CN114061898A - 一种集群自主游动水动力性能测试平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集群自主游动水动力性能测试平台及方法，属于航行器试验技术领域；包括循环水槽、搭载平台和测试系统；循环水槽用于提供循环水流环境；搭载平台为框架式结构，其顶部和底部均安装有气浮系统，位于顶部的气浮系统通过安装平台固定集群航行器，位于底部的气浮系统通过安装平台固定高速相机；顶部气浮系统通过竖直设置的同步连杆与底部气浮系统连接，实现顶部和底部的安装平台同步运动，进而实现集群航行器和高速摄像机的同步运动。本发明借助气浮系统来达到减阻效果实现同步随动(摩擦系数约为0.0005)，通过空压机和抽气机来维持气浮轴承和光杆间的气压稳定；通过同步连杆实现高速相机的同步随动，能够对各航行器流场及姿态进行同步拍摄。

Description

一种集群自主游动水动力性能测试平台及方法

技术领域

本发明属于航行器试验技术领域，具体涉及一种集群自主游动水动力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。随着我国新时期“走向深蓝”需求不断增加，建设“海洋强国”战略应运而生，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。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，大幅提升了航行器的航程及航速，这进一步提升了人们对水下航行器自主集群游动相关研究的兴趣。在探究集群自主游动的过程中，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集群自主游动时的关键水动力及流场性能参数，为航行器设计提供参考和依据。

裴正楷在《测控技术》上发表论文《双鱼并排游动时水动力性能研究》提供了一种用于测量两条鱼在并排时的水动力特性的实验装置(2016年第35卷第12期16-20)，只能实现双鱼的平面并联固定排布。目前国内外通常采用的只有平面群游排布：串联、并联、菱形(中心位置均处于同一平面)；而真实鱼类集群游动中，鱼群的数量较多，排布方式多样，大多情况为空间三维布局。现有平面内的试验装置并不能满足真实的集群水下航行器测量，因此无法给出水下航行器在集群自主游动时准确的推进效率、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。

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，本发明提出一种集群自主游动水动力性能测试平台及方法，测试平台通过安装于搭载平台上的伸缩结构安装平台和气浮系统，实现了数量较多的集群试验对象，且使得实验对象排布方式并不只局限于并联，可实现串联、并联、菱形以及空间三维的排布，更接近真实鱼类集群游动；本发明各个实验对象均可自由游动，为非固定式。具体来说，在该测试平台下，可以测量出水下航行器在集群自主游动时的推进效率、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，并能根据实验数据得出航行器在集群自主游动时的相关水动力学信息，操作简单、精度高的集群自主游动水动力性能测试平台及测试方法。

本发明的技术方案是：一种集群自主游动水动力性能测试平台，其特征在于:包括循环水槽、搭载平台和测试系统；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气浮系统，位于顶部的气浮系统通过安装平台固定集群航行器，位于底部的气浮系统通过安装平台固定高速相机；所述气浮系统包括光杆、光杆支撑座和气浮轴承，四个光杆分别通过光杆支撑座对称安装于框架的顶部和底部，各光杆上分别沿轴向设置有数量相同的气浮轴承；安装平台的两端分别固定于两侧的气浮轴承上，各航行器分别通过伸缩杆固定于安装平台的正下方；通过空压机从气浮轴承的小孔向光杆充入压力空气，同时通过抽气机将多余压力空气抽出，保持气浮轴承和光杆之间气压饱和，使得航行器能够通过安装平台沿光杆的轴向进行自由运动；顶部气浮系统两侧的气浮轴承分别通过竖直设置的同步连杆与底部气浮系统两侧的气浮轴承固定连接，实现顶部和底部的安装平台同步运动，进而实现集群航行器和高速摄像机的同步运动；

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，其数量与航行器的数量一致，并通过底部安装平台将各高速相机固定于各航行器的正下方，用于对航行器流场及姿态的同步拍摄。

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，顶部气浮系统位于水槽上方，底部气浮系统位于槽底下方；集群航行器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：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。

本发明的进一步技术方案是：所述光杆的摩擦系数为0.0005。

一种采用集群自主游动水动力性能测试平台进行实验的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：在开始实验之前，安装集群航行器，对各个航行器进行运动初始位置校零、并记录各航行器的相对位置关系；

步骤2：接通测试平台电源；

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，确保在实验中能够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，并开启空压机及抽气机，保持气浮轴承内部气压为5Bar，使航行器和高速相机通过安装平台在光杆的轴向进行低摩擦同步自由运动，摩擦系数为0.0005；

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：变更参数设置重复进行实验，设置时必须断电操作，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系统电源和循环水槽电源。

有益效果

本发明的有益效果在于：

(1)本发明借助气浮系统来达到减阻效果实现同步随动(摩擦系数约为0.0005)，气浮系统自身不含有驱动装置，仅有空压机和抽气机来维持气浮轴承和光杆间的气压稳定。实验中将航行器通过安装平台固定在气浮轴承上，航行器在水下的运动带动气浮轴承的运动，从而更接近真实鱼类的运动；同时通过同步连杆实现高速相机的同步随动，能够对各航行器流场及姿态进行同步拍摄。

(2)本发明所用循环水槽实验段尺寸为1.2*1.2*1.2m³，实验中根据相似准则和模型本身驱动装置的大小进行实验模型的尺寸设计。本发明可满足多个实验模型进行群游实验，通过气浮轴承实现沿光轴轴向的位置调整，通过伸缩杆实现竖直方向的位置调整，因此能够满足多种排布方式，如串联、并联、菱形、矩形及三维空间排列；而目前国内外采用的只有平面群游排布：串联，并联，菱形(中心位置处于同一平面)。

(3)本发明中集群自主游动水动力性能测试平台及方法可以测试出水下航行器在集群自主游动时的推进效率、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，从而可以得出航行器在集群自主游动时的相关水动力学信息，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，为航行器设计提供参考和依据。

附图说明

图1为循环水槽俯视图；

图2为循环水槽、搭载平台与测试系统布放图；

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——光杆支撑座，10——光杆，11——同步连杆，12——气浮轴承，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，本发明一种集群自主游动水动力性能测试平台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；

参照图1所示，循环水槽1用于提供循环水流环境；包括回型水槽、叶轮7和循环水槽实验段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；叶轮7安装于第二拐角的通孔处，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；循环水槽实验段2为第一拐角6与第四拐角5之间的一段水槽，搭载平台8安装于实验段2外侧。

参照图3所示，搭载平台8为框架式结构，其顶部和底部均安装有气浮系统，位于循环水槽实验段2上方的气浮系统通过安装平台14固定航行器16，安装平台14的两端固定在气浮轴承12上，利于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下方的气浮系统通过安装平台14固定高速相机13。安装平台14由多个平行设置的条形版组成。

所述气浮系统包括光杆10、光杆支撑座9和气浮轴承12，四个光杆10分别通过光杆支撑座9对称安装于框架的顶部和底部，各光杆10上分别沿轴向设置有数量相同的气浮轴承12；安装平台14的两端分别固定于两侧的气浮轴承12上，各航行器16分别通过伸缩杆固定于安装平台14的正下方；通过空压机从气浮轴承的小孔向光杆10充入压力空气，同时通过抽气机将多余压力空气抽出，保持气浮轴承12和光杆10之间气压饱和，使得航行器16能够通过安装平台14沿光杆10的轴向进行自由运动；顶部气浮系统两侧的气浮轴承12分别通过竖直设置的同步连杆11与底部气浮系统两侧的气浮轴承12固定连接，实现顶部和底部的安装平台14同步运动，进而实现集群航行器和高速摄像机13的同步运动。

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，其数量与航行器的数量一致，并通过底部安装平台将各高速相机固定于各航行器的正下方，用于对航行器流场及姿态的同步拍摄。

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。

图2为循环水槽、搭载平台与测试系统放图，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上配备了两套气浮系统，位于循环水槽实验段2上方的气浮系统通过多个安装平台14固定航行器16，每个安装平台上可以固定多个航行器并且航行器的位置可以任意调节，此处的位置指的是竖直方向位置，目的是为实现多个航行器的三维空间排布。并且在实验过程中航行器16可以实现相对位置关系的任意变化，此处位置指的是水平面内位置关系。安装平台14固定在气浮轴承12上，利于航行器16伸入循环水槽实验段2内部；位于循环水槽实验段2下方的气浮系统通过安装平台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光杆10、光杆支撑座9、气浮轴承12组成的气浮系统，再将两个安装平台14固定在气浮轴承12上，用来固定航行器16及高速相机13。同时通过同步连杆11将同侧上下两个气浮轴承12连接起来，目的在于当航行器16在循环水槽1中运动时带动上方安装平台14运动的同时带动下方安装平台14同步运动，从而实现高速相机对航行器流场及姿态的同步拍摄。

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，并开启空压机及抽气机，保持气浮轴承内部气压为5Bar，使航行器和高速相机可以在光杆上进行低摩擦同步自由运动；

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：变更参数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，从而可以得出航行器在集群自主游动时的相关水动力学信息，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，为航行器设计提供参考和依据。

实验注意事项：

(1)实验中为充分提高测试精度，在安装模型进行实验以前应当对安装平台14、同步连杆11进行风阻测量。目的在于后期处理实验力学数据时能准确得到净推力数值。

(2)气浮系统在开启时应当先开启空压机，向气浮轴承里充入空气，待轴承里有足量空气后再开启抽气机，保持轴承内气压稳定；关闭时则应先调小空压机进气量，使抽气机将空气抽出，待观察气压计示数接近外界气压时，关掉抽气机及空压机，让剩余空气自然排出，避免关闭抽气机不及时导致光杆的损坏。

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)

1.一种集群自主游动水动力性能测试平台，其特征在于:包括循环水槽、搭载平台和测试系统；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气浮系统，位于顶部的气浮系统通过安装平台固定集群航行器，位于底部的气浮系统通过安装平台固定高速相机；所述气浮系统包括光杆、光杆支撑座和气浮轴承，四个光杆分别通过光杆支撑座对称安装于框架的顶部和底部，各光杆上分别沿轴向设置有数量相同的气浮轴承；安装平台的两端分别固定于两侧的气浮轴承上，各航行器分别通过伸缩杆固定于安装平台的正下方；通过空压机从气浮轴承的小孔向光杆充入压力空气，同时通过抽气机将多余压力空气抽出，保持气浮轴承和光杆之间气压饱和，使得航行器能够通过安装平台沿光杆的轴向进行自由运动；顶部气浮系统两侧的气浮轴承分别通过竖直设置的同步连杆与底部气浮系统两侧的气浮轴承固定连接，实现顶部和底部的安装平台同步运动，进而实现集群航行器和高速摄像机的同步运动；

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，其数量与航行器的数量一致，并通过底部安装平台将各高速相机固定于各航行器的正下方，用于对航行器流场及姿态的同步拍摄。

2.根据权利要求1所述集群自主游动水动力性能测试平台，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，顶部气浮系统位于水槽上方，底部气浮系统位于槽底下方；集群航行器通过伸缩杆伸入至水槽内。

3.根据权利要求2所述集群自主游动水动力性能测试平台，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所述集群自主游动水动力性能测试平台，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所述集群自主游动水动力性能测试平台，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2所述集群自主游动水动力性能测试平台，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。

7.根据权利要求1所述集群自主游动水动力性能测试平台，其特征在于：所述光杆的摩擦系数为0.0005。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述集群自主游动水动力性能测试平台进行实验的方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：在开始实验之前，安装集群航行器，对各个航行器进行运动初始位置校零、并记录各航行器的相对位置关系；

步骤2：接通测试平台电源；

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，确保在实验中能够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，并开启空压机及抽气机，保持气浮轴承内部气压为5Bar，使航行器和高速相机通过安装平台在光杆的轴向进行低摩擦同步自由运动，摩擦系数为0.0005；

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：变更参数设置重复进行实验，设置时必须断电操作，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所述集群自主游动水动力性能测试平台进行实验的方法，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系统电源和循环水槽电源。

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