CN109596313A - 一种主动通气式水下航行体试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主动通气式水下航行体试验装置，包括航行体首部、航行体主体外壳和航行体底座；所述航行体主体内部设置有输气装置；所述输气装置包括整气气室和进气管；所述进气管上端与整气气室连接，进气管的下端穿过航行体底座与外部气压系统连接；所述整气气室内设置有气室，气室上设置有气孔，航行体主体外壳上设置有通道，所述气孔与通道相配合。本发明人结构紧凑、操作方便、适应范围广，可实现结构可简易变换、航行体表面通气，结合高速摄影技术，来探索主动通气空泡多相流流动问题，旨在深入研究其演化机理，为推动主动通气技术的发展提供有价值的参考依据。

Description

一种主动通气式水下航行体试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种主动通气式水下航行体试验装置，属于船舶与海洋工程技术领域。

背景技术

水下航行体在水下高速运动过程中会产生自然空化现象，自然空化发生时伴随有大量空泡产生。随着环境压力的逐渐变小直至航行体穿出水面，空泡会出现不对称、脱落、溃灭等现象，在航行体表面产生随机载荷，对航行体造成强烈冲击，甚至导致航行体内部仪器失灵和外部结构发生损毁。力矩的不对称将会对航行体姿态产生相当大的扰动，从而影响航行体的运动姿态。为了尽量抑制自然空化的产生，降低水下航行体出水水动力载荷，大量科研人员开始着手研究向航行体表面通气，在航行体表面形成包裹着航行体的人工通气空泡，以达到控制水下航行体运动姿态，提高水下航行体运动稳定性的目的。

主动通气技术涉及通气空泡运动特性、通气空泡融合特性等内容，包含复杂的多相流、流固耦合等问题，流气固三项之间互相耦合作用。目前在理论研究以及数值研究方面还没有能够有效解决这些问题，为推动主动通气技术的发展，需要通过实验手段探究这些复杂问题的内在机理。真实水下发射实验受诸多条件的限制，且实验费用十分惊人，无法进行大规模的重复类比实验，因此实验室缩尺模型实验就成了研究水下航行体出水过程的首选手段。

目前实验手段主要有两种：一种是空泡水洞实验，另一种是常压环境下的水箱实验。在空泡水洞中进行的通气空泡实验是使人工通入的空气在航行体上包裹成一层稳定的空泡后再进行观察测量，观测到的是一个稳态的过程，而且航行体均采用水平放置，这样人工通气形成的空泡会受到重力的影响产生偏斜，这与实际水下发射的试验环境有很大差别；不仅如此，空泡水洞的造价昂贵，不适宜于通气空泡实验的发展。在常压环境下的水箱中进行的通气空泡实验由于无法满足空泡数相似，导致无法观测到通气空泡的融合过程，存在很大的问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种结构紧凑、操作方便、适应范围广的主动通气式水下航行体试验装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种主动通气式水下航行体试验装置，包括航行体首部、航行体主体外壳和航行体底座，所述航行体主体外壳上部与航行体首部连接，航行体主体外壳下部与航行体底座连接；所述航行体主体内部设置有输气装置；

所述输气装置包括整气气室和进气管；所述进气管上端与整气气室连接，进气管的下端穿过航行体底座与外部气压系统连接；所述整气气室内设置有气室，气室上设置有气孔，航行体主体外壳上设置有通道，所述气孔与通道相配合。

本发明还包括这样一些特征：

1.还包括整气流罩，所述整气流罩为设置有透气孔的空心柱体，整气流罩设置在航行体首部与航行体主体外壳之间，航行体首部和航行体主体外壳之间形成气缝，所述气室与整气流罩相通；

2.所述气缝为0-3mm；

3.所述整气流罩和航行体主体外壳之间还设置有整气流垫片；所述整气流垫片中间设置有通孔；

4.所述航行体首部为半球形、锥形、方形或圆柱形；

5.还设置有O型圈，所述O型圈设置在整气气室与航行体外壳和整气流垫片与航行体外壳中间；

6.所述气室有两个，第一气室上设置有第一气孔，航行体主体外壳上设置有第一通道，所述第一气孔与第一通道相配合；所述第二气室上设置有第二气孔，航行体主体外壳上设置有第二通道，所述第二气孔与第二通道相配合；所述第一通道设置在航行体外壳的上部，第二通道设置在航行体外壳的中部；

7.所述气室有三个，第一气室上设置有第一气孔，航行体主体外壳上设置有第一通道，所述第一气孔与第一通道相配合；所述第二气室上设置有第二气孔，航行体主体外壳上设置有第二通道，所述第二气孔与第二通道相配合；所述第三气室与整气流罩相通；所述第一通道设置在航行体外壳的上部，第二通道设置在航行体外壳的中部；

8.所述第一气室分为两部分，第一部分和第二部分相连通，第一部分与进气管连接，第二部分上设置有第一气孔，航行体主体外壳上设置有第一通道，所述第一气孔与第一通道相配合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明人针对水下航行体通气实验发明了一种减压罐试验装置，同时研发了一种便调式主动通气式水下航行体试验装置，该试验装置结构紧凑、操作方便、适应范围广，可实现结构可简易变换、航行体表面通气，结合高速摄影技术，来探索主动通气空泡多相流流动问题，旨在深入研究其演化机理，为推动主动通气技术的发展提供有价值的参考依据。

本发明可以探究水下航行体首部形状对航行体出水及发射性能的影响；探索气缝大小对航行体出水性能的影响；探索通气量及通气位置对航行体水下发射性能的影响；气密O型圈增加试验可靠性，同时便于多次试验后及时更换，具有经济便捷的优势。

附图说明

图1是本发明的中纵剖视图；

图2是航行体首部中纵剖视图；

图3是整气流罩等轴视图；

图4是整气流垫片俯视和仰视等轴视图；

图5是气室中纵剖视图；

图6是航行体外壳中纵剖视图；

图7是进气管中纵剖视图；

图8是航行体底座俯视和仰视等轴视图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种主动通气式水下航行体试验装置，包括航行体外部结构以及内部输气装置，所述内部输气装置包括尾端钢制带螺纹进气管，多管路整气气室与航行体外壳构成中上层输气装置，航行体顶部气室布置整气流罩；其特征是，还包括整气气室，航行体主体外壳与整气气室首部通过螺杆连接，航行体首部与整气气室之间设置整流气罩、整气流垫片形成顶部气缝气体输运通道，整气气室与航行体主体外壳之间通过O型圈形成2个独立供气气室，航行体底座与航行体主体外壳之间通过螺杆紧密连接；所述航行体外部结构包括顶部圆弧过渡、中上部布置输气孔的航行体主体外壳；所述航行体首部与整气气室通过螺杆固定；所述气缝高度随整气流罩高度而调节；所述O型圈用于整气气室与航行体主体外壳，整流垫片与航行体主体外壳连接；所述航行体底部与航行体主体外壳通过螺杆连接；所述航行体中上部通道连接独立气室；所述航行体主体外壳下部设置螺纹孔，用于与底座紧密限位连接；航行体主体外壳中部和上部按照试验要求布置均匀周向气孔；航行体主体外壳内设置3道距离一定的O型圈安装凹槽，用于整气气室安装，配合整气气室形成两个独立的出气气室；航行体外壳顶部设置圆形弧度过渡，与整气流垫片和航行体首部配合，形成首部坡度不同的航行体试验模型；所述航行体主体外壳上的通道大小、数量及位置均可调整，甚至可按照试验要求不布置通道，气孔的位置在各自独立的出气气室内移动；所述航行体首部外轮廓具有多种结构形式和坡度可供选择装配，航行体首部内设螺纹孔，用于螺旋连接；设置整气气室，用于储存及整顿气流；整气气室内设置凹槽，用于整气流罩限位安装；所述航行体首部布置气室，气室内安装整流气罩；所述航行体的顶部气缝由航行体首部、整气流垫片、整气流罩组成，通过调节整气流罩高度和连接螺杆装配深度，可实现气缝高度调节，甚至可调节至零高度；所述航行体整气气室布置3类5根相互独立的螺旋纹进气管道，整气气室内布置4个独立气室，多个输气小通道，沿特定路线输运气体，互不干扰，独立运行工作；气室壁面布置3道O型圈装配凹槽；所述整气气室与航行体主体外壳内壁之间通过3道O型圈限位连接，形成2个独立气室，气密性优越；所述进气管，进气管为钢制圆管，上端与气室通螺纹连接；下端延伸出航行体底座，通过软气管与高压气罐连接；所述航行体底座两侧设置对称螺纹孔，通过螺杆连接航行体主体外壳；航行体底座底部设置5个进气管限位孔；错位布置3个不穿透螺纹孔，形成正三角形，与发射装置紧密连接。

一种主动通气式水下航行体试验装置，包括航行体首部1、连接螺杆2、整气流罩3、整气流垫片4、气缝5、航行体主体外壳6、O型圈7、整气气室8、进气管9、航行体底座10，所述航行体首部1，可以按照试验需求，更换为多边椎体、圆柱体、半球体等，首部坡度亦可随之改变，探究水下航行体首部形状对航行体出水及发射性能的影响；所述连接螺杆2用于连接航行体首部1、整气气室8及航行体主体外壳6，按照试验设计需求可更改长度，配合整流气罩3、整气流垫片4改变气缝5的高度，探索气缝5大小对航行体出水性能的影响；所述航行体主体外壳6，可按照试验需求更改主体长度、设计航行体中上部通道大小、数量及位置，探索通气量及通气位置对航行体水下发射性能的影响；所述气密O型圈7用于整气气室8与航行体主体外壳6定位、连接，航行体首部1与航行体主体外壳6定位连接，确保相关部位气密，增加试验可靠性，同时便于多次试验后及时更换，具有经济便捷的优势；所述气室包括三套独立供气系统，互不干扰，可按照试验需求完成单中部通气试验，单上部通气试验，单顶部通气试验，中部和上部同时通气试验，中部和顶部同时通气试验，上部和顶部同时通气试验及中部、上部和顶部同时通气试验共计7大类试验，7类实验中还可便捷更改气孔大小、数量及位置参数，即本试验装置可模拟所有水下主动通气试验；所述航行体底座，封闭航行体底部，同时辅助进气管定位，连接航行体于发射装置。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。

本发明航行体首部1，通过连接螺杆2，依次与整气流罩3、整气流垫片4、航行体主体外壳6连接，形成气缝5。通过调节不同高度的整气流罩3，装配长度不同连接螺杆2，调节气缝5高度；若试验设计中不设气缝5，则不装配整气流罩3，装配小尺寸连接螺杆2，紧密连接航行体首部1、整气流垫片4和航行体主体外壳6。

前述的主动通气式水下航行体试验装置，其中所述连接螺杆2，用于连接航行体首部1、整气气室8和航行体主体外壳6。

前述的主动通气式水下航行体试验装置，其中所述整流气罩3用于将下方气室内流入气体再次整流，确保气缝5均匀排出气体。

前述的主动通气式水下航行体试验装置，其中所述整气流垫片4设置突出中空圆柱31和O型气密圈，中空圆柱31用于限制整流垫片4与航行体主体外壳6之间的限位安装，O型圈用于确保整气流垫片4与航行体主体外壳6之间气密连接。整气流垫片4上设整气流罩3定位凹槽42，用于安装整气流罩3。

前述的主动通气式水下航行体试验装置，其中所述气缝5位于航行体首部1，气缝5高度可依靠改变整气流罩3和连接螺栓2高度进行调节，从而调节首部出气量，形成大小不同人工空泡。

前述的主动通气式水下航行体试验装置，其中所述航行体主体外壳6由下至上，依次连接航行体底座10、进气管9、整气气室8、整气流垫片4、航行体首部1。航行体底座10设有凸起圆台101，圆台101外径与航行体主体外壳6内径相同，航行体底座10直接卡入航行体主体外壳6内，同时通过螺纹孔102辅助限位，确保航行体底座10与航行体主体外壳6装配水密。进气管9穿过航行体底座10上限位孔，通过整气气室8底部螺纹孔紧密连接。整气气室8与航行体主体外壳6之间通过多个O型圈7进行限位连接，各气室之间的独立性和气密性，且通过O型圈连接，便于更换不同型号的航行体主体外壳6，经济性好，实现各试验模型装置灵活更换。

前述的主动通气式水下航行体试验装置，其中所述气密O型圈7除用于整气气室8与航行体主体外壳6之间紧密限位连接；同时在整气流罩3压迫下，O型圈7还用于整气流垫片4与航行体主外壳6之间的限位连接。

前述的主动通气式水下航行体试验装置，其中所述整气气室共布置3大类进气及出气系统，可相互独立和组合工作。布置进气管路、多节整气气室和出气管路，同时结合航行体主体外壳结构，确保均匀出气。

前述的主动通气式水下航行体试验装置，其中所述进气管9，共布置5根进气管，可分为3类，中部进气管811一根、上部气孔进气管813两根和首部气缝进气管812两根，独立进气，结合试验工况需求进行组合工作。进气管811、812、813由航行体底座10下部进气管限位孔103进入，与气室831、841、843、85之间通过螺纹92连接，此段为金属管，进气管下端91与高压气缸之间通过软管连接，确保航行体发射过程中不会拖拽航行体。

前述的主动通气式水下航行体试验装置，其中所述航行体底座10。中部设置凸起中空圆柱体，与航行体主体外壳6之间形成限位连接。航行体底座10底部布置5个进气管孔103，用于限制进气管位移。进气管底座10侧壁设置对称2个螺纹孔102与航行体主体外壳6上螺纹孔相对应，确保航行体底座10与航行体主体外壳6连接紧密。航行体底座10底部布置3个不穿透螺纹孔104，形成正三角形结构，用于与发射装置相连接，确保稳固连接。

如图1所示，本发明包括航行体首部1、连接螺杆2、整气流罩3、整气流垫片4、气缝5、航行体主体外壳6、气密O型圈7、整气气室8、进气管9、航行体底座10。航行体首部1可按照试验需求设计为半球形、锥形、方形、圆柱形等，航行体首部1整气气室8之间通过连接螺杆2连接。航行体首部1和航行体主体外壳6之间通过装配高度不同的整气流罩3和整气流垫片4，来调节气缝5的高度，其中气缝5的高度可在0～3mm之间调节。整气气室8与航行体主体外壳6之间通过气密O型圈7进行定位和固定，整气气室8通过进气管9选择性进行，可完成组合试验。利用M5的螺杆通过螺栓孔将航行体底座10与航行体主体外壳6进行固定，航行体底座10用于封闭航行器底部，同时固定通气管9。

如图2和3所示，航行体首部1包括首部外壳11、螺纹孔12和14、气穴13。首部外壳11可按照试验需求设计为半球形、锥形、方形、圆柱形等；螺纹孔12用于固定连接螺杆2，以便于整气气室8连接；气穴13用于储存并稳定气流，与整气流罩3配合确保气缝5工作过程中出气稳；整气流罩3为空心圆柱31，整气流罩3周壁均匀布置24个透气孔32，整气流罩3设置多个规格高度，配合连接螺杆2，制造多种高度不同的气缝5。

如图4所示，整气流垫片4包括了通孔41、整气流罩定位槽42、O型圈圈槽43、限位圈44。连接螺杆2穿过通孔41连接航行体首部1和整气气室8，连接螺杆2与通孔41之间有2mm间隙，用于气流上升；整气流罩定位槽42用于辅助整气流罩3定位；O型圈圈槽43内安装O型气密圈，确保整气流垫片4与航行体主体外壳6之间气密接触；限位圈44用于将整气流垫片5与航行体主体外壳6精密定位，避免滑移。

如图5所示，整气气室8包括，进气管路811、812、813，其中进气管811用于给第一气室第一部分841直接供气。第一气室第一部分841与第一气室第二部分843之间通过8个气孔842联通，气孔842位于第一气室第二部分843下部，且气孔842与第三进气管812错开，互不干扰。第一气孔844位于第一气室第二部分843上端，用于向航行体主体外壳第一通道64供气，第一气孔844与气孔842明显错开。

两个第三进气管812给第三气室85直接供气，第三气室85内的气体通过通道87排向航行体上气道67，随后气体通过通孔41到达气穴13。第二进气管813直接给第二气室831供气，气体由第二气孔832排出，随后在整气气室8、O型圈7、航行体主体外壳6形成的气室中聚集，并通过通道62排出。

如图6所示，外壳6上设置限位孔61，与航行体底座10上螺纹孔102配合，通过螺杆连接限位装配。定位槽69内布置O型圈，一方面配合整气气室8上限位槽821，完成整气气室8和航行体主体外壳6装配；另一方面在限位槽821和O型圈7共同作用下，形成气体脱离航行体外壳6之前的最后一独立气室，使得气体逸出变得均匀。第二通道63及第一通道64位置及数量均可按照试验需求进行加工，甚至可以按照需求去除第二通道63或第一通道64；螺纹孔86用于固定连接螺杆2。航行体主体外壳6上设置的凹槽68与整气气室8上的凹槽87相对应，里面放置气密O型圈，航行体主体外壳6上的凹槽66与整气流垫片5上的O型圈圈槽43相对应，里面放置气密O型圈。

如图7所示，进气管9上端92为外螺纹结构，与进气管路811、812、813通过螺纹连接，保证气密性、易于安装。进气管9下端91与外界进气软管连接，软管连接外部气压系统。

如图8所示，航行体底座10包括进气管限位孔103，用于限制进气管位移，防止进气管变形。圆台101卡与外壳6底部，配合限位螺纹孔102，固定底座10。底座底部10设有3个航行体发射限位螺纹孔104，用于与发射引导装置连接，设置在底部，不会影响航行体前部行进轨迹，有利于开展水下航行体试验研究。

本发明的工作过程如下：

按照试验需求，装配不同的航行体首部1、航行体主体外壳6，配合不同进气操作可实现7大类试验操作：单中部通气试验，单上部通气试验，单顶部通气试验，中部和上部同时通气试验，中部和顶部同时通气试验，上部和顶部同时通气试验及中部、上部和顶部同时通气试验。通气孔大小、数量及位置均可按照试验需求更改；顶部通气试验可按照试验需求调节通气气缝高度，单种通气方式的试验过程具体表述如下：

单中部通气试验过程

(1)高压气罐通过进气管向第二气管813内通气，气体顺着第二气管813到达第二气室831；

(2)气体在第二气室831内混合均匀，通过气室上方轴向第二气孔832向外逸出，到达整气气室8与航行体主体外壳6之间由O型圈形成的气室，并通过第二通道63向外排气；

(3)第二通道63数量可按照试验需求进行更改，完成单孔及多孔试验；第二通道63的位置按照试验要求在相邻O型圈之间位置范围内变化，探索通气位置对水下航行体发射精度的影响。

单上部通气试验过程

(1)高压气罐通过进气管向第一气管811内通气，气体顺着第一气管811到达第一气室第一部分841；

(2)气体在第一气室第一部分841内混合均匀，通过轴向均布的8个气孔向第一气室第二部分843内通气；

(3)气体到达第一气室第二部分843内再次混合均匀，通过第一气孔844向外通气，到达整气气室8与航行体主体外壳6之间由O型圈7形成的气室，并通过第一通道64向外排气；

(4)第一通道64数量可按照试验需求进行更改，完成单孔及多孔试验；第一通道64的位置按照试验需求在相邻O型圈之间位置范围内变化，探索通气位置对水下航行体发射精度的影响。

单顶部通气试验过程

(1)高压气罐通过向第三进气管812内通气，气体顺着第三气管812到达第三气室85；

(2)气体在第三气室85内混合均匀，通过通道87排向通道67，随后经过通孔41，到达整气流气罩3内，从轴向均匀分布的24个透气孔32逸出至气穴13内，随后通过气缝5排出；

(3)按照试验需求，气缝5高度可通过安装不同高度的整气流气罩来实现。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

综上所述：本发明公开了一种主动通气式水下航行体试验装置，包括航行体首部、航行体主体外壳、航行体底座和航行体输气装置，航行体首部和航行体底座分别设置在航行体主体外壳的首部和尾部；进气管路穿过底部限位孔，与整气气室通过螺纹连接，整气气室与外壳之间通过多个O型圈限位装配；航行体布置三类出气通道，分别位于航行体中部、上部及顶部。航行体首部外轮廓结构形式、航行体外壳顶部坡度均可以改变。整气装置内布置3类5个独立进气管道，3类管路通向各自独立气室。中部、上部出气孔由气室与外壳之间形成的独立气室供气，气孔大小、数量及位置均可进行改变。顶部气缝输气路径由进气气管经整气气室、整气流垫片、整气流罩、首部气室构成，通过调节整流罩高度可以连续变更气缝高度。本发明能灵活转换航行体结构形式、工作状态，在水下发射科研教育领域可得到广泛应用。

Claims (10)

1.一种主动通气式水下航行体试验装置，其特征是，包括航行体首部、航行体主体外壳和航行体底座，所述航行体主体外壳上部与航行体首部连接，航行体主体外壳下部与航行体底座连接；所述航行体主体内部设置有输气装置；

所述输气装置包括整气气室和进气管；所述进气管上端与整气气室连接，进气管的下端穿过航行体底座与外部气压系统连接；所述整气气室内设置有气室，气室上设置有气孔，航行体主体外壳上设置有通道，所述气孔与通道相配合。

2.根据权利要求1所述的主动通气式水下航行体试验装置，其特征是，还包括整气流罩，所述整气流罩为设置有透气孔的空心柱体，整气流罩设置在航行体首部与航行体主体外壳之间，航行体首部和航行体主体外壳之间形成气缝，所述气室与整气流罩相通。

3.根据权利要求2所述的主动通气式水下航行体试验装置，其特征是，所述气缝为0-3mm。

4.根据权利要求2或3所述的主动通气式水下航行体试验装置，其特征是，所述整气流罩和航行体主体外壳之间还设置有整气流垫片；所述整气流垫片中间设置有通孔。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的主动通气式水下航行体试验装置，其特征是，所述航行体首部为半球形、锥形、方形或圆柱形。

6.根据权利要求4任意一项所述的主动通气式水下航行体试验装置，其特征是，所述航行体首部为半球形、锥形、方形或圆柱形。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的主动通气式水下航行体试验装置，其特征是，还设置有O型圈，所述O型圈设置在整气气室与航行体外壳和整气流垫片与航行体外壳中间。

8.根据权利要求1所述的主动通气式水下航行体试验装置，其特征是，所述气室有两个，第一气室上设置有第一气孔，航行体主体外壳上设置有第一通道，所述第一气孔与第一通道相配合；所述第二气室上设置有第二气孔，航行体主体外壳上设置有第二通道，所述第二气孔与第二通道相配合；所述第一通道设置在航行体外壳的上部，第二通道设置在航行体外壳的中部。

9.根据权利要求2或3所述的主动通气式水下航行体试验装置，其特征是，所述气室有三个，所述第一气室上设置有第一气孔，航行体主体外壳上设置有第一通道，所述第一气孔与第一通道相配合；所述第二气室上设置有第二气孔，航行体主体外壳上设置有第二通道，所述第二气孔与第二通道相配合；所述第三气室与整气流罩相通；所述第一通道设置在航行体外壳的上部，第二通道设置在航行体外壳的中部。

10.根据权利要求9所述的主动通气式水下航行体试验装置，其特征是，所述第一气室分为两部分，第一部分和第二部分相连通，第一部分与进气管连接，第二部分上设置有第一气孔，航行体主体外壳上设置有第一通道，所述第一气孔与第一通道相配合。