CN107300456B - 一种超空泡试验装置与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超空泡试验研究领域，涉及一种超空泡试验装置与试验方法。该试验装置包括船体、动力系统、超空化水翼、超空泡试验模型、测试组件、通气系统、电池组、电机和控制系统；所述测试组件、通气系统、电池组、电机和控制系统均设置在所述船体的内部空间；所述船体由船身和船舱盖板组成；所述动力系统由一级动力系统和二级动力系统组成；所述一级动力系统安装在船体尾部，所述二级动力系统安装在超空泡试验模型尾部；所述船体的两侧各设置一个超空泡试验模型，并分别通过所述超空化水翼连接船身。本发明还提供了一种超空泡试验方法。本发明通过船身、超空泡水翼和通气空化减阻设计，提高了航行速度，满足超空泡试验速度和环境需求。

Description

一种超空泡试验装置与试验方法

技术领域

本发明属于超空泡试验技术领域，涉及一种超空泡试验装置与试验方法，支撑带动力超空泡试验。

背景技术

超空泡是指航行体高速航行或人工通气条件下生成包裹航行体表面空泡的现象。超空泡可实现水下航行体高效减阻，引起国内外研究人员广泛关注。传统的以螺旋桨为推进装置的动力系统在高速下性能急剧下降，因此新型水下喷射推进动力系统，如水冲压发动机，成为超空泡航行体的首选动力装置。开展带动力超空泡试验，考核超空泡环境下动力系统性能，测试动力系统与超空泡流动耦合作用下性能参数，是超空泡航行器研究的关键技术之一。然而由于超空泡试验需要在高速水流环境或高航速条件下开展，给超空泡试验带来了较大的难度。

目前超空泡试验手段主要包括高速水洞试验、约束航行试验和自由航行试验。高速水洞通过驱动水流运动模拟航行体工作环境，由于水泵功率、洞体结构强度和水泵工作性能的限制，目前高速水洞的速度和尺寸都受到很大限制，最大尺寸的高速水洞直径约1米，最高速水洞速度约80m/s，但是直径只有3cm。因此水洞内只能开展小尺寸模型试验，而带动力超空泡试验几乎不可能。约束航行试验通常在水池中进行。模型安装在拖车上，拖车由自身动力系统驱动，在水池中运动，按导轨的形式分为拖曳水池与旋转水池。相对于水洞，水池可进行大尺度模型试验，且不存在洞壁效应等问题。然而受到拖车驱动机构限制，航速通常也不大于30m/s。自由航行试验通常在大型水池和湖泊里开展，模型回收和测量难度较大。总体来看，目前的试验方法均不能较好地满足超空泡试验需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种超空泡试验装置，通过对船身和超空化水翼进行设计，减小了船体高速航行时的阻力，提高了航行速度，满足了超空泡航行试验速度需求。具体技术方案如下：

一种超空泡试验装置，包括船体、动力系统、超空化水翼、超空泡试验模型、测试组件、通气系统、电池组、电机和控制系统；所述测试组件、通气系统、电池组、电机和控制系统均设置在所述船体的内部空间；所述船体由船身和船舱盖板组成；

所述动力系统由一级动力系统和二级动力系统组成；所述一级动力系统安装在船体尾部，所述二级动力系统安装在超空泡试验模型尾部；所述船体的两侧各设置一个超空泡试验模型，并分别通过所述超空化水翼连接船身。

进一步地，还包括一个空化器，设置在超空泡试验模型的前端，用于稳定空泡形态。

进一步地，所述测试组件包括摄像机和压力传感器。

进一步地，所述通气系统由进气道、压缩机和通气管路组成。

进一步地，所述动力系统为电动螺旋桨。

进一步地，所述超空化水翼采用混合翼型，靠近船身处为低速翼型，靠近超空泡试验模型处为超空化翼型，中间部分采用低速翼型和超空化翼型过渡连接。

进一步地，所述低速翼型为亚声速翼型，所述超空化翼型为尖头钝尾翼型。

本发明还提供了一种超空泡试验方法，采用上述的超空泡试验装置，具体包括以下步骤：

(S1)将超空泡试验装置置于水面，由超空泡试验模型和船体浮力平衡试验装置的重力；

(S2)启动一级动力系统，超空泡试验装置速度逐渐增加，超空化水翼升力逐渐增加，船身和水翼沾湿面积逐渐减小；

(S3)当试验装置速度加速至通气临界速度时，通气系统启动，超空泡试验模型表面逐步形成超空泡，试验装置阻力系数进一步降低；

(S4)当试验装置速度加速至二级动力系统的工作初速时，试验模型上的二级动力系统启动，试验装置速度进一步提高，直至推阻平衡达到巡航工作状态；

(S5)获取超空泡试验数据：利用搭载的测试组件对试验模型压力分布与空泡形态进行测量；

(S6)试验装置回收与数据处理：当完成数据测量后，动力系统关闭，通气系统关闭，待试验装置静止后对其回收，并对采集的数据进行处理。

采用本发明获得的有益效果：1)本发明通过船身和超空化水翼设计，减小了船体在高速航行时的阻力，提高了装置的航行速度，满足超空泡航行试验速度需求。2)本发明方法中的航行轨迹不受轨道约束，通过试验平台控制系统能够有效控制超空泡航行体轨迹，支撑机动过程超空泡性能试验。3)超空泡试验模型尺寸不受水洞和水池尺寸限制，超空泡试验模型可搭载动力系统，开展高速下动力系统性能试验，以及空泡与动力系统耦合试验。4)本发明中的船身能够为测试系统提供搭载空间，方便进行空泡形态拍摄和流场参数测量。5)试验方法便于试验模型发射与回收。

附图说明

图1为本发明试验装置结构示意图；

图2为本发明试验方法流程图。

具体实施方式

下面，结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明试验装置结果示意图。一种超空泡试验装置，包括船体1、动力系统2、超空化水翼3、超空泡试验模型4、测试组件5、通气系统6、电池组7、电机8和控制系统9；所述测试组件5、通气系统6、电池组7、电机8和控制系统9均设置在所述船体的内部空间；所述船体1由船身11和船舱盖板12组成。所述船身用于提供部件安装空间和部分升力，船舱盖板用于遮挡各类组成部件防止试验过程中内部空间进水。

所述动力系统由一级动力系统21和二级动力系统22组成；所述一级动力系统安装在船体尾部，所述二级动力系统安装在超空泡试验模型尾部；所述船体的两侧各设置一个超空泡试验模型，并分别通过所述超空化水翼连接船身；所述测试组件包括摄像机和压力传感器等试验测量装置。在实施例中，超空泡试验模型的形状采用超空泡航行体常用外形结构，也可以根据试验需要进行相应调整。在超空泡试验模型的前端设置一个空化器10，用于稳定空泡形态。所述通气系统由进气道、压缩机和通气管路组成(图1中超空化水翼上的虚线所示为通气管路及电缆)。空气由进气道进入压气机，经压气机增压后通过通气管路排出，在试验模型表面形成超空泡；所述电池组连接需要供电的各部件；电池组用于试验装置中各种电气部件供电；所述电池组分别连接通气系统和控制系统；所述电机8和控制系统9相连接。实施例中动力系统全部采用电动螺旋桨；也可以一级动力系统21和二级动力系统22分别选择不同的动力设备，其中一级动力系统21选择电动螺旋桨，驱动螺旋桨推进器的电机安装于船身，螺旋桨安装于船身下方，由流线型支撑件与船身连接；二级动力系统22选择固体火箭发动机或水冲压发动机等现有技术中的水下喷射动力系统，安装在试验模型内部且靠近试验模型的尾段，用于进一步提高试验装置整体航速。试验装置航行方向由尾舵13进行控制，置于推进系统支撑机构后缘处；推进系统支撑机构是用于连接船体和动力系统(图中的螺旋桨)的装置机构，可以选择现有技术中的支撑机构。若选择水冲压发动机提供动力，如图1中超空泡试验模型中设置一个进水管路41为水冲压发动机供水，利用水与燃料燃烧提供动力。

所述超空化水翼3采用混合翼型，所述混合翼型靠近船身的一端为低速翼型，靠近超空泡试验模型的一端为超空化翼型，混合翼型中间部分采用低速翼型和超空化翼型过渡连接。超空化水翼为试验装置高速航行时提供稳定的水动力和高升阻比，具体实施例中超空化水翼通过安装基座与船身和试验模型进行联接；低速翼型选择现有技术中的亚声速翼型，超空化翼型选择现有技术中的尖头钝尾翼型。

如图2所示，一种超空泡试验方法流程图，采用上述的超空泡试验装置，具体包括以下步骤：

(S1)将超空泡试验装置置于水面，由超空泡试验模型和船体浮力平衡试验装置的重力；

(S2)启动一级动力系统(实施例中为电动螺旋桨)，超空泡试验装置速度逐渐增加，超空化水翼升力逐渐增加，船身和水翼沾湿面积逐渐减小；

(S3)当试验装置速度加速至通气临界速度(即：通气系统启动的速度)时，通气系统启动，超空泡试验模型表面逐步形成超空泡，试验装置阻力系数进一步降低；

(S4)当试验装置速度加速至二级动力系统的工作初速时，试验模型上的二级动力系统启动(实施例中二级动力系统为水冲压发动机)，试验装置速度进一步提高，直至推阻平衡达到巡航工作状态；

(S5)获取超空泡试验数据：利用搭载的测试组件对试验模型压力分布与空泡形态进行测量；

(S6)试验装置回收与数据处理：当完成数据测量后，动力系统关闭，通气系统关闭，待试验装置静止后对其回收，并对采集的数据进行处理。试验数据的处理方法均采用本领域现有技术中的数据处理方法，此处不作介绍。

以上仅是实施例仅用于说明本发明的效果，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超空泡试验装置，其特征在于：包括船体、动力系统、超空化水翼、超空泡试验模型、测试组件、通气系统、电池组、电机和控制系统；所述测试组件、通气系统、电池组、电机和控制系统均设置在所述船体的内部空间；所述船体由船身和船舱盖板组成；

所述动力系统由一级动力系统和二级动力系统组成；所述一级动力系统安装在船体尾部，所述二级动力系统安装在超空泡试验模型尾部；所述船体的两侧各设置一个超空泡试验模型，并分别通过所述超空化水翼连接船身。

2.如权利要求1所述的一种超空泡试验装置，其特征在于：还包括一个空化器，所述空化器设置在超空泡试验模型的前端，用于稳定空泡形态。

3.如权利要求1所述的一种超空泡试验装置，其特征在于：所述测试组件包括摄像机和压力传感器。

4.如权利要求1所述的一种超空泡试验装置，其特征在于：所述通气系统由进气道、压缩机和通气管路组成。

5.如权利要求1所述的一种超空泡试验装置，其特征在于：所述动力系统为电动螺旋桨。

6.如权利要求1所述的一种超空泡试验装置，其特征在于：所述超空化水翼采用混合翼型；所述混合翼型靠近船身处为低速翼型，靠近超空泡试验模型处为超空化翼型，中间部分采用低速翼型和超空化翼型过渡连接。

7.如权利要求6所述的一种超空泡试验装置，其特征在于：所述低速翼型为亚声速翼型，所述超空化翼型为尖头钝尾翼型。

8.一种超空泡试验方法，采用如权利要求1至7任一项中所述的超空泡试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

(S1)将超空泡试验装置置于水面；

(S2)启动一级动力系统，超空泡试验装置速度逐渐增加，超空化水翼升力逐渐增加，船身和水翼沾湿面积逐渐减小；

(S3)当试验装置速度加速至通气临界速度时，通气系统启动，超空泡试验模型表面逐步形成超空泡，试验装置阻力系数进一步降低；

(S4)当试验装置速度加速至二级动力系统的工作初速时，试验模型上的二级动力系统启动，试验装置速度进一步提高，直至推阻平衡达到巡航工作状态；

(S5)获取超空泡试验数据：利用搭载的测试组件对试验模型压力分布与空泡形态进行测量；

(S6)试验装置回收与数据处理：当完成数据测量后，动力系统关闭，通气系统关闭，待试验装置静止后对其回收，并对采集的数据进行处理。