CN111220352B - 一种变角度水翼的约束入水实验装置 - Google Patents

一种变角度水翼的约束入水实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及一种变角度水翼的约束入水实验装置，该装置包括：固定组件，水翼组件，连接组件以及调节组件；所述固定组件和所述水翼组件均垂直设置于所述连接组件，且所述固定组件通过所述调节组件与所述水翼组件连接，由所述调节组件调节所述水翼组件的入水角度。由此，可以实现变角度高速入水，同时可以进行入水运动过程以及流场演变规律的精细观测，这具有非常重要的研究意义。

Description

一种变角度水翼的约束入水实验装置
技术领域
本发明实施例涉及船舶水下航行领域，尤其涉及一种变角度水翼的约束入水实验装置。
背景技术
结构物入水作为一种自然界中的常见现象，从科学角度看，包含了复杂非线性多相流动、自由液面大变形，并伴有湍流和涡的产生，是一种典型流固耦合问题；从工程角度看，关于射弹入水的研究具有强烈的船舶海洋工程、航空航天等领域的国防背景，其成果运用前景广泛。近年来，人们主要采用数值模拟和实验的方法来研究入水问题。虽然数值模拟方法可以形象清晰地展示空泡演化过程，载荷时空分布，运动轨迹的变化规律等，但是，数值计算模型本身不可避免地存在模化、简化，计算方法缺乏公认的可信度。由于实尺寸或大比例的实验代价高昂，基于高速摄像的小比例模型入水实验是一种非常好的研究入水物理机理的研究方法。
但是现有的实验设备大多只能进行低速垂直入水的实验，比如将小球从某一高度静止释放，依靠自身重力自由下落。或者是把物体放置在滑块上，滑块和垂直于地面的滑轨相连接，用电机或依靠重力来带动物体下行。由于设备的限制，物体很难达到更快的速度，也无法进行不同角度的入水实验。此外，由于发射时缺少约束，物体在加速过程中很容易晃动或者偏离预定的运动轨迹。这些问题都给研究不同角度高速入水带来了许多困难和不便，同时也对实验装置提出了更高的要求。
发明内容
本发明实施例提供了一种变角度水翼的约束入水实验装置，可以实现变角度高速入水，同时可以进行入水运动过程以及流场演变规律的精细观测，这具有非常重要的研究意义。
该入水实验装置，包括：固定组件，水翼组件，连接组件以及调节组件；
所述固定组件和所述水翼组件均垂直设置于所述连接组件，且所述固定组件通过所述调节组件与所述水翼组件连接，由所述调节组件调节所述水翼组件的入水角度。
在一个可能的实施方式中，所述固定组件包括：连接座和支撑杆；
所述连接座的横截面为六边形结构，且所述连接座迎水面的第一夹角的角度大于对置于所述迎水面的第二夹角的角度，以此减少所述入水实验装置的航行阻力；
所述连接座的顶部设有与所述支撑杆适配的第一通孔，通过将所述支撑杆套入所述第一通孔，从而确定所述水翼组件沿竖直方向的位置；
所述连接座的侧壁设有与所述调节组件适配的第二通孔，所述连接座的底部设有与所述连接组件适配的第三通孔。
在一个可能的实施方式中，所述支撑杆的一端对接于所述连接座的第一通孔；
所述支撑杆的另一端与约束发射试验台连接，其中所述约束发射实验台用于为所述入水实验装置提供动能。
在一个可能的实施方式中，所述连接组件包括：连接杆；
所述连接杆的一端设用于与所述第三通孔对接的柱体，且所述连接杆的上表面与所述连接座的下表面相接触，以此限制所述连接杆的转动；
所述连接杆的杆体上还设有与所述水翼组件适配的第四通孔。
在一个可能的实施方式中，所述水翼组件包括：工字架和水翼，所述工字架的迎水面为流线型结构，通过所述流线型结构减少航行阻力；
所述工字架的底部设有与所述第四通孔相重合的第五通孔，通过螺钉与所述第五通孔和第四通孔配合，使所述工字架与连接杆相连接，由此释放所述水翼绕y轴方向的旋转自由度，从而调整水翼入水的角度；
所述工字架的中部设有用于与所述调节组件适配的第六通孔，所述工字架的顶部呈“凹”形结构，且所述工字架的顶部设有多个第七通孔。
在一个可能的实施方式中，所述水翼上设有与所述第七通孔相重合的第八通孔，通过螺钉与所述第七通孔和第八通孔配合，将所述水翼固定于所述工字架。
在一个可能的实施方式中，所述工字架的底部与所述工字架的顶部之间的距离大于两倍所述水翼的弦长，以此降低所述工字架和所述连接杆对绕水翼流动的干扰。
在一个可能的实施方式中，所述调节组件包括：第一调节杆，第二调节杆和调整螺母；
所述第一调节杆的一端对接于所述连接座的第二通孔，所述第一调节杆的另一端与所述调整螺母的一端通过螺纹连接，所述调整螺母的另一端与所述第二调节杆的一端通过螺纹连接，所述第二调节杆的另一端对接于所述第六通孔，通过调节所述第一调节杆和所述第二调节杆控制所述水翼的入水角度。
在一个可能的实施方式中，所述第一调节杆与所述第二调节杆的长度相同，所述调整螺母的长度大于两倍所述第一调节杆或所述第二调节杆的长度，以此降低所述连接座与所述支撑杆对水翼尾流的干扰。
本发明实施例提供了一种变角度水翼的约束入水实验装置，可以实现变角度高速入水，同时可以进行入水运动过程以及流场演变规律的精细观测，这具有非常重要的研究意义。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
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简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置的示意图；
图2为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置中支撑杆的正视图；
图3为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置中支撑杆的俯视图；
图4为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置中连接座的示意图；
图5为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置中连接座的正视图；
图6为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置中连接座的俯视图；
图7为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置中连接杆的示意图；
图8为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置中工字架的示意图；
图9为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置中水翼的示意图；
图10为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置中调整螺母的示意图；
图11为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置中第一调节杆的示意图；
图12为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置中第二调节杆的示意图；
标号注释：1-水翼，2-工字架，3-调整螺母，4-第一调节杆，5-第二调节杆，6-连接杆，7-连接座，8-支撑杆，11-第八通孔，21-第五通孔，22-第六通孔，23-第七通孔，61-第四通孔，71-第一通孔，72-第二通孔，73-第三通孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动成果前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本申请实施例提供了一种变角度水翼的约束入水实验装置，包括：固定组件，水翼组件，连接组件以及调节组件，固定组件和水翼组件均垂直设置于连接组件，且固定组件通过调节组件与水翼组件连接，由调节组件调节水翼组件的入水角度。
图1为本申请实施例提供的一种变角度水翼的约束入水实验装置的示意图，如图1所示：水翼组件包括：水翼1和工字架2，调节组件包括：调整螺母3，第一调节杆4和第二调节杆5，连接组件包括：连接杆6，固定组件包括：连接座7和支撑杆8。且本实施例以连接座为原点建立三维坐标系，其中，支撑杆为z轴方向，连接杆为x轴方向，垂直于支撑杆和连接杆的方向为y轴方向。
本实施例中，入水实验装置的支撑杆如图2、图3所示，支撑杆8的一端对接连接座7；支撑杆8的另一端与约束发射实验台相连，可以使入水实验装置瞬间获得巨大能量，达到预定的入水速度，最大速度可到20米每秒。
其中，支撑杆8是由不锈钢板将左右对称的不锈钢管焊接而成的，不锈钢管的内径为19毫米，外径为27毫米，两个不锈钢管之间的距离为50毫米。另外，支撑杆8的长度可根据实验要求进行调节，进而能研究不同淹没水深对绕水翼流动的影响，本实施例中支撑杆长为700毫米。同时采用不锈钢材料可降低整个装置的重量，实现整个装置的快速航行。
本实施例中，入水实验装置的连接座如图4、图5所示，连接座7的顶部设有第一通孔71，第一通孔71用于对接支撑杆8，从而实现水翼沿着Z轴方向位置的确定。
连接座7的侧壁设有与调节组件适配的第二通孔72，通过螺母与第二通孔72配合来固定调节组件。
连接座7的底部设有与连接组件适配的第三通孔73，通过螺母与第三通孔73的配合，可使连接组件只能绕x轴的转动。
如图6所示，连接座7的横截面采用流线型设计，从而达到减少航行过程中阻力的目的，迎水面的内角大于另一端的内角；横截面为轴对称的六边形，长140毫米、宽度为36毫米。
本实施例中，入水实验装置的连接杆如图7所示，连接杆6的一端设有用于与第三通孔对接的柱体，连接杆6的杆体上还设有与水翼组件适配的第四通孔61。另外，结合图4可知，连接杆的A2面与连接座的A1面相互接触，这进一步限制了连接杆绕x轴的转动，从而实现了对连接组件位置的绝对固定。
本实施例中，入水实验装置的工字架如图8所示，工字架2的底部设有与第四通孔相重合的第五通孔21，通过螺母与第五通孔21的配合，可使工字架与连接杆连接，并释放绕y轴的旋转自由度，由此调整水翼的入水角度。
工字架2的中部设有与调节组件适配的第六通孔22，通过螺母与第六通孔22的配合，可使工字架与调节组件固定连接。由调节组件对工字架进行调节，间接的调节水翼的入水角度。
工字架2的顶部呈“凹”形结构，且工字架的顶部设有多个第七通孔23。
本实施例中，入水实验装置的水翼如图9所示，水翼1上设有与第七通孔相重合的第八通孔11。通过螺母与第七通孔和第八通孔配合，将水翼1固定在工字架上。本实施例的水翼为入水实验的研究对象，展长200毫米，弦长为C，横截面弧线可根据实验要求进行相应替换，从而达到研究不同翼型结构入水问题的研究。
其中，工字架顶部到底部的距离L1大于两倍水翼弦长C，即L1>2C，如此才能尽量降低工字架、连接组件等对绕水翼流动的影响。
本实施例中，入水实验装置的调整螺母如图10所示，调整螺母3的一端设置有左旋螺纹，通过左旋螺纹与第一调节杆连接，调整螺母3的另一端设置有右旋螺纹，通过右旋螺纹与第二调节杆连接。
本实施例中，入水实验装置的第一调节杆如图11所示，第一调节杆4的杆身长度为L2，第一调节杆4的一端设有左旋螺纹，通过左旋螺纹与调整螺母的左旋螺纹相互配合，可使第一调节杆4与调整螺母3连接。第一调节杆4的另一端设置有与连接座的第二通孔相重合的第九通孔，通过螺钉与第二通孔和第九通孔配合，将第一调节杆与连接座固定连接。
本实施例中，入水实验装置的第二调节杆如图12所示，第二调节杆5的杆身的长度为L2，第二调节杆5的一端设有右旋螺纹，通过右旋螺纹与调整螺母的右旋螺纹相互配合，可使第二调节杆5与调整螺母连接。第二调节杆5的另一端设置有两个与工字架的第六通孔相重合的第十通孔，通过螺钉与第六通孔和第十通孔配合，将第二调节杆与工字架固定连接。
其中，调整螺母的长度L3要大于两倍的L2，即L3>2L2，一方面，可以减少下游水翼连接座、入水支撑杆对于水翼尾流的影响；另一方面，可以通过旋转第一调节杆、第二调节杆的深度来调整水翼的入水角度。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系，运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但是作为范例，本发明并不限制与以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的同等修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种变角度水翼的约束入水实验装置，其特征在于，包括：固定组件，水翼组件，连接组件以及调节组件；
所述固定组件和所述水翼组件均垂直设置于所述连接组件，且所述固定组件通过所述调节组件与所述水翼组件连接，由所述调节组件调节所述水翼组件的入水角度；
所述固定组件包括：连接座和支撑杆；
所述连接座的横截面为六边形结构，且所述连接座迎水面的第一夹角的角度大于对置于所述迎水面的第二夹角的角度，以此减少所述入水实验装置的航行阻力；
所述连接座的顶部设有与所述支撑杆适配的第一通孔，通过将所述支撑杆套入所述第一通孔，从而确定所述水翼组件沿竖直方向的位置；
所述连接座的侧壁设有与所述调节组件适配的第二通孔，所述连接座的底部设有与所述连接组件适配的第三通孔；
所述连接组件包括：连接杆；
所述连接杆的一端设用于与所述第三通孔对接的柱体，且所述连接杆的上表面与所述连接座的下表面相接触，以此限制所述连接杆的转动；
所述连接杆的杆体上还设有与所述水翼组件适配的第四通孔；
所述水翼组件包括：工字架和水翼，所述工字架的迎水面为流线型结构，通过所述流线型结构减少航行阻力；
所述工字架的底部设有与所述第四通孔相重合的第五通孔，通过螺钉与所述第五通孔和第四通孔配合，使所述工字架与连接杆相连接，由此释放所述水翼绕y轴方向的旋转自由度，从而调整水翼入水的角度；
所述工字架的中部设有用于与所述调节组件适配的第六通孔，所述工字架的顶部呈“凹”形结构，且所述工字架的顶部设有多个第七通孔；
所述调节组件包括：第一调节杆，第二调节杆和调整螺母；
所述第一调节杆的一端对接于所述连接座的第二通孔，所述第一调节杆的另一端与所述调整螺母的一端通过螺纹连接，所述调整螺母的另一端与所述第二调节杆的一端通过螺纹连接，所述第二调节杆的另一端对接于所述第六通孔，通过调节所述第一调节杆和所述第二调节杆控制所述水翼的入水角度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑杆的一端对接于所述连接座的第一通孔；
所述支撑杆的另一端与约束发射试验台连接，其中所述约束发射实验台用于为所述入水实验装置提供动能。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水翼上设有与所述第七通孔相重合的第八通孔，通过螺钉与所述第七通孔和第八通孔配合，将所述水翼固定于所述工字架。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述工字架的底部与所述工字架的顶部之间的距离大于两倍所述水翼的弦长，以此降低所述工字架和所述连接杆对绕水翼流动的干扰。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一调节杆与所述第二调节杆的长度相同，所述调整螺母的长度大于两倍所述第一调节杆或所述第二调节杆的长度，以此降低所述连接座与所述支撑杆对水翼尾流的干扰。
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