CN110567676A - 一种船载缆阵阻力系数测量系统及方法 - Google Patents

一种船载缆阵阻力系数测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船载缆阵阻力系数测量系统及方法，用于测量拖缆、线阵、绳索等水下柔性拖曳体的切法向阻力系数，包括测量方法和一套测量装置，具体指一种安装于试验船上的带拉力和倾角传感器的试验装置，以及一套实时采集传感器及仪器数据并同步进行计算处理和显示的软件程序。本发明与现有常用的测量缆阵阻力的水池测量装置相比较，结构简单，安装方便，成本低廉且不需专门建造场地，并且能同步测量拉力和倾角，从而能进一步修正获得更为精确的流体水动力系数。有较强的工程实用价值，目前已经应用到包括JTC，3X1等军民品项目多次湖上拖曳试验，测得多条缆阵的切向和法向系数，取得理想的结果。

Description

一种船载缆阵阻力系数测量系统及方法
技术领域
本发明涉及水动力试验装置的领域，具体涉及一种船载缆阵阻力系数测量系统及方法。
背景技术
在计算、仿真模拟拖缆、线阵、绳索等柔性体在水下挂载拖体或者其单独拖曳工作时其姿态、空间位形及流体阻力时，需要较精确的知道柔性体的切向和法向阻力系数。
目前国内外测量缆阵阻力系数通常采用的是水池拖曳测量方法，将一定长度样段挂载在水池上的拖车上进行拖曳，由大型行车装置挂载拉力传感器测量拖曳试件的流动阻力，直接将拉力转化为切向阻力系数。但该方法受限于水池长度、水池深度、拖车速度等因素，存在样段尺寸小、拖车速度有限、无法测量拖曳时有较大倾角的重力缆，且拉力传感器因行车限制拉力头强度有限难以测量大型试件，且水池宽度有限，使样段尾涡摆动时壁面回波产生干涉影响。
且水池行车装置挂载的传感器只有拉力传感器，无倾角传感器，无法同步测量试件的倾角。实际拖曳中试验体很少完全零浮力，必然会有上浮和下沉现象，存在俯仰角度，其测得的拉力包括了试件的水中升沉力，存在较大的误差。要准确测量实际的拉力值则必须同步测出试件受力时的倾角，以俯仰倾角去折算修正拉力测量值，从而能得到更为准确的实际升力阻力，并进一步计算出水动力系数。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种船载缆阵阻力系数测量系统及方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种船载缆阵阻力系数测量系统，主要包括试验船、钢结构架、承力杆、传感器联动装置和试件缆，试验船中部安装有钢结构架，钢结构架前梁上固定有吊环螺钉，钢结构架后梁中间位置处通过转动拖曳夹具固定有中空结构的承力杆，转动拖曳夹具可翻转并带动承力杆转动，承力杆中间安装若干流线型导流片，承力杆下部挂载传感器联动装置，通过传感器传输线从承力杆中穿过将数据导出到位于试验船甲板处的数据处理计算机，凯夫拉绳系于传感器联动装置和钢结构架前梁两端的吊环螺钉上，试件缆通过试件缆拖头与传感器联动装置连接。
所述传感器联动装置外包覆流线型的导流罩，设置在传感器联动装置内的传感器横轴上安装有拉力传感器、倾角传感器、深度传感器，传感器横轴通过轴承固定安装在传感器安装底座上，传感器安装底座通过传感器纵轴安装在承力杆上，传感器横轴及传感器纵轴可自由转动。
所述试件缆拖头通过细凯夫拉绳和试件挂载吊环螺钉安装在拉力传感器上。
所述试验船甲板处设置有高精度GPS和信号调制板，高精度GPS用于实时测量航速和定位，信号调制板分别与传感器联动装置、高精度GPS及数据处理计算机连接，用于传感器联动装置和高精度GPS数据的接收、转换和时钟同步，并将数据传输至数据处理计算机进行处理与显示。
所述转动拖曳夹具下部设置有卡箍，用于固定承力杆。
作为优选，试验船选择小型双体船，钢结构架安装于船体中间靠近尾部，减小船体紊流影响，本发明对船体不做限制，钢结构架可根据使用的试验船体进行改装，对测量传感器结构和测量方法无影响。
作为优选，试验场地选择有一定深度的静水开阔湖泊，减小水流影响。
采用上述船载缆阵阻力系数测量系统的测量方法，主要包括以下步骤：
1)对试件缆进行预处理，安装轻量化流线型拖头，对尾部进行包边导流处理，预处理后拖头与尾部需与试件缆密度一致，以减小首尾误差；
2)测量试件缆的缆直径D，缆长L，水中净重G，记录参数导入数据处理计算机7中；
3)装配传感器联动装置，安装拉力传感器、倾角传感器、深度传感器到传感器横轴上，将传感器横轴通过轴承固定到安装底座上，再将底座通过传感器纵轴安装到承力杆上，将传感器传输线从承力杆中间穿出，安装导流罩，安装承力杆上导流片，确保导流片可自由转动，传感器联动装置的传感器横轴、传感器纵轴可自由转动；
4)安装钢结构架到试验船上，将传感器联动装置和承力杆固定到拖曳夹具上，承力杆横置，传感器联动装置处于钢结构架前梁位置，用凯夫拉绳连接承力杆和前梁上两侧的吊环螺钉，将试件缆拖头通过细凯夫拉绳和挂载吊环螺钉安装到拉力传感器上，下放承力杆，安装卡箍固定承力杆，此时凯夫拉绳处于绷直状态，作为加强绳；
5)将从承力杆上部开口处引出的传感器传输线及高精度GPS信号线连接到信号调制板上，信号调制板连接数据处理计算机，将传感器、GPS、计算机三者进行时间同步，数据集成，初值标定；
6)开始拖曳试验，稳定拖船航速进行稳定直航试验，计算机自动记录当前航速V、拉力值T和倾角值θ，记录多组数据取平均值；
7)通过匀速拖曳试验，可以得到不同速度V下试件缆对应的拉力T、倾角θ，计算试件缆的单位长度切法向阻力Ft′、Fn′和阻力系数Ct、Cn。
试件缆为密度大于水的重缆，在水中拖曳时，V为流体相对于试件缆的运动速度，θ为试件缆与来流速度夹角，试件缆受到拉力为T，水中重力为G，作用于试件缆上任意点的流体水动力可分解为沿缆切向的切向阻力Ft和垂直于缆方向的法向阻力Fn；沿试件缆切向分解受力列平衡方程为：
Ft+G·sinθ＝T (1)
沿试件缆法向分解受力列平衡方程为：
Fn＝G·cosθ (2)
依据单位长度的圆形截面缆的水阻力计算单位长度切向阻力为：
Ft′＝0.5ρCtπD(V cosθ)2 (3)
单位长度法向阻力为：
Fn′＝0.5ρCnD(V sinθ)2 (4)
得到切向阻力系数计算公式为：
Ct＝2(T-G sinθ)/ρπD(V cosθ)2 (5)
得到法向阻力系数计算公式为：
Cn＝2G cosθ/ρD(V sinθ)2 (6)
其中ρ为水密度，D为缆直径，Ct、Cn为切向与法向阻力系数，且Ft′＝Ft/L；F′n＝Fn/L，L为缆长。
本发明的有益效果为：与现有常用的测量缆阵阻力的水池测量装置相比较，结构简单，安装方便，成本低廉且不需专门建造场地，并且能同步测量拉力和倾角，从而能进一步修正获得更为精确的流体水动力系数。有较强的工程实用价值，目前已经应用到包括JTC，3X1等军民品项目多次湖上拖曳试验，测得多条缆阵的切向和法向系数，取得理想的结果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为钢结构架挂载试件示意图。
图3为沿承力杆3的剖面结构图。
图4为转动拖曳夹具结构示意图。
图5为本发明的系统总体结构框图。
附图标记说明：试验船1、钢结构架2、承力杆3、传感器联动装置4、试件缆5、高精度GPS6、数据处理计算机7、信号调制板8、导流片9、导流罩10、传感器安装底座11、转动拖曳夹具12、卡箍13、凯夫拉绳14、吊环螺钉15、试件缆拖头16、拉力传感器17、倾角传感器18、深度传感器19、传感器横轴20、传感器纵轴21、试件挂载吊环螺钉22、细凯夫拉绳23、传感器传输线24。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图所示，这种船载缆阵阻力系数测量系统及方法，主要包括试验船1、钢结构架2、承力杆3、传感器联动装置4和试件缆5，试验船1中部安装有钢结构架2，钢结构架2前梁上固定有吊环螺钉15，钢结构架2后梁中间位置处通过转动拖曳夹具12固定有中空结构的承力杆3，转动拖曳夹具12可翻转并带动承力杆3转动，承力杆3中间安装若干流线型导流片9，承力杆3下部挂载传感器联动装置4，通过传感器传输线24从承力杆3中穿过将数据导出到位于试验船1甲板处的数据处理计算机7，凯夫拉绳14系于传感器联动装置4和钢结构架2前梁两端的吊环螺钉15上，在拖曳时作为加强绳，回收时作为牵引绳，试件缆5通过试件缆拖头16与传感器联动装置4连接；所述传感器联动装置4外包覆流线型的导流罩10，设置在传感器联动装置4内的传感器横轴20上安装有拉力传感器17、倾角传感器18、深度传感器19，传感器横轴20通过轴承固定安装在传感器安装底座11上，传感器安装底座11通过传感器纵轴21安装在承力杆3上，传感器横轴20及传感器纵轴21可自由转动，三个传感器以十字连接板和抱箍锁紧连接安装组成联动结构，联动结构采用对称设计，使该联动结构在静力状态下绕横轴转动自平衡，消除传感器自重和外形对倾角和拉力的误差影响，联动结构外包覆流线型导流罩，减少水流阻力，导流罩上部和尾部设计合理的开口，能绕传感器纵轴21自由转动，尾部敞口使挂载试件带动传感器绕横轴20自由转动不与导流罩发生干涉；所述试件缆拖头16通过细凯夫拉绳23和试件挂载吊环螺钉22安装在拉力传感器17上；所述试验船1甲板处设置有高精度GPS6和信号调制板8，高精度GPS6用于实时测量航速和定位，信号调制板8分别与传感器联动装置4、高精度GPS6及数据处理计算机7连接，用于传感器联动装置4和高精度GPS6数据的接收、转换和时钟同步，并将数据传输至数据处理计算机7进行处理与显示；所述转动拖曳夹具12安装于钢结构架2上，可带动承力杆3转动，在拖曳工作时通过设置在转动拖曳夹具12下部的卡箍13固定承力杆3，使承力杆3竖直状态深入水中，安装或回收试件缆5时，通过转动拖曳夹具12的转动可使承力杆3水平横置；如图2所示为试件缆5的挂载拖曳状态，转动拖曳夹具12为口朝下，承力杆3挂载后为竖直状态，凯夫拉绳14为绷直状态；回收更换试件缆5时拆除卡箍13，拉动凯夫拉绳14回收，承力杆3带动传感器装置4和试件缆5到水平横置，可从挂载吊环螺钉22上拆除细凯夫拉绳23回收试件缆5。
本发明中试验船1选择小型双体船，钢结构架2安装于船体中间靠近尾部，减小船体紊流影响，本发明对船体不做限制，钢结构架2可根据使用的试验船体进行改装，对测量传感器结构和测量方法无影响。
本发明中试验场地选择有一定深度的静水开阔湖泊，减小水流影响。
采用上述船载缆阵阻力系数测量系统的测量方法，主要包括以下步骤：
1)对试件缆5进行预处理，安装轻量化流线型拖头16，对尾部进行包边导流处理，预处理后拖头与尾部需与试件缆5密度一致，以减小首尾误差。
2)测量试件缆5的缆直径D，缆长L，水中净重G，记录参数导入数据处理计算机7中。
3)装配传感器联动装置4，安装拉力传感器17、倾角传感器18、深度传感器19到传感器横轴20上，将传感器横轴20通过轴承固定到安装底座11上，再将底座11通过传感器纵轴21安装到承力杆3上，将传感器传输线24从承力杆3中间穿出，安装导流罩10，安装承力杆3上导流片9，确保导流片9可自由转动，传感器联动装置4的传感器横轴20、传感器纵轴21可自由转动。
4)安装钢结构架2到试验船1上，将传感器联动装置4和承力杆3固定到拖曳夹具12上，承力杆3横置，传感器联动装置4处于钢结构架2前梁位置，用凯夫拉绳14连接承力杆3和前梁上两侧的吊环螺钉15，将试件缆拖头16通过细凯夫拉绳23和挂载吊环螺钉22安装到拉力传感器17上，下放承力杆3，安装卡箍13固定承力杆3，此时凯夫拉绳14处于绷直状态，作为加强绳。
5)将从承力杆3上部开口处引出的传感器传输线24及高精度GPS6信号线连接到信号调制板8上，信号调制板8连接数据处理计算机7，将传感器、GPS、计算机三者进行时间同步，数据集成，初值标定。
6)开始拖曳试验，稳定拖船航速进行稳定直航试验，计算机自动记录当前航速V、拉力值T和倾角值θ，记录多组数据取平均值。
7)通过拖曳试验同步测量试件缆5在不同航速下的拉力T和倾角θ，根据公式分解换算后反推单位长度试件缆5在不同速度下切法向阻力Ft′、Fn′和阻力系数Ct、Cn，并以倾角值去修正拉力测量值，从而能计算得到更为准确的实际水动力系数，试验所需测量值为拉力T，角度θ，速度V，缆直径D，水中净重G，缆长L，6个数据，其中D、G、L在试验前测得，T、θ、V在试验中测得。
在上述步骤7)中，由于试件缆为密度大于水的重缆，在水中拖曳时，V为流体相对于试件缆的运动速度，θ为试件缆与来流速度夹角，试件缆受到拉力为T，水中重力为G，作用于试件缆上任意点的流体水动力可分解为沿缆切向的切向阻力Ft和垂直于缆方向的法向阻力Fn；在理想状态下缆尾端自由时即尾部张力为0时，试件缆位形为一条直线，实际缆首尾段位形会有小段为非直线，试件缆足够长度时该小段可忽略，且可用多条长度不一致的试件缆消除首尾误差；因此沿试件缆切向分解受力列平衡方程为：
Ft+G·sinθ＝T (1)
沿试件缆法向分解受力列平衡方程为：
Fn＝G·cosθ (2)
依据单位长度的圆形截面缆的水阻力计算单位长度切向阻力为：
Ft′＝0.5ρCtπD(V cosθ)2 (3)
单位长度法向阻力为：
F′n＝0.5ρCnD(V sinθ)2 (4)
得到切向阻力系数计算公式为：
Ct＝2(T-G sinθ)/ρπD(V cosθ)2 (5)
得到法向阻力系数计算公式为：
Cn＝2G cosθ/ρD(V sinθ)2 (6)
其中ρ为水密度，D为缆直径，Ct、Cn为切向与法向阻力系数，且Ft′＝Ft/L；F′n＝Fn/L，L为缆长。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种船载缆阵阻力系数测量系统，其特征在于：主要包括试验船(1)、钢结构架(2)、承力杆(3)、传感器联动装置(4)和试件缆(5)，试验船(1)中部安装有钢结构架(2)，钢结构架(2)前梁上固定有吊环螺钉(15)，钢结构架(2)后梁中间位置处通过转动拖曳夹具(12)固定有中空结构的承力杆(3)，转动拖曳夹具(12)可翻转并带动承力杆(3)转动，承力杆(3)中间安装若干流线型导流片(9)，承力杆(3)下部挂载传感器联动装置(4)，通过传感器传输线(24)从承力杆(3)中穿过将数据导出到位于试验船(1)甲板处的数据处理计算机(7)，凯夫拉绳(14)系于传感器联动装置(4)和钢结构架(2)前梁两端的吊环螺钉(15)上，试件缆(5)通过试件缆拖头(16)与传感器联动装置(4)连接。
2.根据权利要求1所述的船载缆阵阻力系数测量系统，其特征在于：所述传感器联动装置(4)外包覆流线型的导流罩(10)，设置在传感器联动装置(4)内的传感器横轴(20)上安装有拉力传感器(17)、倾角传感器(18)、深度传感器(19)，传感器横轴(20)通过轴承固定安装在传感器安装底座(11)上，传感器安装底座(11)通过传感器纵轴(21)安装在承力杆(3)上，传感器横轴(20)及传感器纵轴(21)可自由转动。
3.根据权利要求1或2所述的船载缆阵阻力系数测量系统，其特征在于：所述试件缆拖头(16)通过细凯夫拉绳(23)和试件挂载吊环螺钉(22)安装在拉力传感器(17)上。
4.根据权利要求1所述的船载缆阵阻力系数测量系统，其特征在于：所述试验船(1)甲板处设置有高精度GPS(6)和信号调制板(8)，高精度GPS(6)用于实时测量航速和定位，信号调制板(8)分别与传感器联动装置(4)、高精度GPS(6)及数据处理计算机(7)连接，用于传感器联动装置(4)和高精度GPS(6)数据的接收、转换和时钟同步，并将数据传输至数据处理计算机(7)进行处理与显示。
5.根据权利要求1所述的船载缆阵阻力系数测量系统，其特征在于：所述转动拖曳夹具(12)下部设置有卡箍(13)，用于固定承力杆(3)。
6.一种采用如权利要求1所述的船载缆阵阻力系数测量系统的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1)对试件缆(5)进行预处理，安装轻量化流线型拖头(16)，对尾部进行包边导流处理，预处理后拖头与尾部需与试件缆(5)密度一致，以减小首尾误差；
2)测量试件缆(5)的缆直径D，缆长L，水中净重G，记录参数导入数据处理计算机7中；
3)装配传感器联动装置(4)，安装拉力传感器(17)、倾角传感器(18)、深度传感器(19)到传感器横轴(20)上，将传感器横轴(20)通过轴承固定到安装底座(11)上，再将底座(11)通过传感器纵轴(21)安装到承力杆(3)上，将传感器传输线(24)从承力杆(3)中间穿出，安装导流罩(10)，安装承力杆(3)上导流片(9)，确保导流片(9)可自由转动，传感器联动装置(4)的传感器横轴(20)、传感器纵轴(21)可自由转动；
4)安装钢结构架(2)到试验船(1)上，将传感器联动装置(4)和承力杆(3)固定到拖曳夹具(12)上，承力杆(3)横置，传感器联动装置(4)处于钢结构架(2)前梁位置，用凯夫拉绳(14)连接承力杆(3)和前梁上两侧的吊环螺钉(15)，将试件缆拖头(16)通过细凯夫拉绳(23)和挂载吊环螺钉(22)安装到拉力传感器(17)上，下放承力杆(3)，安装卡箍(13)固定承力杆(3)，此时凯夫拉绳(14)处于绷直状态，作为加强绳；
5)将从承力杆(3)上部开口处引出的传感器传输线(24)及高精度GPS(6)信号线连接到信号调制板(8)上，信号调制板(8)连接数据处理计算机(7)，将传感器、GPS、计算机三者进行时间同步，数据集成，初值标定；
6)开始拖曳试验，稳定拖船航速进行稳定直航试验，计算机自动记录当前航速V、拉力值T和倾角值θ，记录多组数据取平均值；
7)通过匀速拖曳试验，可以得到不同速度V下试件缆(5)对应的拉力T、倾角θ，计算试件缆(5)的单位长度切法向阻力F′t、F′n和阻力系数Ct、Cn。
7.根据权利要求6所述的船载缆阵阻力系数测量方法，其特征在于：在步骤7)中，试件缆为密度大于水的重缆，在水中拖曳时，V为流体相对于试件缆的运动速度，θ为试件缆与来流速度夹角，试件缆受到拉力为T，水中重力为G，作用于试件缆上任意点的流体水动力可分解为沿缆切向的切向阻力Ft和垂直于缆方向的法向阻力Fn；沿试件缆切向分解受力列平衡方程为：
Ft+G·sinθ＝T (1)
沿试件缆法向分解受力列平衡方程为：
Fn＝G·cosθ (2)
依据单位长度的圆形截面缆的水阻力计算单位长度切向阻力为：
F′t＝0.5ρCtπD(Vcosθ)2 (3)
单位长度法向阻力为：
F′n＝0.5ρCnD(Vsinθ)2 (4)
得到切向阻力系数计算公式为：
Ct＝2(T-Gsinθ)/ρπD(Vcosθ)2 (5)
得到法向阻力系数计算公式为：
Cn＝2Gcosθ/ρD(Vsinθ)2 (6)
其中ρ为水密度，D为缆直径，Ct、Cn为切向与法向阻力系数，且F′t＝Ft/L；F′n＝Fn/L，L为缆长。
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