CN110411709A - 一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置 - Google Patents

Abstract

一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，包括试验模型，试验模型采用分体式结构，分为模型前半段和模型后半段，模型前半段和模型后半段的侧部同时连接有支撑剑，支撑剑通过第一螺钉与模型前半段锁紧，支撑剑内部穿过有支撑杆，支撑杆伸入至模型后半段内并通过螺母锁紧，支撑剑还通过第二螺钉固定在水洞壁面上，水洞壁面上通过锁紧件安装有密封盒，密封盒内部通过轴承安装有主轴，主轴伸出至密封盒的外部，位于密封盒内部主轴与支撑杆之间通过紧固件安装有测力天平；还包括步进电机，步进电机的输出端通过联轴器安装减速机，减速机的输出端连接主轴，减速机通过支架支撑，支架上安装角度传感器，角度传感器的测量端与主轴同心。

Description

一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置

技术领域

本发明涉及试验装置技术领域，尤其是一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置。

背景技术

超空泡航行体尾部滑行力与航速、攻角、浸湿面几何参数等密切相关，具有明显的非线性特性。研究滑行力的变化规律是开展流体动力布局和弹道控制设计的重要基础。在过去的研究中，以理论分析、数值模拟为主要手段，针对滑行力的测量试验则主要围绕定常条件下的滑行升力测量开展。

为了试验获得超空泡航行体尾部动态滑行过程中水动力随滑行参数的变化规律，需要设计一套头部可通气形成超空泡，后体可主动控制摆动形成动态滑行的缩比模型试验装置。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，从而通过支撑剑固模型前半段，利用外接气源对模型头部通气形成稳定的超空泡，利用舵机摆动模型后半段形成滑行面，同时由传动轴上的天平测量作用在模型尾部的滑行力。

本发明所采用的技术方案如下：

一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，包括试验模型，所述试验模型采用分体式结构，分为模型前半段和模型后半段，所述模型前半段和模型后半段的侧部同时连接有支撑剑，所述支撑剑通过第一螺钉与模型前半段锁紧，所述支撑剑内部穿过有支撑杆，所述支撑杆伸入至模型后半段内并通过螺母锁紧，所述支撑剑还通过第二螺钉固定在水洞壁面上，所述水洞壁面上通过锁紧件安装有密封盒，所述密封盒内部通过轴承安装有主轴，所述主轴伸出至密封盒的外部，位于密封盒内部主轴与支撑杆之间通过紧固件安装有测力天平；还包括步进电机，所述步进电机的输出端通过联轴器安装减速机，所述减速机的输出端连接主轴，所述减速机通过支架支撑，所述支架上安装角度传感器，所述角度传感器的测量端与主轴同心。

其进一步技术方案在于：

所述模型前半段的安装结构为：包括前锥部分和后锥部分，所述前锥部分和后锥部分通过螺纹连接，并通过第一O型圈密封，所述前锥部分内部与后锥部分的前端面之间形成有空腔，所述前锥部分的头部安装有通气碗，所述通气碗前端安装空化器；所述后锥部分的腔内安装有气动接头一端通过一通孔通向所述空腔内，气动接头另一端通过气动管路与水洞外的外部气源连通，所述后锥部分的外表面开有测压孔，并由引压管路与水洞外的压力变送器连通。

所述模型后半段的安装结构为：传动部分、连接部分和尾密封部分，各部分采用螺纹连接，连接处通过第二O型圈密封，模型后半段内部形成密封的空腔，传动部分垂向开有孔，所述孔内安装支撑杆。

所述支撑剑成扁平式结构，所述支撑剑的侧部开有前通孔和后通孔，所述前通孔与模型前半段的气路连通，所述后通孔内安装支撑杆。

所述支撑剑的一侧面设置有内凹结构，另一侧面设置有台阶结构。

所述支撑杆成“T”字型结构，其主体支撑部分设计为扁平形，头部设置有键槽，键槽内安装平键，尾部设置有连接盘，所述连接盘上开有多个锁紧孔。

所述测力天平成“工”字型结构，其两端设置有连接部，所述连接部上均开有安装孔。

密封盒的侧壁面上安装有密封接头。

一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置的试验方法，包括如下操作步骤：

第一步：水洞内的水流为试验水流，模型后半段与来流夹角，初始状态时，设置模型后半段与来流夹角为0度；

第二步：启动水洞内的水流，调节水洞内环境压力，使水流速度和压力平稳；

第三步：启动流量控制器工作，外部气源经通气管路进入通气碗，在空化器后方形成清晰稳定的空泡，空泡包覆整个试验模型，从而形成空泡边界；

第四步：空泡持续稳定状态下，启动步进电机工作，通过联轴器、减速机驱动主轴转动，在测力天平的作用下带动支撑杆发生转动，从而带动模型后半段发生转动，即模型后半段与来流夹角发生变化，模型后半段与空泡边界发生干涉，则形成航行体尾部滑行浸湿面，即获得滑行状态；

第五步：通过测力天平、角度传感器、第一压力变送器和第二压力变送器、水速测量仪器和流量控制器进行数值采集，第一压力变送器用于测量模型表面压力，压力变送器用于测量水洞壁面压力，气源提供稳定压力的外部气源，气路上的气体流量控制器用于控制和测量通入空化器后方的气体流率；数值和图像信号由数据采集器记录，在数据采集过程中记录图像采集的起始时间，实现图像和数字信号的时间同步；

第六步：在测试过程中，改变摆动的角度，获得超空泡航行体在不同摆动角度、角速度条件下的滑行水动力、相应的滑行面几何特征，及影响空泡的参数。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过将试验模型在中部断开，模型前半段由支撑剑固连而支撑空化器，在此条件下利用外置气源通气形成稳定的超空泡，避免了空化器随传动轴摆动引起空泡的不稳定，剥离了空泡本身的变化，可以滑行力与滑行面几何特征的关系，有利于开展超空泡航行体尾部滑行力机理性研究。模型后半段由支撑杆及相关的组件连接，穿过支撑剑并最终由电机驱动。舵机置于水洞外，电机和减速机的选型不受空间制约；在舵机的驱动下，模型后半段可根据试验需要形成不同的攻角和摆动角速度。利用该装置可获得超空泡航行体在不同摆动角度、角速度条件下的滑行水动力、相应的滑行面几何特征，及影响空泡的参数，试验结果可用于分析滑行状态与滑行力之间的关系。

本发明在水洞实验室或类似条件下开展的缩比模型试验装置，该装置可实现超空泡航行体尾部动态滑行过程的水动力测量。

附图说明

图1为本发明的试验原理示意图。

图2为本发明支撑剑的结构示意图。

图3为本发明模型传动段的结构示意图。

图4为本发明的结构示意图。

图5为本发明的内部结构示意图。

图6为本发明试验测试系统的结构示意图。

图7为本发明试验模型的结构示意图。

图8为本发明支撑杆的结构示意图。

图9为本发明测力天平的结构示意图。

图10为本发明不同功角下的水动力值的曲线图。

其中：1、试验水流；2、空泡边界；3、模型后半段；4、水洞壁面；5、空化器；6、通气碗；7、模型前半段；8、模型后半段与来流夹角；9、滑行浸湿面；10、支撑剑；11、支撑杆；12、测力天平；13、轴承；14、主轴；15、减速机；16、密封盒；17、密封接头；18、角度传感器；19、步进电机；20、第一压力变送器；21、外部气源；22、气体流量控制器；23、高速相机；24、第二压力变送器；25、水速测量仪器；26、数据采集器；27、气动接头；28、测压孔；29、螺母；30、第一O型圈；31、第一螺钉；32、轴承锁紧件；33、密封盒端盖；34、第二O型圈；35、平键；36、第二螺钉；37、压板；38、密封圈；39、联轴器；40、支架；

301、传动部分；302、连接部分；303、尾密封部分；

701、前锥部分；702、后锥部分；

1001、前通孔；1002、后通孔。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图9所示，本实施例的超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，包括试验模型，试验模型采用分体式结构，分为模型前半段7和模型后半段3，模型前半段7和模型后半段3的侧部同时连接有支撑剑10，支撑剑10通过第一螺钉31与模型前半段7锁紧，支撑剑10内部穿过有支撑杆11，支撑杆11伸入至模型后半段3内并通过螺母29锁紧，支撑剑10还通过第二螺钉36固定在水洞壁面4上，水洞壁面4上通过锁紧件安装有密封盒16，密封盒16内部通过轴承13安装有主轴14，主轴14伸出至密封盒16的外部，位于密封盒16内部主轴14与支撑杆11之间通过紧固件安装有测力天平12；还包括步进电机19，步进电机19的输出端通过联轴器39安装减速机15，减速机15的输出端连接主轴14，减速机15通过支架40支撑，支架40上安装角度传感器18，角度传感器18的测量端与主轴14同心。

模型前半段7的安装结构为：包括前锥部分701和后锥部分702，前锥部分701和后锥部分702通过螺纹连接，并通过第一O型圈30密封，前锥部分701内部与后锥部分702的前端面之间形成有空腔，前锥部分701的头部安装有通气碗6，通气碗6前端安装空化器5；后锥部分702的腔内安装有气动接头27一端通过一通孔通向空腔内，气动接头27另一端通过气动管路与水洞外的外部气源21连通，后锥部分702的外表面开有测压孔28，并由引压管路与水洞外的第一压力变送器20连通。

模型后半段3的安装结构为：传动部分301、连接部分302和尾密封部分303，各部分采用螺纹连接，连接处通过第二O型圈34密封，模型后半段3内部形成密封的空腔，传动部分301垂向开有孔，孔内安装支撑杆11。

支撑剑10成扁平式结构，支撑剑10的侧部开有前通孔1001和后通孔1002，前通孔1001与模型前半段7的气路连通，后通孔1002内安装支撑杆11。

支撑剑10的一侧面设置有内凹结构，另一侧面设置有台阶结构。

支撑杆11成“T”字型结构，其主体支撑部分设计为扁平形，头部设置有键槽，键槽内安装平键35，尾部设置有连接盘，连接盘上开有多个锁紧孔。

测力天平12成“工”字型结构，其两端设置有连接部，连接部上均开有安装孔。

密封盒16的侧壁面上安装有密封接头17。

本实施例超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置的试验方法，包括如下操作步骤：

第一步：水洞内的水流为试验水流1，模型后半段与来流夹角8，初始状态时，设置模型后半段与来流夹角8为0度；

第二步：启动水洞内的水流，调节水洞内环境压力，使水流速度和压力平稳；

第三步：启动气体流量控制器22工作，外部气源21经通气管路进入通气碗6，在空化器5后方形成清晰稳定的空泡，空泡包覆整个试验模型，从而形成空泡边界2；

第四步：空泡持续稳定状态下，启动步进电机19工作，通过联轴器39、减速机15驱动主轴14转动，在测力天平12的作用下带动支撑杆11发生转动，从而带动模型后半段3发生转动，即模型后半段与来流夹角8发生变化，模型后半段3与空泡边界2发生干涉，则形成航行体尾部滑行浸湿面9，即获得滑行状态；

第五步：通过测力天平12、角度传感器18、第一压力变送器20和第二压力变送器24、水速测量仪器25和气体流量控制器22进行数值采集，第一压力变送器20用于测量模型表面压力，第二压力变送器24用于测量水洞壁面4的压力，外部气源21提供稳定压力的气源，气路上的气体流量控制器22用于控制和测量通入空化器5后方的气体流率；数值和图像信号由数据采集器26记录，在数据采集过程中记录图像采集的起始时间，实现图像和数字信号的时间同步；

第六步：在测试过程中，改变摆动的角度，获得超空泡航行体在不同摆动角度、角速度条件下的滑行水动力、相应的滑行面几何特征，及影响空泡的参数。

本发明的具体结构与安装形式为：

试验模型置于水洞内，模型主体采用分体式结构，分为模型前半段7和模型后半段3两个部分，模型前半段7固定不动，模型头部空化器5迎着试验水流1的来流，经由通气碗6排出的气体通入空化器5的后方，形成清晰稳定的空泡边界2。模型后半段3可通过支撑杆11的作用进行转动，与试验水流1的形成模型后半段与来流夹角8，当模型后半段3与空泡边界2发生干涉，则形成航行体尾部滑行浸湿面9，即获得滑行状态。

模型前半段7由支撑剑10直接与水洞壁面4的内表面固连，其中支撑剑10开两个个通孔，前通孔1001用于将水洞壁面4外面的通气管路和传感器引线接入模型前半段7的内腔；后通孔1002用于穿过支撑杆11。

支撑杆11与模型后半段3固连，支撑杆11的另一端连接测力天平12。测力天平12的另一端与主轴14连接。主轴14穿过轴承13和减速机15。轴承13的外侧嵌于密封盒16，而密封盒16与窗盖板的外表面固连。步进电机19驱动带动减速机15，通过主轴14、测力天平12、支撑杆11带动模型后半段3绕固定的转轴摆动。摆动的角速度由角度传感器18测量，角度传感器18的基座固定在减速机15上，测量端与主轴14同心固定。

密封盒16内的空间与水洞内的水域连通，起到密封作用。密封盒16上开有若干个过线孔，并配密封接头17。用于给模型通气的管路、测量模型表面压力的传感器的连接线等，均可由密封接头17穿过并密封。

如图6所示，试验测试系统包括图像采集和数值采集，图像采集采用高速相机23，用于记录空泡形状和模型滑行状态，于支撑剑10的另一侧拍摄。数值采集设备包括测力天平12、角度传感器18、第一压力变送器20和第二压力变送器24、试验水速测量仪器25、气体流量控制器22。第一压力变送器20用于测量模型表面压力，第二压力变送器24用于测量水洞壁面4压力，外部气源21提供稳定压力的气源，气路上的气体流量控制器22用于控制和记录通入空化器5后方的气体流率。数值和图像信号由数据采集器26记录，在数据采集过程中记录图像采集的起始时间，实现图像和数字信号的时间同步。利用该试验装置，可获得超空泡航行体在不同摆动角度、角速度条件下的滑行水动力、相应的滑行面几何特征，及影响空泡的参数。

具体试验结果见图10。

图10中，功角就是模型后半段与来流夹角8。

滑行水动力中，包括升力、阻力等。本试验中用升力来表示本申请所要得到的滑行水动力，作为主要的参数。

具体的滑行面的几何特征，通过实验图像来获得。

实施例一：

模型前半段7为锥段，由前锥部分701和后锥部分702组成，螺纹连接部位由第一O型圈30密封，在前锥部分701内形成空腔。后锥部分702腔内设置气动接头27通向前锥部分701的气腔，气动接头27的另一端通过气动管路与水洞外的外部气源21连通。后锥部分702的外表面开测压孔28，并由引压管路与水洞外的第一压力变送器20连通。模型前半段7由第一螺钉31与支撑剑10固定，支撑剑10本身通过第二螺钉36固定于水洞壁面4的内侧。

模型后半段3包括传动部分301、连接部分302、尾密封部分303，各分段采用螺纹连接，连接处由第二O型圈34密封，在模型后半段3内形成密封的空腔。支撑杆11的主体支撑部分设计为扁平形，在有限的空间内保证摆动幅度的条件下，尽量加大支撑杆11的刚度。支撑杆11与传动部分301为锥面配合，并分别开设键槽，安装平键35限制转动，最终由螺母29锁紧固定。

支撑杆11的另一端开槽，与测力天平12一端的槽口咬合，起到传动作用。测力天平12的另一端与主轴14固连，轴承13套在主轴14上，由轴承锁紧件32锁紧固定，轴承13的外端面嵌于密封盒16，由压板37压紧。

密封盒端盖33与密封盒16连接，主轴14伸出密封盒16的部分穿过密封盒端盖33，在密封盒端盖33内用密封圈38密封，防止主轴14旋转过程中密封盒16漏水，密封盒16的其他部位由O型圈密封。

角度传感器18为中空式，中心孔直径与主轴14的外径相当，主轴14伸出减速机15的部分穿过角度传感器18的中心孔，并与之固连。角度传感器18通过由支架40固定在减速机15的外壳上。步进电机19通过联轴器39与减速机15相连接，从而形成由步进电机19驱动，由主轴14、测力天平12、支撑杆11传动，最终形成模型后半段3按预先设置的操纵方式而摆动的机构。摆动过程中，模型受到的水动力间接作用在测力天平12上，输出测力信号。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (9)

1.一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，其特征在于：包括试验模型，所述试验模型采用分体式结构，分为模型前半段(7)和模型后半段(3)，所述模型前半段(7)和模型后半段(3)的侧部同时连接有支撑剑(10)，所述支撑剑(10)通过第一螺钉(31)与模型前半段(7)锁紧，所述支撑剑(10)内部穿过有支撑杆(11)，所述支撑杆(11)伸入至模型后半段(3)内并通过螺母(29)锁紧，所述支撑剑(10)还通过第二螺钉(36)固定在水洞壁面(4)上，所述水洞壁面(4)上通过锁紧件安装有密封盒(16)，所述密封盒(16)内部通过轴承(13)安装有主轴(14)，所述主轴(14)伸出至密封盒(16)的外部，位于密封盒(16)内部主轴(14)与支撑杆(11)之间通过紧固件安装有测力天平(12)；还包括步进电机(19)，所述步进电机(19)的输出端通过联轴器(39)安装减速机(15)，所述减速机(15)的输出端连接主轴(14)，所述减速机(15)通过支架(40)支撑，所述支架(40)上安装角度传感器(18)，所述角度传感器(18)的测量端与主轴(14)同心。

2.如权利要求1所述的一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，其特征在于：所述模型前半段(7)的安装结构为：包括前锥部分(701)和后锥部分(702)，所述前锥部分(701)和后锥部分(702)通过螺纹连接，并通过第一O型圈(30)密封，所述前锥部分(701)内部与后锥部分(702)的前端面之间形成有空腔，所述前锥部分(701)的头部安装有通气碗(6)，所述通气碗(6)前端安装空化器(5)；所述后锥部分(702)的腔内安装有气动接头(27)一端通过一通孔通向所述空腔内，气动接头(27)另一端通过气动管路与水洞外的外部气源(21)连通，所述后锥部分(702)的外表面开有测压孔(28)，并由引压管路与水洞外的第一压力变送器(20)连通。

3.如权利要求1所述的一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，其特征在于：所述模型后半段(3)的安装结构为：传动部分(301)、连接部分(302)和尾密封部分(303)，各部分采用螺纹连接，连接处通过第二O型圈(34)密封，模型后半段(3)内部形成密封的空腔，传动部分(301)垂向开有孔，所述孔内安装支撑杆(11)。

4.如权利要求1所述的一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，其特征在于：所述支撑剑(10)成扁平式结构，所述支撑剑(10)的侧部开有前通孔(1001)和后通孔(1002)，所述前通孔(1001)与模型前半段(7)的气路连通，所述后通孔(1002)内安装支撑杆(11)。

5.如权利要求1所述的一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，其特征在于：所述支撑剑(10)的一侧面设置有内凹结构，另一侧面设置有台阶结构。

6.如权利要求1所述的一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，其特征在于：所述支撑杆(11)成“T”字型结构，其主体支撑部分设计为扁平形，头部设置有键槽，键槽内安装平键(35)，尾部设置有连接盘，所述连接盘上开有多个锁紧孔。

7.如权利要求1所述的一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，其特征在于：所述测力天平(12)成“工”字型结构，其两端设置有连接部，所述连接部上均开有安装孔。

8.如权利要求1所述的一种超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置，其特征在于：密封盒(16)的侧壁面上安装有密封接头(17)。

9.一种利用权利要求1所述的超空泡航行体尾部动态滑行力测量试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下操作步骤：

第一步：水洞内的水流为试验水流(1)，模型后半段与来流夹角(8)，初始状态时，设置模型后半段与来流夹角(8)为0度；

第二步：启动水洞内的水流，调节水洞内环境压力，使水流速度和压力平稳；

第三步：启动流量控制器(22)工作，外部气源(21)经通气管路进入通气碗(6)，在空化器(5)后方形成清晰稳定的空泡，空泡包覆整个试验模型，从而形成空泡边界(2)；

第四步：空泡持续稳定状态下，启动步进电机(19)工作，通过联轴器(39)、减速机(15)驱动主轴(14)转动，在测力天平(12)的作用下带动支撑杆(11)发生转动，从而带动模型后半段(3)发生转动，即模型后半段与来流夹角(8)发生变化，模型后半段(3)与空泡边界(2)发生干涉，则形成航行体尾部滑行浸湿面(9)，即获得滑行状态；

第五步：通过测力天平(12)、角度传感器(18)、第一压力变送器(20)和第二压力变送器(24)、水速测量仪器(25)和流量控制器(22)进行数值采集，第一压力变送器(20)用于测量模型表面压力，压力变送器(24)用于测量水洞壁面压力，气源(21)提供稳定压力的外部气源(21)，气路上的气体流量控制器(22)用于控制和测量通入空化器(5)后方的气体流率；数值和图像信号由数据采集器(26)记录，在数据采集过程中记录图像采集的起始时间，实现图像和数字信号的时间同步；

第六步：在测试过程中，改变摆动的角度，获得超空泡航行体在不同摆动角度、角速度条件下的滑行水动力、相应的滑行面几何特征，及影响空泡的参数。