CN104280207B - 一种空泡形态识别及水动力测量方法 - Google Patents

Abstract

一种新型的空泡形态识别及水动力测量方法，通过在带空泡航行体锥段以及柱段合理布置压力测点，在航行体运动中实时获取所有压力数据，根据回射压力范围，得到当前空泡回射位置，从而获取航行体运动过程中的空泡演变形态，识别空泡尾部沾湿深度，实时计算航行体尾部水动力参数。该方法能够在带空泡航行体运动全航程中实时识别空泡的生成、发展、演化特性，根据获得的空泡回射点位置及空泡形态，可以准确计算航行体当前的水动力参数。本项发明可以为带空泡航行体湖态试验中的空泡形态以及水动力提供测量方法。

Description

一种空泡形态识别及水动力测量方法

技术领域

本发明涉及一种空泡形态识别及水动力测量方法，属于水下带空泡航行体测量技术领域。

背景技术

对于带空泡航行体来说，在流体中运动时航行体表面会包裹空泡，利用这种空泡效应并产生主动超空泡可以给航行体营造出空气中飞行的环境，能较大的减阻并提高航行速度。超空泡技术走向应用的关键在于突破超空泡稳定控制技术，而稳定控制技术的前提是能够准确获取空泡的形态及空泡包裹航行体的水动力，作为超空泡航行体稳定控制技术的数据分析基础。

当航行体在流体中高速运动产生空泡时，空泡通常以回射流的形式闭合在航行体表面上，并在闭合位置处产生较高的回射压力。同时航行体表面空泡闭合位置一般不是固定的，其位置根据运动速度的变化、空泡压力的变化及重力场中的位置等因素在航行体表面发生快速移动，在非对称情况下，这种移动会引起航行体流体动力的非定常变化，进而影响航行体的稳定性。因此需要准确识别航行体的空泡形态，确定空泡尾部闭合位置，有利于水下航行体的稳定控制。水下超空泡航行体实现闭环控制的前提是掌握比较准确的超空泡水动力参数，包括空化器水动力及后体水动力参数。在航行过程中空泡非定常演变、航行体运动及姿态参数实时变化，而这些导致后体水动力参数实时变化，软件仿真无法预测，需要航行过程中实时空泡测量，以实现后体水动力参数的测量和解算。

近年来，在空泡形态特性方面进行的研究集中在数值仿真和低速水洞方面，而在超空泡航行体运动过程中空泡形态的测量技术以及流体动力的实时获取等方面研究尚且欠缺。在低速水洞试验研究方面空泡形态识别的方法主要依靠高速摄影等外测手段进行测量，高速摄影技术受到光线强度的限制以及水、玻璃等介质直射的影响，很难准确获得超空泡形态图像。并且由于布设的难度水下光源限制等因素，高速摄影技术很难在大尺寸自由飞试验中获取多个测试数据，因此航行体运动中空泡形态的获取成为了极大的难题。

《超空泡形态参数的测量及参数可视化研究》文献为准确获得超空泡的外形特点，展示空泡生灭过程，对超空泡形态的相关参数测量和参数可视化展开了研究。《超空泡试验中的数字图像检测》文献应用现代数字图像分析理论，总结出一套超空泡水洞实验中应用的自动图像获取技术，使用该方法能够自动获取高速摄像图像中的空泡外形和振动周期等参数。《针对超空泡的图像增强和边缘检测技术》文献在超空泡模拟实验环境的基础上，为了高精度的获取超空泡的外形边界，对超空泡实验中的图像增强和边缘检测技术展开研究。《水下航行体通气超空泡形态及阻力特性试验研究》文献利用中速空泡水洞开展了通气超空泡试验，对通气超空泡形态及阻力特性进行了研究。

上述文献中，均主要采用高速摄影手段获取空泡形态，从影响空泡图像质量的因素入手，采用相关的图像处理技术辨识空泡形态，但在超空泡航行体运动过程中，受高速摄像安装难度和拍摄范围限制，很难获得全航程下空泡形态及航行体水动力特性，并且高速摄像设备无法安装到航行体内部，测量的图像数据不能实时发送到控制系统，无法实现带空泡航行体的闭环控制。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有测量方法的上述不足，提出一种新型的空泡形态识别及水动力测量方法，本发明依据势流理论，合理设计布置航行体表面压力测点，捕捉航行体表面回射压力，能够在带空泡航行体运动全航程中识别空泡的生成发展演化特性，并基于空泡形态闭合点位置，准确获得航行体全航程的流体动力试验数据，解决了运动中带空泡航行体空泡形态、水动力实时测量的难题，对于航行体闭环控制起到促进作用。

本发明解决的技术方案为：一种新型的空泡形态识别及水动力测量方法，步骤如下：

(1)带空泡航行体包括空化器、锥段、柱段，空化器固定连接在锥段的锥头，锥段的锥尾与柱段固定连接；航行体在流体中进行运动时，依据势流理论，假设流体是理想、不可压和无旋的，忽略自由面效应，获得了航行体在运动过程中产生的空泡回射压力的理论公式如下：

$P_{max}=\mathrm{\ρ}(\frac{V^2}{2}+\frac{P_0}{\mathrm{\ρ}}+gh)$

式中，P_max为回射压力，V为航行体运动速度，P₀为环境压力，ρ为水的密度，h为航行深度，g为重力加速度；

(2)根据航行体在运动过程中运动速度V、航行深度h、重力加速度g、环境压力P₀，利用步骤(1)中的空泡回射压力的理论公式，计算运动过程中的空泡回射压力P_max；

(3)根据步骤(2)中的空泡回射压力P_max，按照10％误差范围设定辨识空泡回射压力的范围；

(4)利用流体动力学计算软件FLUENT，建立与带空泡航行体比例相同的航行体计算模型，对该航行体计算模型在运动中的空泡形态进行预示，空泡形态包括空泡闭合点位置；

(5)根据步骤(4)中该航行体计算模型在运动中预示的空泡形态，在带空泡航行体上的空泡闭合点位置布置压力测点；

(6)在带空泡航行体的锥段布置压力测点；

(7)将步骤(5)、步骤(6)中的压力测点上的压力传感器接入带空泡航行体测试系统中，获取每个压力测点对应的压力数据；

(8)依次判断步骤(7)中获取的步骤(5)中的压力测点的压力数据是否落入步骤(3)中的回射压力范围，如果该压力数据落入回射压力范围，则判定此压力数据对应的压力测点为航行体空泡回射位置，即空泡闭合点；

(9)将步骤(8)中获得的空泡闭合点顺次连接，即可得到航行体尾部空泡形态；

(10)比较步骤(9)的航行体尾部空泡形态的空泡闭合点的轴向位置，取得距离空化器最近和最远的空泡闭合点，距离最近的空泡闭合点到距离最远的空泡闭合点沿航行体轴向的投影长度即为滑行区长度l，距离最近的空泡闭合点到距离最远的空泡闭合点沿垂直轴向的投影长度即为空泡尾部沾湿深度h；

(11)根据步骤(10)中距离空化器最远的空泡闭合点位置和步骤(7)中获取的空泡内的压力，计算空泡半径R，公式如下：

$R=\sqrt{3.659+0.847(\frac{x}{R_n}-2)-0.236\frac{P_0-P_C}{0.5{\mathrm{\ρV}}^2}{(\frac{x}{R_n}-2)}^2}{R}_n$

式中，R_n为空化器半径，x为距离空化器最远的空泡闭合点的轴向位置，P_C为步骤(7)中获取的步骤(6)中的压力测点的压力数据；

(12)根据步骤(9)中的滑行区长度l、空泡尾部沾湿深度h和步骤(11)中的空泡半径R，计算航行体尾部水动力参数F，公式如下：

$F={\mathrm{\ρ\πR}}^2{V}^{2}sin\mathrm{\α}cos\mathrm{\α}(1-{\left(\frac{2R-2r}{2R-2r+h}\right)}^2)\left(\frac{r+h}{r+2h}\right)$

式中，r为带空泡航行体柱段半径，空泡尾部边缘与行形体底部边缘的夹角

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的带空泡航行体空泡形态识别方法，能够在带空泡航行体运动全航程中实时识别空泡的生成、发展和演化特性；

(2)根据步骤(7)、步骤(8)获得的空泡回射位置及航行体尾部空泡形态，可以实时计算航行体当前的水动力参数F；

(3)步骤(8)的航行体尾部空泡形态及步骤(10)的水动力参数F等测量结果可直接输出至航行体的控制系统，以实现带空泡航行体闭环稳定控制；

(4)通过回射压力推算空泡形态，可以将步骤(5)、步骤(6)、步骤(10)中的传感器及测量设备安装到航行体中，不受试验水域、试验环境影响，相比高速摄影等方法，有效降低了试验难度；

(5)根据FLUENT仿真预示结果进行压力测点布置，重点测量空泡回射位置的压力数据，合理设计布置测点截面，减少测点位置。

附图说明

图1为本发明所测量的带空泡航行体示意图；

图2为本发明测量的空泡形态示意图；

图3为本发明提供的一种空泡闭合点位置压力测点布置方式示意图；

图4为本发明提供的一种航行体锥段压力测点布置方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，一种新型的空泡形态识别及水动力测量方法，步骤如下：

(1)如图1所示，带空泡航行体包括空化器1、锥段2、柱段3，空化器1固定连接在锥段2的锥头，锥段2的锥尾与柱段3固定连接；航行体在流体中进行运动时，依据势流理论，假设流体是理想、不可压和无旋的，忽略自由面效应，获得了航行体在运动过程中产生的空泡回射压力的理论公式如下：

$P_{max}=\mathrm{\ρ}(\frac{V^2}{2}+\frac{P_0}{\mathrm{\ρ}}+gh)$

式中，P_max为回射压力，V为航行体运动速度，P₀为环境压力，ρ为水的密度，h为航行深度，g为重力加速度；

(2)根据航行体在运动过程中运动速度V、航行深度h、重力加速度g、环境压力P₀，利用步骤(1)中的空泡回射压力的理论公式，计算运动过程中的空泡回射压力P_max；

(3)根据步骤(2)中的空泡回射压力P_max，按照10％误差范围设定辨识空泡回射压力的范围；

(4)利用流体动力学计算软件FLUENT，建立与带空泡航行体比例相同的航行体计算模型，对该航行体计算模型在运动中的空泡形态进行预示，空泡形态包括空泡闭合点位置；如图2所示，图中包含空泡4、空泡闭合点一5、空泡闭合点二6，

(5)根据步骤(4)中该航行体计算模型在运动中预示的空泡形态，在带空泡航行体柱段上的空泡闭合点位置布置压力测点；如图3所示，图中包含闭合点测压截面一6、闭合点测压截面二7、闭合点测压截面三8、闭合点测压截面四9、闭合点测压截面五10、闭合点测压截面压力传感器布置11、压力传感器12；闭合点测压截面一6、闭合点测压截面二7、闭合点测压截面三8、闭合点测压截面四9、闭合点测压截面五10上分别均等布置8支压力传感器12，如闭合点测压截面压力传感器布置11所示；

(6)在带空泡航行体的锥段，布置2个压力测点；如图4所示，图中包含锥段测压截面13、锥段测压截面压力传感器布置14、压力传感器15；锥段测压截面13上均等布置2支压力传感器15，如锥段测压截面压力传感器布置14所示；

(7)将步骤(5)、步骤(6)中的压力测点上的压力传感器接入带空泡航行体测试系统中，获取每个压力测点对应的压力数据；

(8)依次判断步骤(7)中获取的步骤(5)中的压力测点的压力数据是否落入步骤(3)中的回射压力范围，如果该压力数据落入回射压力范围，则判定此压力数据对应的压力测点为航行体空泡回射位置，即空泡闭合点；

(9)将步骤(8)中获得的空泡闭合点顺序连接，即可得到航行体尾部空泡形态；

(10)比较步骤(9)的航行体尾部空泡形态的空泡闭合点的轴向位置，取得距离空化器最近和最远的空泡闭合点，距离最近的空泡闭合点到距离最远的空泡闭合点沿航行体轴向的投影长度即为滑行区长度l，距离最近的空泡闭合点到距离最远的空泡闭合点沿垂直轴向的投影长度即为空泡尾部沾湿深度h，如图2所示，空泡闭合点一5为距离最近的空泡闭合点，空泡闭合点二6为距离最远的空泡闭合点；

(11)根据步骤(10)中距离空化器最远的空泡闭合点位置和步骤(7)中获取的空泡内的压力，计算空泡半径R，公式如下：

$R=\sqrt{3.659+0.847(\frac{x}{R_n}-2)-0.236\frac{P_0-P_C}{0.5{\mathrm{\ρV}}^2}{(\frac{x}{R_n}-2)}^2}{R}_n$

式中，R_n为空化器半径，x为距离空化器最远的空泡闭合点的轴向位置，P_C为步骤(7)中获取的步骤(6)中的压力测点的压力数据。

(12)根据步骤(9)中的滑行区长度l、空泡尾部沾湿深度h和步骤(11)中的空泡半径R，计算航行体尾部水动力参数F，公式如下：

$F={\mathrm{\ρ\πR}}^2{V}^{2}sin\mathrm{\α}cos\mathrm{\α}(1-{\left(\frac{2R-2r}{2R-2r+h}\right)}^2)\left(\frac{r+h}{r+2h}\right)$

式中，r为带空泡航行体柱段半径，空泡尾部边缘与行形体底部边缘的夹角

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的压力测点布置方式，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (1)

1.一种空泡形态识别及水动力测量方法，其特征在于步骤如下：

(1)带空泡航行体包括空化器、锥段、柱段，空化器固定连接在锥段的锥头，锥段的锥尾与柱段固定连接；航行体在流体中进行运动时，依据势流理论，假设流体是理想、不可压和无旋的，忽略自由面效应，获得了航行体在运动过程中产生的空泡回射压力的理论公式如下：

$P_{max}=\mathrm{\ρ}(\frac{V^2}{2}+\frac{P_0}{\mathrm{\ρ}}+gh)$

式中，P_max为回射压力，V为航行体运动速度，P₀为环境压力，ρ为水的密度，h为航行深度，g为重力加速度；

(2)根据航行体在运动过程中运动速度V、航行深度h、重力加速度g、环境压力P₀，利用步骤(1)中的空泡回射压力的理论公式，计算运动过程中的空泡回射压力P_max；

(3)根据步骤(2)中的空泡回射压力P_max，按照10％误差范围设定辨识空泡回射压力的范围；

(4)利用流体动力学计算软件FLUENT，建立与带空泡航行体比例相同的航行体计算模型，对该航行体计算模型在运动中的空泡形态进行预示，空泡形态包括空泡闭合点位置；

(5)根据步骤(4)中该航行体计算模型在运动中预示的空泡形态，在带空泡航行体上的空泡闭合点位置布置压力测点；

(6)在带空泡航行体的锥段布置压力测点；

(7)将步骤(5)、步骤(6)中的压力测点上的压力传感器接入带空泡航行体测试系统中，获取每个压力测点对应的压力数据；

(8)依次判断步骤(7)中获取的步骤(5)中的压力测点的压力数据是否落入步骤(3)中的回射压力范围，如果该压力数据落入回射压力范围，则判定此压力数据对应的压力测点为航行体空泡回射位置，即空泡闭合点；

(9)将步骤(8)中获得的空泡闭合点顺次连接，即得到航行体尾部空泡形态；

(10)比较步骤(9)的航行体尾部空泡形态的空泡闭合点的轴向位置，取得距离空化器最近和最远的空泡闭合点，距离最近的空泡闭合点到距离最远的空泡闭合点沿航行体轴向的投影长度即为滑行区长度l，距离最近的空泡闭合点到距离最远的空泡闭合点沿垂直轴向的投影长度即为空泡尾部沾湿深度h；

(11)根据步骤(10)中距离空化器最远的空泡闭合点位置和步骤(7)中获取的空泡内的压力，计算空泡半径R，公式如下：

$R=\sqrt{3.659+0.847(\frac{x}{R_n}-2)-0.236\frac{P_0-P_C}{0.5{\mathrm{\ρV}}^2}{(\frac{x}{R_n}-2)}^2}{R}_n$

式中，R_n为空化器半径，x为距离空化器最远的空泡闭合点的轴向位置，P_C为步骤(7)中获取的步骤(6)中的压力测点的压力数据；

(12)根据步骤(9)中的滑行区长度l、空泡尾部沾湿深度h和步骤(11)中的空泡半径R，计算航行体尾部水动力参数F，公式如下：

$F={\mathrm{\ρ\πR}}^2{V}^2\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}\left(1-{\left(\frac{2R-2r}{2R-2r+h}\right)}^2\right)\left(\frac{r+h}{r+2h}\right)$

式中，r为带空泡航行体柱段半径，空泡尾部边缘与行形体底部边缘的夹角