CN108458854A - 一种三维艉流场测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体测量领域，并公开了一种三维艉流场测试装置。该测试装置包括支架、传感器基座、导圈、导杆和导叶，支架用于连接待测试部件；传感器基座设置在导圈上，用于安装传感器；导圈包括内圈和外圈，外圈和内圈上分别分布着多个导杆，该导杆用于连接导叶和导圈，同时，该导杆通过调整自身的长度实现外圈和内圈前后相对位置的调整，以此调整传感器的测量角度；导叶分布在支架的外表面，通过沿支架的外表面旋转，带动内圈和/或外圈旋转，从而带动传感器基座旋转，进而调整该传感器基座上传感器的测量区域。通过本发明，有效解决传感器布置困难、安装不便等问题，测量结果精确、可视化，对水试验的进行、操作、数据的采集提供很大的帮助。
Description
技术领域
本发明属于流体测量领域，更具体地，涉及一种三维艉流场测试装置。
背景技术
潜水艇在水下做匀速运动时，周围的水介质与艇体产生相互运动而形成绕艇体流动的流场。这些流场特别艉流场的流动特性，不仅对潜艇的水动力性能产生直接的影响，而且引发的流动是潜艇水动力噪声的主要来源之一，对潜艇的隐蔽性有重要影响。目前，对潜水艇运动时的流场特别是艉流场的特性研究方法主要分为两种：一种是通过数值仿真CFD技术模拟出艇体的流场特性，显然该方式有其便利可取之处，但是通常模拟出的结果需要有待试验的验证，第二种则是利用缩比模型进行水动力拖曳试验，用传感器测量数据结果后进行分析，这种方法所得到的结果更加真实，可靠。
在模型艉流场的试验中，传感器的安装、布置以及如何测量是一个十分重要的问题，它直接关系到试验的结果。但是目前并没有相关的装置能够提供给试验者，试验人员也经常需要想方设法来布置传感器进行试验，最终的结果也是导致试验很难展开。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三维艉流场测试装置，通过对其关键组件导叶、导杆和传感器基座的设计，使得传感器实现多角度和多区域的艉流场分布的测量，由此解决艉流场分布全方位测量的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种三维艉流场测试装置，其特征在于，该艉流场测试装置包括支架、传感器基座、导圈、导杆和导叶，
所述支架用于将该测试装置连接在待测试部件上；所述传感器基座设置在所述导圈上，用于安装测量艉流场分布的传感器；
所述导圈包括内圈和外圈，所述传感器基座沿所述内圈和外圈的圆周分布，且其一端与所述内圈连接，另一端与所述外圈连接，所述外圈和内圈上分别分布着多个导杆，该导杆用于连接所述导叶和导圈，同时，该导杆通过前后伸缩调整自身的长度实现所述外圈和内圈前后相对位置的调整，以此调整所述传感器基座上传感器的测量角度；
所述导叶分布在所述支架的外表面，该导叶通过沿所述支架的外表面旋转，带动所述内圈和/或外圈旋转，从而带动所述传感器基座旋转，进而调整该传感器基座上传感器的测量区域。
进一步优选地，所述传感器基座包括上基座、支撑件和下基座，所述上基座用于安装传感器，所述支撑件用于连接所述上基座和下基座，所述下基座用于与所述导圈连接。
进一步优选地，所述上基座上设置有多个探头，每个探头上设置有多个用于安装传感器的孔，该孔的数量根据待测流体的种类，速度和测量精度选确定。
进一步优选地，所述传感器还外接可视化组件，一方面用于调节所述传感器的参数，另一方面用于可视化所述传感器的测量结果。
进一步优选地，所述导叶采用流线型，用于避免涡流振动，以此减少对艉流场的影响。
进一步优选地，所述的传感器基座的上下基座由3D打印加工成形，所述的支撑件采用铝合金材料加工，保证强度的同时减少重量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明采用的导杆长度可以调节，通过调节导杆的长度实现传感器测量角度的调整，同时通过调整导叶沿支架旋转，使得传感器在导圈上移动，从而改变传感器的测量区域，该调整方式操作简单便捷，便于艉流场的快捷测量，适用范围广；
2、本发明的通过采用传感器基座设置一端连接在外圈，另一端连接在内圈上，且采用上下基座和支撑件的结构设计，该结构设计方便传感器的拆卸，同时支撑件用于支撑和加强强度，避免拆卸过程中传感器基座变形；
3、本发明通过将导叶采用流线型的设计，减少模型对流场的影响，同时也能减少涡激振动，另外，采用采用3D打印技术成型传感器基座，根据实际的需求调整探头上的孔的数量和尺寸等，使得传感器的安装基座能安装不同型号、不同大小的传感器，满足各种测量的需要。
4、本发明通过采用外圈和内圈的导圈结构，该结构中导圈细小，对待测量流程影响下，同时内外圈相互配合使得传感器能测量内外圈之间的区域，增大测量区域，提高测量准确度。
5、本发明与现有的五孔、七孔等探针测量理论技术相结合，利用传感器实现艉流场速度的三维测量。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的艉流场测试装置的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的传感器基座的结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的传感器结构示意图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的五孔探头的结构示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的五孔探头上开孔的角度及模型图示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-支架2-导叶3-导杆4-导圈-5-传感器基座6-可视化组件7-上基座8-下基座9-支撑件10-安装孔11-导线出孔12-探头
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的优选实施例所构建的艉流场测试装置的结构示意图，如图1所示，一种三维艉流场测试装置，该艉流场测试装置包括支架1、传感器基座5、导圈4、导杆3和导叶2。
所述支架1用于将该测试装置连接在待测试部件上；所述传感器基座5设置在所述导圈4上，用于安装测量艉流场分布的传感器；
所述导圈4包括内圈和外圈，所述传感器基座5沿所述内圈和外圈的圆周分布，且其一端与所述内圈连接，另一端与所述外圈连接，所述外圈和内圈上分别分布着多个导杆3，该导杆3用于连接所述导叶2和导圈4，同时，该导杆3通过前后伸缩调整自身的长度实现所述外圈和内圈前后相对位置的调整，以此调整所述传感器基座5上传感器的测量角度，其中，导杆可采用多节连接的结构，以此实现可伸缩的功能，但不仅仅限于该结构；
所述导叶2分布在所述支架的外表面，该导叶通过沿所述支架1的外表面旋转，带动所述内圈和/或外圈旋转，从而带动所述传感器基座5旋转，进而调整该传感器基座上传感器的测量区域，所述导叶2采用流线型，用于避免涡激振动，以此减少对艉流场的影响，该导叶的旋转可通过在支架外表面设置导轨，并使得导叶沿导轨旋转的形式实现，或者在支架表面设置多个插孔，通过调整导叶插在不同的插孔中，实现导叶的旋转，但不仅仅限于以上两种实现方式。
图2是按照本发明的优选实施例所构建的传感器基座的结构示意图，如图2所示，所述传感器基座呈条状，包括上基座7、支撑件9和下基座8，所述上基座7用于安装传感器，所述支撑件9用于连接所述上基座7和下基座8，所述下基座8用于与所述导圈连接，所述上基座7上设置有多个探头，每个探头上设置有多个用于安装传感器的孔，该孔的数量根据待测流体的种类、速度和测量精度确定。所述传感器基座5采用3D打印成形，与此同时，本套传感器的测量安装装置经由理论计算、三维建模并结合3D打印技术设计加工而成，它不仅仅是可以提供普通的五孔式的传感器安装基座，也能满足要求扩大探针测试范围等情况，亦可采用特制探针、六孔、七孔等形式，设计时只需要修改传感器基座的三维模型，然后用3D打印机加工即可，这也是本装置的又一便利之处。
图4是按照本发明的优选实施例所构建的五孔探头的结构示意图，如图4所示，本实施例中艉流场采用五孔测量的测量原理测量，所以探头上设置有五个孔，根据实际的需求选择不同的测量原理，由此选择不同的孔的数量，例如一孔、三孔、六孔或七孔等；五孔探针不对向的测量方法测量艉流场，是一种利用理想流体的绕球理论，通过可移动布置以及旋转五孔探针测试艉流场流体流场性能，该方法能够有效避开孔与流体的压差和系数的零值，同时可移动的设计也能测量原先静态五孔所不能测量的测点，此外，本方法对于复杂流场的测试更加具有优越性，它可以对不同的测点，将探针偏转不同的角度或方位，而最终都可以换算到某一统一的参展面上进行比较和计算，关于五孔探针不对向的测量方法的测量原理属于现有技术，本发明在此不再累述。
如图1所示，所述传感器还外接可视化组件6，一方面用于调节所述传感器的参数，另一方面用于可视化所述传感器的测量结果。可视化组件主要由Evolution软件组成，它可以作为设置、控制信号解调仪，能够完成传感器参数设置、量程设置、采样频率以及数字或模拟输出设置，实现可视化界面，简洁易用，同时，试验人员也可以选择数据显示或实时显示，更加直观，记录后亦可储存为多种文件格式，方便以后数据的提取和分析。
利用上述五孔探针的不对向测量方法，再配上可视化组件的实时数据采集处理，就可以开发三维速度实时测量系统，它可以适用于被测速度变化不是非常剧烈地场合使用，在三维速度实时测量系统中，测量方法改用非对向测量方法，在测量中不需要随时转动探针，另外配上角度传感器，测量探针转动地角度，就可以实时测量三维速度了。
图3是按照本发明的优选实施例所构建的传感器结构示意图，如图3所示，本实施例中的五孔式探头中安装有FISO光纤传感器，这是一套可测量三维速度的可视化的能够减少涡激振荡的流线型潜艇模型拖曳水试验艉流场特性测量装置，工作时先将本装置装配好然后安装在待测模型的艉流场中，连接好传感器的导线进行试验；FISO光纤压力传感器是一种利用波动光学中F-P干涉仪对微小腔长变化的敏感性感知测量外界物理量变化原理的微小鼓状结构的压力传感器，它的最小直径感测头可达到0.3mm，频响范围最高可达到30kHz，可适用于气体、液体以及恶劣环境下的流体测量。
本实施例中，支架1测试时与待测模型的尾端相连，导叶2固定在支架1上，内、外导杆3由导叶2的前端向前伸出，在导杆3的前端分别支撑起不同的导圈4，导圈4上面留有安装孔，方便与传感器基座5相连接。试验过程中所得到的数据信息可以实时由可视化组件6显示，其中，导杆3是链接前部导圈和尾部的导叶的结构，特点是细长而又具有一定的结构强度，能减少振动，导叶2采用的是流线型的外表，能够在流体中减少运动时的阻力。导叶2对称嵌在尾部安装部分上，使整个结构能够有效地形成一个整体，在试验时能稳定的工作。传感器基座5由上、下两部分以及中间支撑件组成。上基座7上面安装传感器，并将传感器的导线通过预留的空间穿过支撑件9上的导线孔11，然后用螺丝固定在中间支撑件9上。
图5是按照本发明的优选实施例所构建的五孔探头测量原理示意图。，如图5所示，是五孔探针开孔的角度及模型图，根据试验的条件、工况等经由理论计算后给出每个孔的具体位置，图中1、2和3孔构成的平面定义为俯仰平面，2、4和5孔构成的平面定义为偏斜平面，这两平面相互垂直。各侧孔轴线与中心孔轴线间的夹角相同，一般取为45°。每个孔分别通过探针体内的引压管与外部的压力传感器相连，由传感器测量各孔压力p1，p2，p3，p4和p5，五孔球形探针的方向特性α和β确定，α为来流方向与俯仰平面的夹角，称为俯仰角；β为来流方向与偏斜平面的夹角，称为偏斜角，校准时，在已知来流速度下，分别在一组α和β角下测得对应的俯仰角系数CPα，偏斜角系数CPβ，总压系数Cpt和静压系数Cps，其中，该参数按照下列表达式进行，
流体总压pt和流体静压ps经过风洞试验得到的校准风洞参数提供，把上述4个系数绘制成曲线图就是五孔探针的校准曲线。测量时，将五孔探针的实测值应用校准曲线进行插值，得到待测量艉流场的总压、静压、速度大小和方向。
按照本发明的一个实施例，潜艇在水下运动时，其周围的流场特别是艉流场的特性是一个十分复杂的问题，也是不得不研究的问题，因为它不仅关系到潜艇在水下的运动工作状态，还影响到潜艇在水下的隐蔽性，故需要一种测量潜艇周围流场特性的装置，目前通过采用潜艇航行器的缩比模型用于模拟潜艇的拖拽实验，该缩比模型尺寸大且重量大，很难通过直接在该模型的表面或者伸出结构上布置测量的传感器，因此，为了实现通过该缩比模型真实的反映潜艇周围的艉流场的特性，采用本发明提供的一种多方位的艉流场测试装置，即可真实测量艉流场的特性，也避免测量过程中破坏待测量设备。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种三维艉流场测试装置，其特征在于，该艉流场测试装置包括支架(1)、传感器基座(5)、导圈(4)、导杆(3)和导叶(2)，
所述支架(1)用于将该测试装置连接在待测试部件上；所述传感器基座(5)设置在所述导圈上，用于安装测量艉流场分布的传感器；
所述导圈(4)包括内圈和外圈，所述传感器基座(5)沿所述内圈和外圈的圆周分布，且其一端与所述内圈连接，另一端与所述外圈连接，所述外圈和内圈上分别分布着多个导杆(3)，该导杆用于连接所述导叶(2)和导圈(4)，同时，该导杆通过前后伸缩调整自身的长度实现所述外圈和内圈前后相对位置的调整，以此调整所述传感器基座上传感器的测量角度；
所述导叶(2)分布在所述支架(1)的外表面，该导叶通过沿所述支架的外表面旋转，带动所述内圈和/或外圈旋转，从而带动所述传感器基座旋转，进而调整该传感器基座上传感器的测量区域。
2.如权利要求1所述的一种三维艉流场测试装置，其特征在于，所述传感器基座(5)包括上基座(7)、支撑件(9)和下基座(8)，所述上基座(7)用于安装传感器，所述支撑件(9)用于连接所述上基座和下基座，所述下基座(8)用于与所述导圈连接。
3.如权利要求1或2所述的一种三维艉流场测试装置，其特征在于，所述上基座(7)上设置有多个探头(12)，每个探头上设置有多个用于安装传感器的孔，该孔的数量根据待测流体的种类，速度和测量精度选确定。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种三维艉流场测试装置，其特征在于，所述传感器还外接可视化组件(6)，一方面用于调节所述传感器的参数，另一方面用于可视化所述传感器的测量结果。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种三维艉流场测试装置，其特征在于，所述导叶(2)采用流线型，用于避免涡流振动，以此减少对艉流场的影响。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种三维艉流场测试装置，其特征在于，所述传感器基座的上、下基座由3D打印加工成形，所述的支撑件采用铝合金材料加工，保证强度的同时减少重量。
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