CN113911278A - 一种水下航行器编队布置推进性能测试平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种水下航行器编队布置推进性能测试平台及方法，属于航行器试验领域；包括循环水槽、搭载平台以及测试系统；所述循环水槽用于提供循环水流环境；所述搭载平台为框架式结构，其顶部和底部均安装有导杆系统，位于顶部的导杆系统通过安装平台固定有多个航行器，位于底部的导杆系统通过安装平台固定高速相机；根据编队形式，通过调整各伸缩杆在安装平板上的固定位置来调整航行器在水平面的位置，通过调整各伸缩杆的轴向伸缩长度来调整航行器在竖直方向的位置；通过导杆系统和高速相机的配合，可以测试出水下航行器在不同编队设置下的推进效率、推力系数、升阻比及流场特性等衡量航行器运动性能优劣的关键参数。
Description
技术领域
本发明属于航行器试验领域，具体涉及一种水下航行器编队布置推进性能测试平台及方法。
背景技术
海洋是地球上最大的政治地理单元，其对沿海国家，具有巨大的经济、政治与军事意义。水下航行器作为一种可长时间在水下自主航行的智能小型装备，在军用和民用领域发挥着越来越重要的作用。当前，采用螺旋桨体系的推进与操作系统，水下航行器的推进效率可达70％-80％，舵效则接近2.0，但仍然很难满足特殊任务条件下的需求。群游现象在自然界中广泛存在，学者通过对编队行进的游鱼及飞鸟的研究，发现在集体群游时，个体的能量消耗得以减少，这进一步提升了人们对仿生航行器编队设置相关研究的兴趣。
在探究编队设置对仿生航行器推进性能影响的过程中，模型试验是一个必不可少的环节，通过模型试验来获取航行器在不同编队布置下的关键水动力及流场性能参数，从而得出最适合当前航行器的编队方式，为实际航行提供参考和依据。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种水下航行器编队布置推进性能测试平台及方法，在循环水槽中进行实验，测出自水下航行器在不同编队布置下的推进效率、推力系数、升阻比及流场特性等衡量其运动性能优劣的关键参数，并能根据实验数据确定出最佳的编队方式，同时还可以为传统的CFD数值模拟和理论研究提供实验验证，为实际航行提供参考和依据。是一种操作简单、精度高的水下航行器编队布置推进性能测试试验平台及测试方法。
本发明的技术方案是：一种水下航行器编队布置推进性能测试平台，其特征在于：包括循环水槽、搭载平台以及测试系统；所述循环水槽用于提供循环水流环境；
所述搭载平台为框架式结构，其顶部和底部均安装有导杆系统，位于顶部的导杆系统通过安装平台固定有多个航行器，位于底部的导杆系统通过安装平台固定高速相机；所述导杆系统包括轴承、导杆及导杆支撑座，四个导杆分别通过导杆支撑座对称安装于框架的顶部和底部，轴承同轴套装于导杆上；所述安装平台的两端分别通过轴承与导杆实现滑动连接，多个航行器分别通过伸缩杆固定于安装平台的正下方；根据编队形式，通过调整各伸缩杆在安装平板上的固定位置来调整航行器在水平面的位置，通过调整各伸缩杆的轴向伸缩长度来调整航行器在竖直方向的位置；
所述测试系统包括六轴力/力矩传感器、DPIV系统；所述DPIV系统包含光源系统、高速相机、荧光粒子、含流场分析模块的计算机；所述光源系统设置于搭载平台外用于照明；所述高速相机设置于搭载平台的底部安装平台上，位于航行器编队的正下方，用于对航行器编队进行流场、涡场以及扑翼运动形态的拍摄。
本发明的进一步技术方案是：所述循环水槽包括回型水槽、叶轮和实验段，所述回型水槽包括四个拐角，第一拐角与第二拐角之间的连接管道为贴近地面的回流管道；
所述回流管道上壁面延伸至第二拐角处，在位于第二拐角处的回流管道上壁面上开有通孔；所述叶轮安装于第二拐角的通孔处，通过电机驱动叶轮旋转，将水从通孔中抽出，提高后端水位流向下游，使得水槽内水流方向为顺时针；
所述实验段为第一拐角与第四拐角之间的一段水槽，所述搭载平台安装于实验段外侧，顶部导杆系统位于水槽上方，底部导杆系统位于槽底下方；多个航行器分别通过伸缩杆伸入至水槽内。
本发明的进一步技术方案是：所述叶轮的数量为3个，均为直径0.6m的铝制叶轮。
本发明的进一步技术方案是：所述通孔的孔径大于叶轮直径。
本发明的进一步技术方案是：所述回型水槽包括框架和壁面，通过框架使得壁面具有侧向承压能力，壁面为透明亚克力板。
本发明的进一步技术方案是：还包括整流网，所述整流网位于水槽的液位上方，用来提高流场稳定性，提高实验精度。
本发明的进一步技术方案是：所述实验段为1.2m×1.2m×1.2m的立方体结构，其中心区域流速为0.1m/s到0.8m/s连续可调，控制精度在0.01m/s，流速稳定时间2min。
一种水下航行器编队布置推进性能测试平台进行测试的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：在开始实验之前，按照实验计划安装各个航行器，并对各个航行器进行运动初始位置校零并记录下它们的相对位置关系；
步骤2：接通试验平台的所有电源；
步骤3：打开传感器记录软件，测试所有传感器和计算机的通讯情况，检查传感器安装方向是否正确，确保在实验中能准确的记录并传输实验数据；
步骤4：打开DPIV系统记录软件，首先调节高速相机位置，确保能将关注区域拍摄完全，然后进行相机光圈大小、拍摄频率、焦距的参数设置，确保在实验中能准确的进行流场、涡场以及扑翼运动形态的拍摄；
步骤5：开启循环水槽，设定水流速度为实验流速v，；
步骤6：当航行器保持稳定运动时，开始记录实验数据，将六轴力/力矩传感器记录下的力学数据保存并导出，将DPIV系统记录下的流场参数保存并导出；
步骤7：变更编队设置重复进行实验时，必须断电操作，防止实验人员触电及损坏实验设备，等待循环水槽中液面平稳后重复步骤1-6；
步骤8：实验结束后、关闭所有电源；
步骤9：处理数据，计算推力系数、推进效率、升阻比等参数，并可利用DPIV系统中的分析模块进行流场分析，得到涡量场、速度场、压力场等信息。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中电源包括传感器网箱外接电源、DPIV系统电源、循环水槽电源。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明中水下航行器编队布置推进性能测试平台及方法，通过导杆系统和高速相机的配合，可以测试出水下航行器在不同编队设置下的推进效率、推力系数、升阻比及流场特性等衡量航行器运动性能优劣的关键参数，高速相机能够确保在实验中准确的进行流场、涡场以及扑翼运动形态的拍摄；从而可以得出最适合当前航行器的编队方式，同时还可以为传统的CFD数值模拟和理论研究提供实验验证，为实际航行提供参考和依据。
附图说明
图1为循环水槽俯视图；
图2为循环水槽与搭载平台布放图；
图3为搭载平台图；
图4为测试流程图。
附图标记说明：1——循环水槽，2——循环水槽实验段，3——第二拐角，4——第三拐角，5——第四拐角，6——第一拐角，7——叶轮，8——搭载平台，9——导杆支撑座，10——导杆，11——整流网，12——轴承，13——高速相机，14——安装平台，15——光源系统，16——航行器。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照图2所示，本发明一种水下航行器编队布置推进性能测试平台及方法基于循环水槽搭建完成，其中包含循环水槽1、搭载平台8以及测试系统，搭载平台8上配备了两套导杆系统，位于循环水槽实验段2上方的导杆系统通过安装平台14固定航行器16，安装平台14固定在轴承12上，通过伸缩杆将航行器伸入循环水槽实验段2内部；位于循环水槽实验段2下方的导杆系统通过安装平台14固定高速相机13。
参照图1所示，所述循环水槽1包括回型水槽、叶轮7和实验段2，所述回型水槽包括四个拐角，第一拐角6与第二拐角3之间的连接管道为贴近地面的回流管道；所述回流管道上壁面延伸至第二拐角3处，在位于第二拐角3处的回流管道上壁面上开有通孔；所述叶轮7安装于第二拐角3的通孔处，通过电机驱动叶轮7旋转，将水从通孔中抽出，提高后端水位流向下游，使得水槽内水流方向为顺时针；所述实验段2为第一拐角6与第四拐角5之间的一段水槽，所述搭载平台8安装于实验段外侧，顶部导杆系统位于水槽上方，底部导杆系统位于槽底下方；多个航行器16分别通过伸缩杆伸入至水槽内。
参照图3所示，所述搭载平台8为框架式结构，其顶部和底部均安装有导杆系统，位于顶部的导杆系统通过安装平台固定有多个航行器，位于底部的导杆系统通过安装平台固定高速相机；所述导杆系统包括轴承12、导杆10及导杆支撑座9，四个导杆10 分别通过导杆支撑9座对称安装于框架的顶部和底部，轴承12同轴套装于导杆10上；所述安装平台14的两端分别通过轴承12与导杆10实现滑动连接，多个航行器16分别通过伸缩杆固定于安装平台14的正下方；根据编队形式，通过调整各伸缩杆在安装平板14 上的固定位置来调整航行器16在水平面的位置，通过调整各伸缩杆的轴向伸缩长度来调整航行器16在竖直方向的位置；
所述测试系统包括六轴力/力矩传感器、DPIV系统；所述DPIV系统包含光源系统、高速相机、荧光粒子、含流场分析模块的计算机；所述光源系统设置于搭载平台外用于照明；所述高速相机设置于搭载平台的底部安装平台上，位于航行器编队的正下方，用于对航行器编队进行流场、涡场以及扑翼运动形态的拍摄。
实施例：
图1为循环水槽俯视图，试验段用透明亚克力板粘接而成，在其周围安装有约束张力的框架使其具有侧向承压能力，洞体主体其他部分用15mm厚PP板焊接而成。循环水槽动力由三个0.6m直径的铝制叶轮(8叶)10提供；第一拐角6与第二拐角3 之间的连接管道为贴近地面的回流管道，且延伸至第二拐角3，其延伸至第二拐角3 处的上表面有一直径微大于0.6m的圆洞，叶轮旋转时将水从中抽出，提高后端水位，使其流向下游，故水流方向为顺时针；实验段2为一1.2m×1.2m×1.2m立方体，其中心区域流速为0.1m/s到0.8m/s连续可调，控制精度在0.01m/s，流速稳定时间2min。整流网11用来提高流场稳定性，提高实验精度。
图2为循环水槽与搭载平台布放图，搭载平台8支架部分采用合金钢搭建而成，并固定在水平地面上。搭载平台8上配备了两套导杆系统，位于循环水槽实验段2上方的导杆系统通过安装平台14和多个伸缩杆固定航行器16，安装平台14上可以固定多个航行器16，并且航行,16的位置可以任意调节。此处的任意调节指的是多个航行器16位置既可以完成平面内的位置排列，同时还可以满足竖直方向上的位置排列。安装平台14的两端固定在轴承12上，通过伸缩杆将航行器16伸入循环水槽实验段2 内部；位于循环水槽实验段2下方的导杆系统通过安装平台14固定高速相机13，光源系统15布放在实验段2侧方，便于照亮整个实验段。
图3为搭载平台图，在搭载平台平台8的上下两端固定有两套由导杆10、导杆支撑座9、轴承12组成的导杆系统，再将两个安装平台14固定在轴承12上，用来固定航行器16及高速相机13。安装平台14可以在导杆10上任意挪动前后位置，航行器 16可以在安装平台14上任意挪动位置，从而扩大了编队方式的数量。
测试方法包括以下步骤:
步骤一：在开始实验之前，按照实验计划安装各个航行器，并对各个航行器进行运动初始位置校零并记录下它们的相对位置关系；
步骤二：接通试验平台的所有电源，包括传感器网箱外接电源、DPIV系统电源、循环水槽电源；
步骤三：打开传感器记录软件，测试所有传感器和计算机的通讯情况，检查传感器安装方向是否正确，确保在稍后的实验中能准确的记录并传输实验数据；
步骤四：打开DPIV系统记录软件，首先调节高速相机位置，确保能将关注区域拍摄完全，然后进行相机光圈大小、拍摄频率、焦距等参数设置，确保在稍后的实验中能准确的进行流场、涡场以及扑翼运动形态的拍摄；
步骤五：开启循环水槽，设定水流速度为实验流速v；
步骤六：当航行器保持稳定运动时，开始记录实验数据，将六轴力/力矩传感器记录下的力学数据保存并导出，将DPIV系统记录下的流场参数保存并导出；
步骤七：变更编队设置重复进行实验时，必须断电操作，防止实验人员触电及损坏实验设备，等待循环水槽中液面平稳重复步骤1-6。
步骤八：实验结束后、关闭所有电源；
步骤九：处理数据，计算推力系数、推进效率、升阻比等参数，并可利用DPIV 系统中的分析模块进行流场分析，得到涡量场、速度场、压力场等信息。
将高速相机拍摄得到的图像文件导入后处理软件可以进行流场特性分析如前缘涡、尾涡、翼尖涡的产生、扩散及消散过程，流场内不同点的速度差异以及流场内各点的压力分布等，还可以通过后处理软件对航行器机身各个关键位置点进行轨迹追踪，从而可以得出最适合当前航行器的编队方式，同时还可以为传统的CFD数值模拟和理论研究提供实验验证，为实际航行提供参考和依据。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (9)
1.一种水下航行器编队布置推进性能测试平台，其特征在于：包括循环水槽、搭载平台以及测试系统；所述循环水槽用于提供循环水流环境；
所述搭载平台为框架式结构，其顶部和底部均安装有导杆系统，位于顶部的导杆系统通过安装平台固定有多个航行器，位于底部的导杆系统通过安装平台固定高速相机；所述导杆系统包括轴承、导杆及导杆支撑座，四个导杆分别通过导杆支撑座对称安装于框架的顶部和底部，轴承同轴套装于导杆上；所述安装平台的两端分别通过轴承与导杆实现滑动连接，多个航行器分别通过伸缩杆固定于安装平台的正下方；根据编队形式，通过调整各伸缩杆在安装平板上的固定位置来调整航行器在水平面的位置，通过调整各伸缩杆的轴向伸缩长度来调整航行器在竖直方向的位置；
所述测试系统包括六轴力/力矩传感器、DPIV系统；所述DPIV系统包含光源系统、高速相机、荧光粒子、含流场分析模块的计算机；所述光源系统设置于搭载平台外用于照明；所述高速相机设置于搭载平台的底部安装平台上，位于航行器编队的正下方，用于对航行器编队进行流场、涡场以及扑翼运动形态的拍摄。
2.根据权利要求1所述水下航行器编队布置推进性能测试平台，其特征在于：所述循环水槽包括回型水槽、叶轮和实验段，所述回型水槽包括四个拐角，第一拐角与第二拐角之间的连接管道为贴近地面的回流管道；
所述回流管道上壁面延伸至第二拐角处，在位于第二拐角处的回流管道上壁面上开有通孔；所述叶轮安装于第二拐角的通孔处，通过电机驱动叶轮旋转，将水从通孔中抽出，提高后端水位流向下游，使得水槽内水流方向为顺时针；
所述实验段为第一拐角与第四拐角之间的一段水槽，所述搭载平台安装于实验段外侧，顶部导杆系统位于水槽上方，底部导杆系统位于槽底下方；多个航行器分别通过伸缩杆伸入至水槽内。
3.根据权利要求2所述水下航行器编队布置推进性能测试平台，其特征在于：所述叶轮的数量为3个，均为直径0.6m的铝制叶轮。
4.根据权利要求2所述水下航行器编队布置推进性能测试平台，其特征在于：所述通孔的孔径大于叶轮直径。
5.根据权利要求2所述水下航行器编队布置推进性能测试平台，其特征在于：所述回型水槽包括框架和壁面，通过框架使得壁面具有侧向承压能力，壁面为透明亚克力板。
6.根据权利要求1所述水下航行器编队布置推进性能测试平台，其特征在于：还包括整流网，所述整流网位于水槽的液位上方，用来提高流场稳定性，提高实验精度。
7.根据权利要求1所述水下航行器编队布置推进性能测试平台，其特征在于：所述实验段为1.2m×1.2m×1.2m的立方体结构，其中心区域流速为0.1m/s到0.8m/s连续可调，控制精度在0.01m/s，流速稳定时间2min。
8.一种权利要求1-7任一项所述水下航行器编队布置推进性能测试平台进行测试的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：在开始实验之前，按照实验计划安装各个航行器，并对各个航行器进行运动初始位置校零并记录下它们的相对位置关系；
步骤2：接通试验平台的所有电源；
步骤3：打开传感器记录软件，测试所有传感器和计算机的通讯情况，检查传感器安装方向是否正确，确保在实验中能准确的记录并传输实验数据；
步骤4：打开DPIV系统记录软件，首先调节高速相机位置，确保能将关注区域拍摄完全，然后进行相机光圈大小、拍摄频率、焦距的参数设置，确保在实验中能准确的进行流场、涡场以及扑翼运动形态的拍摄；
步骤5：开启循环水槽，设定水流速度为实验流速v，；
步骤6：当航行器保持稳定运动时，开始记录实验数据，将六轴力/力矩传感器记录下的力学数据保存并导出，将DPIV系统记录下的流场参数保存并导出；
步骤7：变更编队设置重复进行实验时，必须断电操作，防止实验人员触电及损坏实验设备，等待循环水槽中液面平稳后重复步骤1-6；
步骤8：实验结束后、关闭所有电源；
步骤9：处理数据，计算推力系数、推进效率、升阻比等参数，并可利用DPIV系统中的分析模块进行流场分析，得到涡量场、速度场、压力场等信息。
9.根据权利要求8所述水下航行器编队布置推进性能测试平台进行测试的方法，其特征在于：所述步骤2中电源包括传感器网箱外接电源、DPIV系统电源、循环水槽电源。
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