟航行器水下发射两相间断流动的实验装置及实验方法。背景技术0002水下发射是航行器和航天领域的重要技术之一，也是国内外船舶技术、航天发射技术、兵器发射理论与技术等学科教学的难点之一。水下发射涉及到工质气体与水环境的相互作用，形成复杂的两相流动和典型载荷，对发射弹道和发射安全产生重要影响。0003目前的水下发射实验主要包括实际水环境发射实。

10、验、水池模拟实验和水箱模拟实验等。然而，实际水环境发射实验和水池模拟实验对实验场地和实验组织有严格要求，难以在研究实验及教学示例中广泛应用。0004水箱模拟实验成为主要的研究实验及教学示例方法，但现有的装置设计和操作流程仍有改进的空间，尚缺乏能够完全模拟水下发射两相间断流动状态的实验装置。所述两相流动具体应该分为航行器出筒过程和航行器出筒后两个阶段，为了达到更为逼真的效果，应该分别予以模拟。0005基于上述问题，本发明人对现有的水箱模拟实验做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的新的模拟水下发射两相间断流动的实验装置及相应的实验方法。发明内容0006为了克服上述问题，并且实现上述预期目。

11、标，本发明人进行了锐意研究，设计出一种模拟水下发射两相间断流动的实验装置及实验方法，该实验装置主要包括圆柱形可充气水箱、横向储气单元、垂向储气单元、充气系统、观察窗和加热单元等组件，通过组合和操作这些组件，实验装置能够模拟水下发射过程中气液两相间断流动的状态，同时兼顾水平和垂向发射的不同特点分别予以实验，能够获得气液两相的流动特性和载荷特性；从而完成本发明。0007具体来说，本发明的目的在于提供一种模拟水下发射两相间断流动的实验装置，该实验装置包括密闭的水箱1，在该水箱1的顶部设置有加水口2和加气口3，在所述水箱下部设置有横向储气单元4，在所述水箱底部设置有垂向储气单元5；0008该实验装置还。

12、包括发射筒6，所述发射筒6能够安装到横向储气单元4上或者安装到垂向储气单元5上，0009在所述发射筒6内承装高压气体，并且任选地放置航行器模型，0010在实验过程中，所述发射筒6内的高压气体经过横向储气单元4进入到水箱1中，0011或者，所述发射筒6内的高压气体经过垂向储气单元5进入到水箱1中，0012或者，所述发射筒6内的航行器模型和高压气体经过横向储气单元4进入到水箱1中，0013或者，所述发射筒6内的航行器模型和高压气体经过垂向储气单元5进入到水箱1说明书1/7 页4CN 117602028 A4中。0014其中，所述横向储气单元4包括位于中部的横向管道41和位于横向管道41两端的开孔法。

13、兰，其中，位于水箱1内部的开孔法兰为横向内侧法兰42，位于水箱1外部的开孔法兰为横向外侧法兰43；0015所述垂向储气单元5包括位于中部的垂向管道51和位于垂向管道51两端的开孔法兰，其中，位于水箱1内部的开孔法兰为垂向内侧法兰52，位于水箱1外部的开孔法兰为垂向外侧法兰53；0016在所述横向外侧法兰43上连接有发射筒6或者封闭法兰7，0017在所述垂向外侧法兰53上连接有发射筒6或者封闭法兰7。0018其中，所述发射筒6包括顶端开口、底端封闭的长筒61，在该在长筒61的开口顶端设置有开孔的连接法兰62；0019所述连接法兰62与横向外侧法兰43及垂向外侧法兰53相匹配，能够将所述发射筒6密。

14、封安装在横向储气单元4或者垂向储气单元5上。0020其中，在实验准备过程中，当所述垂向外侧法兰53上连接有发射筒6时，在垂向内侧法兰52上设置有PET薄膜8，在横向外侧法兰43上连接有封闭法兰7；0021在实验准备过程中，当所述横向外侧法兰43上连接有发射筒6时，在横向内侧法兰42上设置有PET薄膜8，在垂向外侧法兰53上连接有封闭法兰7。0022其中，在所述水箱1内部还设置有开孔的夹紧法兰81，0023该夹紧法兰81与横向内侧法兰42通过螺栓紧固连接，从而夹紧PET薄膜8，将PET薄膜8安装在横向内侧法兰42上；0024或者，该夹紧法兰81与垂向内侧法兰52通过螺栓紧固连接，从而夹紧PET薄。

15、膜8，将PET薄膜8安装在垂向内侧法兰52上。0025其中，在所述水箱1内部，在横向内侧法兰42和垂向内侧法兰52附近都设置有刺针，0026当发射筒6内仅有高压气体，没有航行器模型时，通过该刺针刺破PET薄膜8，以便于开启实验。0027其中，该实验装置还包括充气系统91，该充气系统91与所述加气口3相连，能够为水箱1注气加压；0028该充气系统91还与发射筒6的底端相连，能够为发射筒6注气加压。0029其中，该实验装置还包括加热单元92，0030所述充气系统91与发射筒6相连的气管经过所述加热单元92，通过该加热单元92为充入发射筒6底部的气体加热。0031其中，该实验装置还包括压强测量系统和。

16、光学测量系统，0032其中，通过所述压强测量系统实时采集实验过程中水箱1内部各处的压力信息；0033所述光学测量系统包括光源和高速摄像机，所述高速摄像机设置在水箱1上观测窗11的外部，透过观测窗11录制实验过程中的气泡形态变化影像；0034优选地，该实验装置还任选地包括设置在发射筒6中的磁浮子瞬态水位测量系统。0035本发明还提供一种采用上文所述的模拟水下发射两相间断流动的实验装置进行实验的方法，说明书2/7 页5CN 117602028 A50036所述实验包括航行器水平出筒过程中气泡脉动实验、航行器垂向出筒过程中气泡脉动实验、航行器水平出筒后倒灌水流实验、航行器垂向出筒后倒灌水流实验。00。

17、37本发明所具有的有益效果包括：0038(1)根据本发明提供的模拟水下发射两相间断流动的实验装置及实验方法，该装置及方法以水下发射时筒内高压气体与水环境间断接触引起的两相流动为主要对象，对发射过程伴随的间断波传递、相间界面迁移以及由此产生的两相气泡脉动、水流倒灌冲击等现象进行模拟和测试，为认识水下发射复杂流动现象和规律提供模拟实验方法；0039(2)根据本发明提供的模拟水下发射两相间断流动的实验装置及实验方法，该装置及方法兼顾水平发射和垂向发射两种状态，能够根据实际需求选择实验模式；0040(3)根据本发明提供的模拟水下发射两相间断流动的实验装置及实验方法，能够分别实验模拟航行器出筒过程中气液。

18、两相的演变以及航行器出筒后气液两相的相互作用，从而获得更有针对性的实验结果。附图说明0041图1示出本申请模拟水下发射两相间断流动的实验装置的整体结构示意图；0042图2示出本申请模拟水下发射两相间断流动的实验装置横向储气单元的结构示意图；0043图3示出本申请模拟水下发射两相间断流动的实验装置垂向储气单元及发射筒的结构示意图；0044图4示出本申请模拟水下发射两相间断流动的实验装置做航行器垂向出筒实验时的示意图。0045附图标记说明00461水箱004711观测窗004812排水口00492加水口00503加气口00514横向储气单元005241横向管道005342横向内侧法兰005443横。

19、向外侧法兰00555垂向储气单元005651垂向管道005752垂向内侧法兰005853垂向外侧法兰00596发射筒006061长筒006162连接法兰00627封闭法兰说明书3/7 页6CN 117602028 A600638PET薄膜006481夹紧法兰006591气系统006692加热单元具体实施方式0067下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。0068在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，。

20、不必按比例绘制附图。0069本申请提供一种模拟水下发射两相间断流动的实验装置，如图1中所示，该实验装置包括密闭的水箱1，在该水箱1的顶部设置有加水口2和加气口3，在侧部设置有排水口12，在所述水箱下部设置有横向储气单元4，在所述水箱底部设置有垂向储气单元5；0070该实验装置还包括发射筒6，所述发射筒6能够安装到横向储气单元4上或者安装到垂向储气单元5上，0071在所述发射筒6内承装高压气体，并且任选地放置航行器模型，0072在实验过程中，所述发射筒6内的高压气体经过横向储气单元4进入到水箱1中，0073或者，所述发射筒6内的高压气体经过垂向储气单元5进入到水箱1中，0074或者，所述发射筒6。

21、内的航行器模型和高压气体经过横向储气单元4进入到水箱1中，0075或者，所述发射筒6内的航行器模型和高压气体经过垂向储气单元5进入到水箱1中。0076本申请中的发射筒6用于模拟发射潜航器的设备，所述航行器模型即为潜航器模型，一般为圆柱状，且前端为流线型，其体积、重量、材质和形状都可以根据实际实验需求来选择设置。0077在一个优选的实施方式中，如图2中所示，所述横向储气单元4包括位于中部的横向管道41和位于横向管道41两端的开孔法兰，所述横向管道41与水箱1为一体结构，可以通过焊接的方式固结为一体；且横向管道与水箱接触位置完全密封，不透水透气；本申请中，所述开孔法兰是指法兰中部为通孔结构，水和气。

22、体能够穿过该通孔。0078优选地，位于水箱1内部的开孔法兰为横向内侧法兰42，位于水箱1外部的开孔法兰为横向外侧法兰43；0079所述垂向储气单元5包括位于中部的垂向管道51和位于垂向管道51两端的开孔法兰，其中，位于水箱1内部的开孔法兰为垂向内侧法兰52，位于水箱1外部的开孔法兰为垂向外侧法兰53。0080在所述横向外侧法兰43上连接有发射筒6或者封闭法兰7，0081在所述垂向外侧法兰53上连接有发射筒6或者封闭法兰7。0082本申请中，所述封闭法兰为密闭的金属圆盘，其上开设有与法兰配合的螺纹孔，能够与开孔法兰通过螺栓固结，在固结后，即可通过该封闭法兰封死开孔法兰中部的通孔。说明书4/7 页。

23、7CN 117602028 A70083在一个优选的实施方式中，所述发射筒6包括顶端开口、底端封闭的长筒61，在该在长筒61的开口顶端设置有开孔的连接法兰62；0084所述连接法兰62与横向外侧法兰43及垂向外侧法兰53相匹配，能够将所述发射筒6密封安装在横向储气单元4或者垂向储气单元5上。0085在一个优选的实施方式中，在实验准备过程中，当所述垂向外侧法兰53上连接有发射筒6时，在垂向内侧法兰52上设置有PET薄膜8，在横向外侧法兰43上连接有封闭法兰7；0086在实验准备过程中，当所述横向外侧法兰43上连接有发射筒6时，在横向内侧法兰42上设置有PET薄膜8，在垂向外侧法兰53上连接有封闭。

24、法兰7。0087本申请中所述PET薄膜选择强度相对较高的薄膜，确保其在液体和气体压力下不会崩碎损坏。本申请中，在所述PET薄膜未被刺破前，向水箱中加水加压，向发射筒中加高温气体等操作，都属于准备阶段，当所述PET薄膜被刺的瞬间，实验开始。0088在一个优选的实施方式中，在所述水箱1内部还设置有开孔的夹紧法兰81，0089该夹紧法兰81与横向内侧法兰42通过螺栓紧固连接，从而夹紧PET薄膜8，将PET薄膜8安装在横向内侧法兰42上；0090或者，该夹紧法兰81与垂向内侧法兰52通过螺栓紧固连接，从而夹紧PET薄膜8，将PET薄膜8安装在垂向内侧法兰52上。0091优选地，在所述水箱1内部，在横向。

25、内侧法兰42和垂向内侧法兰52附近都设置有刺针，0092当发射筒6内仅有高压气体，没有航行器模型时，通过该刺针刺破PET薄膜8，以便于开启实验。0093当发射筒6内有航行器模型时，当发射筒6底部的热气压力足够大时会推动航行器模型上升或者水平前进，进而由航行器模型顶破PET薄膜，从而开启实验。0094在一个优选的实施方式中，该实验装置还包括充气系统91，该充气系统91与所述加气口3相连，能够为水箱1注气加压，使得水箱1中下方是水，上方是气，且气体部分的压力大小可以根据需要设置，从而使得该水箱能够模拟深水中的压力，即根据想要模拟的水深来相应控制水箱1中液面上方的空气压力；0095该充气系统91还与。

26、发射筒6的底端相连，能够为发射筒6注气加压，使得发射筒6中的压力达到想要模拟的压力数值。0096优选地，该实验装置还包括加热单元92，0097所述充气系统91与发射筒6相连的气管经过所述加热单元92，通过该加热单元92为充入发射筒6底部的气体加热，使得发射筒6中气体的温度与想要模拟的工况中温度一致。0098在一个优选的实施方式中，该实验装置还包括压强测量系统和光学测量系统，0099其中，通过所述压强测量系统实时采集实验过程中水箱1内部各处的压力信息；所述压强测量系统由高频率传感器、信号放大器、信号隔离器、采集仪、控制台、供配电设备及电缆组成，主要采集实验过程中压强变化过程；选用TST6260瞬。

27、态信号测试仪作为实验数据采集仪，该设备集信号调理、数据采集、数据存储为一体，通过以太网通讯，可测量瞬态压力、温度、位移、速度、电流、电压、放电量等参数。0100所述光学测量系统包括光源和高速摄像机，所述高速摄像机设置在水箱1上观测说明书5/7 页8CN 117602028 A8窗11的外部，透过观测窗11录制实验过程中的气泡形态变化影像，获得水下发射气液两相流动的瞬态过程信息；所述光源包括主光源和辅光源，都是功率皆1,000W的镝灯，实验中采用正前方两侧打光，并增加散射度，保证光照均匀。高速摄像机型号为Phantom M310，最高采集频率可达100000fps。该光学测量系统还包括计算机，用。

28、以实时收集处理获得的光学影像。0101优选地，该实验装置还任选地包括设置在发射筒6中的磁浮子瞬态水位测量系统。在任意实验过程中，都可以设置该磁浮子瞬态水位测量系统，其主要是用来测量发射筒内液位状态；在航行器模型离筒后，气体溢出发射筒，水在重力及压力的作用下进入发射筒，通过该磁浮子瞬态水位测量系统能够实时获得水的进入量。0102本发明还提供一种模拟水下发射两相间断流动的实验装置进行实验的方法，所述实验包括航行器水平出筒过程中气泡脉动实验、航行器垂向出筒过程中气泡脉动实验、航行器水平出筒后倒灌水流实验、航行器垂向出筒后倒灌水流实验。0103优选地，所述航行器水平出筒过程中气泡脉动实验包括如下步骤：。

29、0104步骤11，将带有航行器模型的发射筒6固定在横向外侧法兰43上，在横向内侧法兰42上设置PET薄膜8，在垂向外侧法兰53上连接封闭法兰7；0105步骤12，在水箱1中添加80水以后，通过充气系统91向水箱1中加压，直至PET薄膜8的压力满足实验预期；0106步骤13，充气系统91和加热单元92共同作用，向发射筒6的底部加入高温高压气体，直至高温高压气体推动航行器模型向前移动，最终由航行器模型刺破PET薄膜8，并且航行器模型冲入到水箱1中；0107步骤14，在PET薄膜8被刺破的瞬间开始实验，通过压强测量系统和光学测量系统获得并记录实验数据。0108优选地，所述航行器垂向出筒过程中气泡脉动。

30、实验包括如下步骤：0109步骤21，将带有航行器模型的发射筒6固定在垂向外侧法兰53上，在垂向内侧法兰52上设置PET薄膜8，在横向外侧法兰43上连接封闭法兰7；0110步骤22，在水箱1中添加80水以后，通过充气系统91向水箱1中加压，直至PET薄膜8的压力满足实验预期；0111步骤23，充气系统91和加热单元92共同作用，向发射筒6的底部加入高温高压气体，直至高温高压气体推动航行器模型向上移动，最终由航行器模型刺破PET薄膜8，并且航行器模型冲入到水箱1中；0112步骤24，在PET薄膜8被刺破的瞬间开始实验，通过压强测量系统和光学测量系统获得并记录实验数据。0113优选地，所述航行器水平。

31、出筒后倒灌水流实验包括如下步骤：0114步骤31，将空的发射筒6固定在横向外侧法兰43上，在横向内侧法兰42上设置PET薄膜8，在垂向外侧法兰53上连接封闭法兰7；0115步骤32，在水箱1中添加80水以后，通过充气系统91向水箱1中加压，直至PET薄膜8的压力满足实验预期；0116步骤33，充气系统91和加热单元92共同作用，向发射筒6的底部加入高温高压气体，直至发射筒6内压力满足实验预期，通过刺针刺破PET薄膜8；说明书6/7 页9CN 117602028 A90117步骤34，在PET薄膜8被刺破的瞬间开始实验，通过压强测量系统和光学测量系统获得并记录实验数据。0118优选地，所述航行器。

32、水平出筒后倒灌水流实验包括如下步骤：0119步骤41，将空的发射筒6固定在垂向外侧法兰53上，在垂向内侧法兰52上设置PET薄膜8，在横向外侧法兰43上连接封闭法兰7；0120步骤42，在水箱1中添加80水以后，通过充气系统91向水箱1中加压，直至PET薄膜8的压力满足实验预期；0121步骤33，充气系统91和加热单元92共同作用，向发射筒6的底部加入高温高压气体，直至发射筒6内压力满足实验预期，通过刺针刺破PET薄膜8；0122步骤44，在PET薄膜8被刺破的瞬间开始实验，通过压强测量系统和光学测量系统获得并记录实验数据。0123以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。说明书7/7 页10CN 117602028 A10图1说明书附图1/4 页11CN 117602028 A11图2说明书附图2/4 页12CN 117602028 A12图3说明书附图3/4 页13CN 117602028 A13图4说明书附图4/4 页14CN 117602028 A14。