CN111017257A - 渗流特性等效模拟方法和试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种渗流特性等效模拟方法和试验系统，通过不同缩比的渗漏源等效试验模型分别研究缝隙、圆形单孔、方形单孔、圆形多孔等复杂形状的实机渗漏源渗流特性，基于进水量曲线掌握了上述渗漏源在模型上的等效设计方法。通过该方法得到的模型渗漏源等效模拟方案更为合理、有效。进一步保证了飞机试验模型在漂浮特性试验过程中，机内进水量、水流分布与实机的强等效性，通过模型试验预报得到的实机进水漂浮姿态和漂浮时间依据性更强、精度更高、可实现性更好。

Description

渗流特性等效模拟方法和试验系统

技术领域

本发明属于固定翼飞机水上迫降试验领域，尤其涉及一种渗流特性等效模拟方法和试验系统。

背景技术

固定翼飞机的应急撤离程序和适航符合性验证要大量参照飞机模型的水上迫降和漂浮特性试验，提高试验模型的设计制作和水上迫降试验精度对于固定翼飞机的设计和性能验证工作极为重要。

漂浮特性是固定翼飞机水上迫降后在水面稳定漂浮和应急撤离的重要性能指标。适航规章指出，必须采用模型试验或理论计算的方法表明飞机的漂浮特性满足要求。特别的，当采用试验方法对飞机的漂浮特性展开研究时，必须综合考虑渗漏源的形态、位置、大小等参数所造成的影响。但实际飞机的渗漏源数量多、尺寸小、分布广且形态复杂，试验模型因受到池壁效应、试验速度等条件的限制，往往选取的缩放比λ较大，使得实机渗漏源参数在模型上的等比例相似模拟无法实现。

针对上述问题，当前机型在开展水上迫降漂浮特性研究时，通常利用渗漏源简单集中缩比对实机渗漏源进行模拟，但水上迫降试验现象和结果表明，该方法仍无法真实表征飞机的进水渗流情况，较大程度影响了实机漂浮特性的预估评价。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在进行飞机漂浮特性试验前，基于背景机型的线型特点开展必要的渗流特性等效模拟研究，根据所获取不同模型的进水量时历曲线，研究对应线型的渗漏源等效模拟方法和通用方程，通过优化渗漏源设计方案，进一步提升漂浮特性模型试验的有效性。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种渗流特性等效模拟方法和试验系统。本发明实施例第一方面提供一种渗流特性等效模拟方法，所述方法采用渗流特性试验系统，所述渗流特性试验系统包括第一模型和第二模型，所述第一模型为包含有渗漏源的1:1模型，所述第二模型与所述第一模型的比例关系为1：λ；所述第二模型的渗流源等效底板上设置有所述第一模型上的渗流源的等效渗流源，所述第一模型和所述第二模型之间的外形尺寸、结构布局、结构件体积、模型重量、重心关系满足傅汝德相似准则；所述方法包括：

步骤1、采用所述第一模型开展进水漂浮试验，获取第一曲线，所述第一曲线为所述第一模型的进水量随时间的变化曲线；

步骤2、采用所述第二模型开展进水漂浮试验，获取第二曲线，所述第二曲线为所述第二模型的进水量随时间的变化曲线；

步骤3、在所述第二曲线与所述第一曲线不一致时，更改所述第二模型的渗流源等效底板上的等效渗流源的大小或者位置，重复执行上述步骤2；

步骤4、根据每次执行步骤2时所述第二模型的渗流源等效底板上的等效渗流源的大小和位置，以及获取的第二曲线，获取渗流特性；所述渗流特性用于指示不同渗流源的进水量随时间的变化曲线。

可选的，所述方法还包括：

在所述第二曲线与所述第一曲线一致时，执行步骤4。

可选的，采用模型进行进水试验，包括：

步骤10、利用透明胶布粘接模型的渗漏源，将所述模型置于试验水域中，将所述模型的初始姿态角调整为预设姿态角；

步骤20、移除所述透明胶布，液位传感器监测所述模型中液位随时间的变化情况，并将监测数据传递给数据采集系统；

步骤30、数据采集系统将采集到的各液位传感器的液位变化参数传递给数据处理系统，所述数据处理系统获取所述模型进水量随时间的变化曲线；

步骤40、当模型漂浮姿态、液位参数持续稳定不变时，关闭数据采集系统，并利用岸边模型打捞装置将模型打捞控水。

可选的，所述第一模型或第二模型均包括：舱段四周外形底板1、首尾外形立板2、左右外形立板3、两个舱壁板4、渗漏源等效底板5、传感器安装台6；

所述首尾外形立板2和所述左右外形立板3设置在所述舱段四周外形底板1上，形成模型主体；

所述两个舱壁板4平行于所述首尾外形立板2并设置在所述模型主体内，所述两个舱壁板4将所述模型分隔为两侧配载室和一个中央进水舱；

所述舱段四周外形底板1上设置有可拆卸的渗漏源等效底板5；

所述模型的中央进水舱四周、中央位置及所述模型外侧四周各设置有至少一个所述传感器安装台6，所述传感器安装台6用于安装液位传感器。

可选的，所述传感器安装台6上设置有台阶孔，所述液位传感器通过设置在台阶孔内的螺栓与传感器安装台6连接。

可选的，所述第一模型还包括：体积等效模拟件9；

所述体积等效模拟件9的总体积为(λ³-1)倍的液位传感器体积。

可选的，所述舱段四周外形底板1、首尾外形立板2、左右外形立板3、舱壁板4、渗漏源等效底板5、传感器安装台6、体积等效模拟件9均采用有机玻璃制作，通过玻璃胶胶结方式连接。

本发明第二方面提供一种渗流特性获取试验系统，所述系统包括：第一模型、第二模型、试验水域、液位监测传感器、数据采集系统、数据处理系统；所述第一模型为包含有渗漏源的1:1模型，所述第二模型与所述第一模型的比例关系为1：λ；所述第二模型的渗流源等效底板上设置有所述第一模型上的渗流源的等效渗流源，所述第一模型和所述第二模型之间的外形尺寸、结构布局、结构件体积、模型重量、重心关系满足傅汝德相似准则；

所述系统用于执行如上述第一方面中的任一项所述的方法。

本发明实施例提供的渗流特性等效模拟方法和试验系统，通过不同缩比的渗漏源等效试验模型分别研究缝隙、圆形单孔、方形单孔、圆形多孔等复杂形状的实机渗漏源渗流特性，基于进水量曲线掌握了上述渗漏源在模型上的等效设计方法。通过该方法得到的模型渗漏源等效模拟方案更为合理、有效。进一步保证了模型在漂浮特性试验过程中，机内进水量、水流分布与实机的强等效性，通过模型试验预报得到的实机进水漂浮姿态和漂浮时间依据性更强、精度更高、可实现性更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的模型的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的进水量曲线示意图；

图3为本发明另一实施例提供的进水量曲线示意图；

附图标记说明：

1—舱段四周外形底板； 2—首尾外形立板；

3—左右外形立板； 4—舱壁板；

5—渗漏源等效底板； 6—传感器安装台；

7—“条”型传感器安装台； 8—“U”型传感器安装台；

9—体积等效模拟件； 10—液位监测装置。

具体实施方式

图1为本发明一实施例提供的模型的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的基于实机渗流特性的渗漏源参数等效模拟试验系统，其包括渗漏源等效模拟试验模型、数据采集系统、液位监测装置、倾角仪及数据处理系统，所述渗漏源等效模拟试验模型(第一模型或第二模型)包括：舱段四周外形底板1、首尾外形立板2、左右外形立板3、舱壁板4、渗漏源等效底板5、传感器安装台6、体积等效模拟件9；

所述舱段四周外形底板1、首尾外形立板2、左右外形立板3构成试验模型主体，所述舱壁板4平行于首尾外形立板2并于试验模型主体内部架设，所述舱壁板4将试验模型主体分隔为三个舱室——两侧配载室、中央进水舱；

所述渗漏源等效底板5铺设在舱段四周外形底板1预留的安装孔之下，其长度与试验模型外侧长度相同，宽度应保证渗漏源等效底板5与四周外形底板的粘接需要，且单侧粘接面至少应保证30mm宽；

所述传感器安装台6包括“L”型传感器安装台、“U”型传感器安装台、“条”型传感器安装台，其中“L”型传感器安装台分别安装于渗漏源等效模拟试验模型中央舱室4个折角点、“U”型传感器安装台安装于渗漏源等效模拟试验模型外部4个折角点、“条”型传感器安装台安装于中央舱室中央并与舱壁板4相连；

所述体积等效模拟件9为“条”型构件，贴合试验模型立板、舱壁板4分别安装于渗漏源等效模拟试验模型外部4个折角点、渗漏源等效模拟试验模型中央舱室4个折角点；

所述液位监测装置包括液位传感器及监测线路，所述液位传感器顶端与监测线路相连，液位传感器底侧通过传感器安装台与所述试验模型舱段四周外形底板贴合并固定，所述监测线路与数据采集系统连接；

所述数据采集系统与数据处理系统连接。

示例性的，所述舱段四周外形底板1、首尾外形立板2、左右外形立板3、舱壁板4、渗漏源等效底板5、传感器安装台6、体积等效模拟件9均采用有机玻璃制作，各构件通过玻璃胶胶结方式连接。

示例性的，所述位于底部的渗漏源等效底板5设置有一定大小、形状、分布的开口。

示例性的，所述渗漏源等效底板5根据试验工况的不同可多次拆装、替换。

示例性的，所述传感器安装台上指定位置预留有台阶孔，所述液位监测装置通过螺栓与传感器安装台连接。

示例性的，所述渗漏源等效模拟试验模型为一系列外形相同、尺寸不同的试验箱体，缩尺比分别为大模型1:1、小模型1：λ其中λ>1，λ根据需要选取1个以上的参数。对应模型尺寸和材料厚度分别为L、δ(1:1模型)，L/λ、δ/λ(1：λ模型)。

示例性的，所述等效体积模拟件仅安装于1:1模型，总体积为(λ³-1)倍传感器体积。主要用于对液位监测装置进行体积差额补充，以保证不同缩比模型之间的进水舱体积相似。安装时，等效体积模拟件长度方向一侧与舱段四周外形底板紧密贴合。

如图1所示，渗漏源等效模拟试验模型包括舱段四周外形底板1、首尾外形立板2、左右外形立板3、舱壁板4、渗漏源等效底板5、传感器安装台6～8、体积等效模拟件9。其中，舱段四周外形底板1、首尾外形立板2、左右外形立板3共同构成试验模型主体。为对真实飞机水面漂浮的纵/横倾初始漂浮姿态进行模拟。在试验模型主体内部，平行于首尾外形立板方向加设两块舱壁板4，将试验模型主体分隔为三个舱室。其中，首尾两个舱室为配载室，用于放置砝码开展模型状态调整。中间舱室为进水舱，用于储存模型进水过程的进水增量。待上述结构安装完成后，将渗漏源等效底板5置于舱段四周外形底板1下方预设口盖位置并安装。

进一步的，为保证后期传感器安装，中间舱室四个转角及中央、试验模型外部四个转角处分别安装有“L”型传感器安装台6、“条”型传感器安装台7和“U”型传感器安装台8。各安装台上预留有台阶孔，供液位监测装置安装使用。体积等效模拟件9贴合试验模型立板2/3、舱壁板4安装于渗漏源等效模拟试验模型外部4个折角点、渗漏源等效模拟试验模型中央舱室4个折角点。

本发明的一个关键点在于渗漏源等效底板5的可拆卸、替换设计。根据试验需要渗漏源等效底板5上可设置有不同形状、大小及分布的渗漏源并分别开展试验。为实现这一目的，舱段四周外形底板1中央设有较大开口，用于安装渗漏源等效底板5。其中，舱段四周外形底板1与渗漏源等效底板5两者长度相同，但粘接面≥30mm宽。粘接完成后整体底板应满足后续进水口的设置要求——渗漏源仅包含渗漏源等效底板5上的孔隙，且舱段四周外形底板1对渗漏源的渗漏特性无干涉。

本发明的另一个关键点在于系列模型的设计、制作。由于本发明旨在研究基于实机渗流特性的渗漏源等效模拟系统和方法，为此试验过程中需设计、加工一系列外形相同、尺寸不同的试验模型作为渗漏源等效模拟试验模型组。其中，较大模型缩尺比1:1为等效实机构型、较小模型缩尺比1：λ，其中λ>1，λ根据需要选取1个以上的参数为等效模型构型。为保证试验满足物理规律，模型的设计、加工需满足傅汝德相似准则，如下表1所示。对应不同缩比模型，各模型对应的长度、质量、构件体积和材料厚度均应符合该表给出的数值关系。

表1模型试验比例关系

名称	全尺寸模型1:1	缩尺比	模型值
				长度	L	1/λ	L/λ
质量	m	1/λ	m/λ<sup>3</sup>
				体积	V	1/λ<sup>3</sup>	V/λ<sup>3</sup>
材料厚度	δ	1/λ	δ/λ

本发明的再一个关键点在于体积等效模拟件的安装。如前所述，研究时采用了一系列不同缩比的试验模型，但由于液位监测装置10为固定装置并在不同缩比模型中均有使用。为保证各模型进水舱体积满足相似关系，应在大模型缩尺比1:1中对液位监测装置10的体积差进行补偿。具体为在安装液位监测装置10的相应位置即渗漏源等效模拟试验模型外部4个折角点、渗漏源等效模拟试验模型中央舱室4个折角点安装体积等效模拟件9，对应体积为(λ³-1)倍传感器体积。安装时，等效体积模拟件长度方向一侧与舱段四周外形底板紧密贴合、宽度方向与试验模型立板2/3、舱壁板4紧密贴合。

上述渗漏源等效模拟试验模型各构件均采用类有机玻璃的透明、轻质、高强材料，各构件通过玻璃胶等粘接、防水材料胶结连接。

如图1所示，试验装置包括前述渗漏源等效模拟试验模型、液位监测装置10、数据采集系统11以及数据处理系统12。其中，液位监测装置10包括液位传感器及监测线路，所述液位传感器顶端与监测线路相连。将液位监测装置10置于传感器安装台6～8内部，在保证液位监测装置10底部与舱段四周外形底板1紧密贴合后，利用螺栓将两者固结。安装完成后，将液位传感器10的外接线圈与数据采集系统11连接，数据采集系统11连接于数据处理系统12上，以实时监测模型各部位的液位变化。

本发明还提供了一种渗流特性的等效模拟方法，包括如下步骤：

第一步、加工系列不同缩比的渗漏源等效模拟试验模型。确保各模型除渗漏源等效底板孔洞外，无其他渗水位置。安装的液位监测装置可正常工作，设置所需的监测参数；

第二步、利用透明胶布粘接渗漏源等效底板上的预留孔洞。将渗漏源参数等效模拟试验系统置于试验水域中，通过在两端舱室配重，实现对舱段重量、初始漂浮姿态的模拟。其中，大模型1:1缩比、小模型1：λ缩比之间的外形尺寸、结构布局、结构件体积、模型重量、重心关系满足傅汝德相似准则。利用倾角仪检测模型初始姿态，当大、小模型姿态角相同并与预设试验工况保持一致时，模型状态调试完成；

第三步、打开数据采集系统，并轻扶模型四周，揭除渗漏源等效底板上的透明胶布。渗漏源参数等效模拟试验系统在水压差作用下不断进水下沉，液位监测装置监测整个过程液位随时间的变化情况。并将监测数据传递给数据采集系统；

第四步、所述数据采集系统将采集到的各液位传感器的液位变化参数传递给数据处理系统，以获取模型进水量随时间的变化曲线；

第五步、当模型漂浮姿态、液位参数持续稳定不变时，关闭数据采集系统，并利用岸边模型打捞装置将模型打捞控水；

第六步、将不同模型、不同渗漏源等效底板参数下的进水量随时间变化情况进行对比分析，获取基于实机渗流情况的模型渗漏源等效模拟方案。

其中，进水量计算方程具体为：

Q_i＝AV_i (2)

式中：

μ为流量系数，渗漏源等效底板5上的渗漏源面积较小或距水面较近时可取为0.6；

g为重力加速度(9.8m/s²)；

H为渗漏源等效底板5上的渗漏源形心距外水面的距离(m)；

h为渗漏源等效底板5上的渗漏源形心距内水面的距离(m)；

A为渗漏源等效底板5上的渗漏源面积(m²)；

V_i为流速(m³/s)；

t_i为液位传感器采集一次的时间(s)；

Q_i为t_i时间内的进水量(m³)；

Δ为总进水量(m³)。

进一步的，在开展进水量随时间变化情况对比分析时，需将各渗漏源等效底板5对应试验数据绘制为进水量随时间的变化曲线。通过将1:1模型的进水量曲线设置为目标曲线，1：λ模型在不同渗漏源等效底板条件下的进水量曲线设置为对比曲线，搜索满足进水量相似关系下的1：λ模型渗漏源等效底板参数。所述渗漏源等效底板参数即为满足实机渗流情况的模型渗漏源等效模拟方案。

实例1：

图2为本发明一实施例提供的进水量曲线示意图；图3为本发明另一实施例提供的进水量曲线示意图。试验采用了两种大小的试验模型，缩尺比对可以为1:1和1:2。基于得到的试验数据，探索寻找符合渗漏源等效模拟特性的渗漏源设计方案。图2和图3给出了几个渗漏源等效底板试验对应的进水量对比曲线。

以上举例仅为本发明的实施例之一，本领域研发人员从本结构直接导出的相同变形原理的外形结构，均应认为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种渗流特性等效模拟方法，其特征在于，所述方法采用渗流特性试验系统，所述渗流特性试验系统包括第一模型和第二模型，所述第一模型为包含有渗漏源的1:1模型，所述第二模型与所述第一模型的比例关系为1：λ；所述第二模型的渗流源等效底板上设置有所述第一模型上的渗流源的等效渗流源，所述第一模型和所述第二模型之间的外形尺寸、结构布局、结构件体积、模型重量、重心关系以及试验初始状态满足傅汝德相似准则；所述方法包括：

步骤1、采用所述第一模型开展进水漂浮试验，获取第一曲线，所述第一曲线为所述第一模型的进水量随时间的变化曲线；

步骤2、采用所述第二模型开展进水漂浮试验，获取第二曲线，所述第二曲线为所述第二模型的进水量随时间的变化曲线；

步骤3、在所述第二曲线与所述第一曲线不一致时，更改所述第二模型的渗流源等效底板上的等效渗流源的大小或者位置，重复执行上述步骤2；

步骤4、根据每次执行步骤2时所述第二模型的渗流源等效底板上的等效渗流源的大小和位置，以及获取的第二曲线，获取渗流特性；所述渗流特性用于指示不同渗流源的进水量随时间的变化曲线。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述第二曲线与所述第一曲线一致时，执行步骤4。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用模型开展进水漂浮试验，包括：

步骤10、利用透明胶布粘接模型的渗漏源，将所述模型置于试验水域中，将所述模型的初始姿态角调整为预设姿态角；

步骤20、移除所述透明胶布，液位传感器监测所述模型中液位随时间的变化情况，并将监测数据传递给数据采集系统；

步骤30、数据采集系统将采集到的各液位传感器的液位变化参数传递给数据处理系统，所述数据处理系统获取所述模型进水量随时间的变化曲线；

步骤40、当模型漂浮姿态、液位参数持续稳定不变时，关闭数据采集系统，并利用岸边模型打捞装置将模型打捞控水。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一模型或第二模型均包括：舱段四周外形底板(1)、首尾外形立板(2)、左右外形立板(3)、两个舱壁板(4)、渗漏源等效底板(5)、传感器安装台(6)；

所述首尾外形立板(2)和所述左右外形立板(3)设置在所述舱段四周外形底板(1)上，形成模型主体；

所述两个舱壁板(4)平行于所述首尾外形立板(2)并设置在所述模型主体内，所述两个舱壁板(4)将所述模型分隔为两侧配载室和一个中央进水舱；

所述舱段四周外形底板(1)上设置有可拆卸的渗漏源等效底板(5)；

所述模型的中央进水舱内侧四周、中央位置及所述模型外侧四周各设置有一个所述传感器安装台(6)，所述传感器安装台(6)用于安装液位传感器。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述传感器安装台(6)上设置有台阶孔，所述液位传感器通过设置在台阶孔内的螺栓与传感器安装台(6)连接。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一模型还包括：体积等效模拟件(9)；

所述体积等效模拟件(9)的总体积为(λ³-1)倍的液位传感器体积。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述舱段四周外形底板(1)、首尾外形立板(2)、左右外形立板(3)、舱壁板(4)、渗漏源等效底板(5)、传感器安装台(6)、体积等效模拟件(9)均采用有机玻璃制作，通过玻璃胶胶结方式连接。

8.一种渗流特性获取试验系统，其特征在于，所述系统包括：第一模型、第二模型、试验水域、液位监测传感器、数据采集系统、数据处理系统；所述第一模型为包含有渗漏源的1:1模型，所述第二模型与所述第一模型的比例关系为1：λ；所述第二模型的渗流源等效底板上设置有所述第一模型上的渗流源的等效渗流源，所述第一模型和所述第二模型之间的外形尺寸、结构布局、结构件体积、模型重量、重心关系以及试验初始状态满足傅汝德相似准则；

所述系统用于执行如权利要求1-7中任一项所述的方法。

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