CN104198156A - 多相流航行体机动尾部滑行力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供多相流航行体机动尾部滑行力测试装置，包括水洞、空化器、张线、驱动杆、测试圆柱，水洞的壁面上固定第一-第三固定耳片，张线包括第一-第四张线，第一-第三张线的第一端分别连接第一-第三固定耳片，第一-第三张线的第二端均连接空化器，第四张线的第一端连接测试圆柱，第四张线的另一端穿过水洞壁面至水洞外，张线均为空心结构，在第一-第三张线的空心结构里设置通气管路，空化器的导线穿过张线至水洞外，驱动杆位于第四张线里，驱动杆的一端连接位于水洞里的测试圆柱，驱动杆的另一端穿过水洞壁面连接位于水洞外的驱动电机，测试圆柱位于空化器产生的空泡处。本发明可对多相流航行体机动尾部滑行力准确模拟。

Description

多相流航行体机动尾部滑行力测试装置

技术领域

本发明涉及的是一种实验装置，具体地说是航行体尾部与多相流壁面相互作用机理及航行体的受力特性的实验装置。

背景技术

准确获得水中多相流动条件下的控制力技术，是改善和提高水中多相流动运动体机动航行能力的重要关键技术。对于水中多相流动运动体在机动航行时，航行体的尾部与多相流壁面相互作用，产生水动力。有效获得该水动力参数是实现航行体机动控制的重点。对于研究机动滑行力，通常的做法是将三维运动分解成垂直和水平面的运动。对于垂直平面的机动，主要有爬升和下潜运动，对于水平面的机动主要有转弯运动。分解后的航行体尾部滑行力测试技术较为容易，只需要在单个平面内就能够完成。因此目前针对滑行力的测试，主要在水洞中形成半壁面的多相流界面。

实际上，在单个平面航行体与多相流壁面是正交关系，所以获得的滑行力，用于单个解耦平面运动的控制可以获得很好的效果。对于真实的空间运动，考虑到航行体与壁面是斜交关系，加之重力影响的作用，使用单个平面所测数据是有一定误差的。因此，从技术层面来说，有必要解决空间机动滑行力测试问题。对于空间测试机动滑行力主要存在以下几个难点，一是在水洞中难以实现空间滑行力测试的多相流壁面；二是水洞流动速度较低，重力影响较大，如何有效降低重力的影响也是难点之一；三是运动机构对航行体空间机动的运动模拟问题。这些问题的解决，是国内外学者研究和关注的热点。

发明内容

本发明的目的在于提供用于测试航行体尾部与多相流壁面相互作用机理及航行体的受力特性的多相流航行体机动尾部滑行力测试装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明多相流航行体机动尾部滑行力测试装置，其特征是：包括水洞、空化器、张线、驱动杆、测试圆柱，水洞的壁面上固定第一-第三固定耳片，张线包括第一-第四张线，第一-第三张线的第一端分别连接第一-第三固定耳片，第一-第三张线的第二端均连接空化器，第四张线的第一端连接测试圆柱，第四张线的另一端穿过水洞壁面至水洞外，张线均为空心结构，在第一-第三张线的空心结构里设置通气管路，空化器的导线穿过第一张线、第二张线或第三张线至水洞外，驱动杆位于第四张线里，驱动杆的一端连接位于水洞里的测试圆柱，驱动杆的另一端穿过水洞壁面连接位于水洞外的驱动电机，测试圆柱位于空化器产生的空泡处。

本发明还可以包括：

1、空化器锥段刻有三个锲形凹槽，第一-第三张线的第二端设置与楔形凹槽配合的四方体结构，空化器与第一-第三张线通过楔形凹槽和四方体结构相连；第一-第三张线的第一端设置预紧螺栓，第一-第三固定耳片上设置螺栓孔，第一-第三张线与第一-第三固定耳片通过预紧螺栓和螺栓孔相连。

2、水洞的下壁面上设置重力补偿弯道，重力补偿弯道位于空泡下方；测试圆柱的下壁面安装动态压力传感器。

3、张线的剖面为翼型。

本发明的优势在于：本发明针对航行体空间机动滑行力测试问题，提出一套空间机动尾部滑行力实验测试装置，该装置能够在水洞中形成多相流空间壁面，且能克服重力的影响并能模拟空间运动。所测实验数据，可用于航行体机动控制中，多相流航行体机动尾部滑行力准确模拟。

1、该实验装置采用张线支撑方式，能够在水洞中形成多相流空间壁面，改进原来的2维壁面，使得所测数据能够用于三维控制技术；

2、该实验装置在水洞壁面增加弯道，能克服重力的影响，降低重力导致的多相流壁面上漂；

3、该实验装置采用2维驱动机构，驱动圆柱运动模拟航行体空间机动的运动状态，改进了平面测试方法。

附图说明

图1a为本发明的空化器与张线的支撑结构示意图，图1b为本发明张线与固定耳片连接处的放大图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为测量机控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～3，该装置由以下部件组成：空化器张线支撑卡块1、翼型剖面的张线2、固定耳片3、通气管路4、测试用的连接导线5、执行电机的驱动杆6、空化器7、多相流壁面8、测试圆柱9、动态压力传感器10、重力补偿弯道11、水洞壁面12。该装置的结构连接为，空化器结构7通过空化器张线支撑卡块1连接翼型剖面的张线2，而张线2通过固定耳片3连接在水洞壁面12上；通气管路4、测试用的连接导线5都在翼型剖面的张线2穿过，执行电机的驱动杆6连接在测试圆柱9；动态压力传感器直接安装在测试圆柱9的下壁面；重力补偿弯道11直接安装在水洞12的下壁面。而滑行力主要通过测试圆柱9与多相流壁面8相互作用获得。

空化水洞一般选择可调压力的低速流空化水洞，通气系统选择高压气瓶储存压缩气体，通过流量控制系统控制通入气体的流量。试验段采用张线支撑空化器装置，主要是为了能够在空化器后部形成一个可用于圆柱段测试的多相流壁面，并可降低支撑部件对流动的干扰。该张线支撑方式如图1，在空化器7锥段刻有三个锲形凹槽，用于连接三根张线2。三根张线具有同样的结构形式，他们的剖面为中空的翼型形状，中空为了使通气系统的管路4和压力传感器10的导线5从中通过，翼型的剖面主要为了减低对流动的干扰。张线底端连接有一四方体结构1，用于嵌入到空化器凹槽中，连接空化器7。张线的与水洞壁面的连接通过如下方式，在水洞壁面上安装有耳片3，在张线上安装有两个预紧螺栓，两个预紧螺栓与耳片连接，这样就可以通过调节螺栓来调节空化器的位置。这样空化器就可以通过张线支撑的方式安装在空化水洞的测试段，并且通气系统的管路和所有的导线都可以从它的张线中通过。考虑到水洞选的流速不高，弗劳德数(V为流动的速度；g为重力加速度；D_n为空化器直径)较小，重力影响较大，空泡尾部将会上漂。于是试验装置中考虑了重力补偿方案，在测试段安装有弧形弯道11，这样使得实际的弗劳德数(R为弯道的半径)增大，补偿重力的干扰，在尾部形成一个需要的椭球形空泡8，这样的空泡形状符合航行体高速航行时的空泡形状。圆柱测试件9表面安装有片状压力传感器10，传感器的导线通过空化器的张线连接到水洞外部的数据采集计算机。测试圆柱通过驱动杆6与外部的驱动电机连接，驱动电机通过点偏激编程控制实现两个自由度的运动，模拟航行体空间机动时的运动状态。该装置在水洞测试段安装有流速和压力测控系统，同时还有多相流壁面形状测量和照相系统，加上通气控制系统三者的联合作用可以保证形成一个需要的多相流壁面。圆柱表面的压力测量系统、圆柱测试件的运动驱动装置和运动过程的录像可以获得所需姿态的圆柱壁面的压力，进而获得水动力和相互作用的机理。

多相流航行体空间机动尾部滑行力试验测试装置具有的工作过程如下：

1、首先依据量纲分析给出各种工况的试验条件，在水洞中安装各工作系统；

2、单独测试水洞、空化器张线安装结构、通气系统、测试件的驱动装置、各测量及控制系统的工作状态，保证各系统联合工作正常；

3、压缩所需的气体，开动水洞电源，保证水洞测试段的压力及水流速度，依据试验要求调节通气系统，空泡测量系统工作，形成一个试验要求的多相流壁面；

4、依据试验条件，控制电机驱动圆柱测试件模拟空间机动情况的运动；

5、压力传感器测试圆柱表面压力，数据采集系统获得数据，同时依据照片测量空泡壁面与测试圆柱的相对位置；

6、完成一次试验，获得一种确定工作条件的数据，连续多次试验便可以获得航行体空间机动时工作范围的数据曲线。

Claims (5)

1.多相流航行体机动尾部滑行力测试装置，其特征是：包括水洞、空化器、张线、驱动杆、测试圆柱，水洞的壁面上固定第一-第三固定耳片，张线包括第一-第四张线，第一-第三张线的第一端分别连接第一-第三固定耳片，第一-第三张线的第二端均连接空化器，第四张线的第一端连接测试圆柱，第四张线的另一端穿过水洞壁面至水洞外，张线均为空心结构，在第一-第三张线的空心结构里设置通气管路，空化器的导线穿过第一张线、第二张线或第三张线至水洞外，驱动杆位于第四张线里，驱动杆的一端连接位于水洞里的测试圆柱，驱动杆的另一端穿过水洞壁面连接位于水洞外的驱动电机，测试圆柱位于空化器产生的空泡处。

2.根据权利要求1所述的多相流航行体机动尾部滑行力测试装置，其特征是：空化器锥段刻有三个锲形凹槽，第一-第三张线的第二端设置与楔形凹槽配合的四方体结构，空化器与第一-第三张线通过楔形凹槽和四方体结构相连；第一-第三张线的第一端设置预紧螺栓，第一-第三固定耳片上设置螺栓孔，第一-第三张线与第一-第三固定耳片通过预紧螺栓和螺栓孔相连。

3.根据权利要求1或2所述的多相流航行体机动尾部滑行力测试装置，其特征是：水洞的下壁面上设置重力补偿弯道，重力补偿弯道位于空泡下方；测试圆柱的下壁面安装动态压力传感器。

4.根据权利要求1或2所述的多相流航行体机动尾部滑行力测试装置，其特征是：张线的剖面为翼型。

5.根据权利要求3所述的多相流航行体机动尾部滑行力测试装置，其特征是：张线的剖面为翼型。