CN114199507B - 一种航行体模型装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航行体模型装置，包括航行体模型主体和气体喷射系统，航行体模型主体通过连接件与电机滑动端固定连接；航行体模型装置受电机滑动端拖曳垂直移动；气体喷射系统模拟发动机向水介质中进行空气喷流的过程。本发明用于航行体缩比模型装置的运动出水试验，用于研究航行体拖曳出水过程尾部喷嘴向下超音速射流演化机制及航行体尾部载荷变化特征。探究改变喷管形状、喷管入口压力、航行体运动速度等因素对超音速射流形态、演化及航行体尾部载荷变化的影响规律。

Description

一种航行体模型装置

技术领域

本发明属于航行体出水实验领域，涉及一种航行体模型装置，特别是一种拖曳出水航行体尾部喷流模型装置，

背景技术

航行体从较大水深位置出水将具有重要的工程意义和价值。然而，航行体从较大的水深位置出水时，一方面现有的垂向运动初速度无法确保航行体有足够动能出水，且复杂条件作用下导致的航行体姿态偏转，将进一步恶化航行体出水运动轨迹。除此之外，采用较高的出水运动初速度可以确保其垂向出水运动的动能，但将带来极大的航行体结构载荷，威胁结构安全。采用水下发动机推动航行体运动维持其出水，并通过发动机喷管相对于航行体轴线的摆角控制调整航行体出水运动姿态，可以有效实现航行体大水深出水。

采用有动力方式出水的航行体依靠发动机向水中喷射高压燃气，形成推力及力矩，维持航行体的垂向运动速度并进行姿态修正。开展航行体有动力出水问题研究时，通过缩比实验探究航行体模型出水时尾部喷嘴排气现象就显得尤为重要。而根据流体试验的相似比要求，缩比实验需要满足大气压强的缩比，即航行体模型需要在接近真空的环境下进行运动出水排气试验，对于模型设备的连接处密封设计和加工难度提出了更高的要求。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可以实现水下喷射高压空气的航行体模型装置。

为解决上述技术问题，本发明的一种航行体模型装置，用于研究航行体拖曳出水过程尾部喷嘴超音速射流演化及航行体尾部载荷变化，包括航行体模型主体和气体喷射系统，航行体模型主体通过连接件与电机滑动端固定连接；航行体模型装置受电机滑动端拖曳垂直移动；气体喷射系统模拟发动机向水介质中进行空气喷流的过程。

进一步的，所述航行体模型主体包括依次连接的头部、头段筒、中段筒、尾段筒、底盖和尾裙。

进一步的，头部的截面采用抑制空化曲线，抑制高速出水过程中头部产生的空化现象对尾部射流现象的影响。

进一步的，连接件采用翼型连接板，头段筒通过翼型连接板与电机滑动端固定连接。

进一步的，所述气体喷射系统设置在航行体模型主体内部，包括气管、储气腔(12)、气压传感器、电磁阀和喷嘴，第一气管通过第一快插头与储气腔连接，储气腔另一端通过第二快插头与第二气管连接，第二气管和第三气管通过电磁阀连接，第三气管通过第三快插头与喷嘴连接，喷嘴设置在底盖孔上，向航行体模型主体外部喷射气体，通过控制电磁阀控制气体喷射。

进一步的，储气腔底部设置有第一气压传感器，用于实时监测喷嘴入口的气压；底盖上设置有第二压力传感器，用于检测喷嘴喷出的气团气压。

进一步的，翼型连接板内部设置有两个通孔，第一通孔用来通过第一气管向储气腔输送气体，第二通孔用于线路布放。

进一步的，喷嘴一端用来连接螺纹快插头，另一端内部为拉瓦尔喷管，用来喷射超音速气体。

进一步的，部件连接位置均设置有密封件。

本发明的有益效果：本发明用于航行体缩比模型装置的运动出水试验，用于研究航行体拖曳出水过程尾部喷嘴向下超音速射流演化机制及航行体尾部载荷变化特征。探究改变喷管形状、喷管入口压力、航行体运动速度等因素对超音速射流形态、演化及航行体尾部载荷变化的影响规律。在出水过程中航行体底部小型喷嘴可以模拟发动机向水介质中进行空气喷流的过程，喷气同时模型跟随电机滑台在水下做垂直方向的高速运动。根据试验工况的不同，通过改变喷管尺寸、入口压力、水面压强、航行体运动速度等等条件的探究揭示航行体出水喷管超音速喷流流动机制及航行体尾部载荷特性，为研究大水深航行体出水技术提供理论支持。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

装置安装简单方便。装置使用分段设计，方便运输和存放，各段长度和直径相同，各部分之间全部通过螺纹连接，方便组装和拆卸。另外，装置内大量采用了快插头连接气管，保证了安装气管和气管更换的便利性。

装置密封性能好。气密性是本装置的重要特点，由于处于真空的水下环境中，对装置的密封性能要求很高。本发明在设计过程中，外部筒段螺纹连接处均加装台阶，方便加装密封圈，保证了装置筒段内部和外部的隔绝，装置的密封性能大大增加；模型内部输气管路需承受高压气体，螺纹快插的螺纹连接处也全部加装密封圈，用来有效减少气体的泄露。

空化抑制设计。本装置在实验过程中的重点观察对象是尾部的空气射流现象，模型头部空化现象不予重点关注，固定模型的翼型连接板在航行体前端，为尽量减少模型顶部尺寸特点对尾部射流和尾空泡现象的影响，因此翼型连接板的截面采用流线型设计，头部截面使用抑制空化的椭球线轮廓，均用来减少空化，减少空化气泡对模型尾部流场现象的干扰。

满足负压下航行体出水喷气实验需求。基于本装置可以实现在负压条件下，航行体出水运动与尾部喷气流动同时触发及延时触发的有效控制，满足负压条件下，航行体出水实验对垂向运动及喷流条件的模拟需求。且通气管路埋入翼型连接板(7)，可以有效避免通气软管和电线对模型出水运动周围流场的干扰。

附图说明

图1为拖曳出水喷气航行体模型外壳主要部件示意图，零件编号为1、2、3、4、5、6、7、8的零件是模型与外界水环境接触主要部件；

图2是拖曳出水喷气航行体模型爆炸视图；

图3是拖曳出水喷气航行体模型剖视图；

图4(a)是模型的头段筒顶视图；

图4(b)是模型的头段筒侧视图；

图4(c)是模型的头段筒前视图；

图4(d)是模型的头段筒轴测图；

图5(a)是模型的储气腔顶视图；

图5(b)是模型的储气腔侧视图；

图5(c)是模型的储气腔前视图；

图5(d)是模型的储气腔轴测图；

图6(a)是模型的喷嘴顶视图；

图6(b)是模型的喷嘴侧视图；

图6(c)是模型的喷嘴前视图；

图6(d)是模型的喷嘴轴测图；

图7(a)是模型底盖顶视图；

图7(b)是模型底盖侧视图；

图7(c)是模型底盖前视图；

图7(d)是模型底盖轴测图；

图8(a)是模型的翼型连接板顶视图；

图8(b)是模型的翼型连接板侧视图；

图8(c)是模型的翼型连接板前视图；

图8(d)是模型的翼型连接板轴测图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

结合图1-图3，附图标记分别为：1-头部，2-头段筒，3-中段筒，4-尾段筒，5-底盖，6-尾裙，7-翼型连接板，8-固定板，9-密封圈，10-1-第一气管，10-2-第二气管，10-3-第三气管11-1-第一快插头，11-2-第二快插头，11-3-第三快插头，12-储气腔，13-1-第一气压传感器，13-2-第二气压传感器，14-电磁阀，15-喷嘴，16-密封垫，17-1-第一直铝管，17-2-第二直铝管，17-3-第三直铝管。

结合图1，整体模型的外部零部件直接与负压环境下的水介质接触，包括组成航行体模型外形的零部件头部1、头段筒2、中段筒3、尾段筒4、底盖5和尾裙6，固定在电机滑台上的滑台固定板8以及连接滑台固定板8和航行体模型的翼型连接板7。头部1的截面采用抑制空化曲线，用来抑制高速出水过程中头部产生的空化现象对尾部射流现象的影响；模型的筒身由三段连接筒组成，头段筒2不仅连接头部1和中段筒，如附图4(a)-图4(b)所示，还通过翼型连接板7固定在滑台固定板8上，使整个模型可以受电机滑块拖曳而垂直快速移动。底盖5连接尾段筒4和尾裙6，同时其底部安装喷嘴15和第二气压传感器13-2，各零部件紧密连接，达到整体的密封。

结合图2，是本发明装置的爆炸图，外部段和内部零部件的安装过程如图所示，可以看出所有的螺纹连接处基本都加装密封件，用来保证气密性和水密性。对于内部气路连接，使用铝管、PU软管和各种气管快插头的搭配使用，可以尽可能提高安装的便利性和牢固程度，同时使用标准插件，满足本实验要求的0.5MPa耐压需求。

结合图4(a)-图4(b)，头段筒2的作用是连接头型1和中段筒3，同时和翼型连接板7的两个端面钻螺纹孔，用来螺纹连接；两个深孔，如附图3所示，上方通管一端连接第一气管10-1，另一端连接第二直铝管17-2，用来输送高压气体；下方通管一端连接第一直铝管17-1，另一端连接第三直铝管17-3，用来通过传感器线束、电源线等。

结合图5(a)-图5(b)，所示，储气腔12上下孔用来安装气管螺纹快插头(一头是气管快插，另一头是2分外螺纹)，并且卡套与储气腔12接触面通过密封圈9进行密封，储气腔12底部安装第一气压传感器13-1用于实时监测喷嘴入口的气压。第一气管10-1通过第一快插头11-1与储气腔12连接，储气腔12另一端通过第二快插头11-2与第二气管10-2连接，第二气管10-2和第三气管10-3通过电磁阀14连接，第三气管10-3通过第三快插头11-3与喷嘴15连接，喷嘴15设置在底盖5孔上，向航行体模型主体外部喷射气体，通过控制电磁阀14的开闭来快速控制模型尾部的气体喷射。

结合图6(a)-图6(b)，所示，模型喷嘴15喉部直径设计为4mm，扩张角定为15°，根据不同的膨胀比可以设置不同型号的喷嘴15，喷嘴15上方孔用来安装快插头PC8-02或PC6-028表示可以连接的快插气管外径是8mm，整个喷嘴15模块安装在底盖孔上，均为螺纹加密封圈的固定密封方式，螺纹为2分国标气密封螺纹。喷嘴15外六角的S＝19mm，即适用19#扳手拧紧。喷嘴15与第三快插头11-3通过螺纹连接，喷嘴螺纹内孔为二分螺纹，外螺纹直径为12.5mm，内孔直径为6.35mm。喷嘴15的内部管路设计，一端开有2分国标内螺纹用来连接螺纹快插头，另一端内部为拉瓦尔喷管，用来喷射超音速气体。喷嘴外部的阶梯状设计，配合外螺纹和密封圈，可以有效提高气密性，喷嘴15安装在底盖上更加的稳固，同时保证拉瓦尔喷管和航行体筒段的同轴性。

头部1与头段筒2通过螺纹连接方式连接，头段筒2中段筒3通过螺纹连接方式连接，中段筒3与尾段筒4通过螺纹连接方式连接，尾段筒4与底盖5通过螺纹连接方式连接，底盖5与尾裙6通过螺纹连接方式连接，翼型连接板7以螺丝和焊接胶水固定的方式与滑台固定板8和头段筒2相连，储气腔12上端与下端夹着密封圈9与第一快插头11-1和第二快插头11-2相连，第一气压传感器13-1和第二气压传感器13-2分别通过螺纹与气腔12和底盖5连接，电磁阀14与第二气管10-2，和第三气管10-3依靠摩擦连接，喷嘴15与底盖5通过螺纹连接方式连接，第一直铝管17-1、第二直铝管17-2和第三直铝管17-3与翼型连接板7通过螺纹连接方式相连。

外部筒段螺纹连接处均加装台阶，方便加装密封圈9，保证了装置筒段内部和外部的隔绝，装置的密封性能大大增加；模型内部管路需承受高压气体，螺纹快插头、气压传感器的螺纹连接处也全部加装密封圈9，用来有效减少气体的泄露。

本发明装置的工作环境是密封减压罐的水中，主要研究航行体垂直运动过程中喷管喷流的流场现象，由于喷射介质为高压空气，对模型的密封性能要求较高，模型通过抑制空化的翼型连接板固定在滑台上进行快速移动，因此在试验前需要对模型从进气到排气整个过程的密封性能以及航行体安装固定稳定性做试验前检查。如电磁阀14是否正常开合、喷嘴15处的排气是否连续、水密性是否可靠即观察是否会从零件间隙冒出气泡、航行体运动过程中是否会有抖动等。

本装置的主要材质包括钢和铝合金材质，除滑台固定板8为钢板外，本发明的其他装置加工均使用铝合金，可以最大限度降低电机传动的负载，提高运行稳定性和加速性能。为方便实验过程中的观察，模型外表面可喷涂颜色鲜艳的油漆，如红色油漆，注意需要求油漆的表面亲疏水度。

本装置的安装过程：由于模型是分段设计，装配过程中遵循先安装两端，中间部分内外零部件同步安装，最后筒段拧紧的步骤，但由于传感器等用电装置外接线路，在模型筒段拧紧过程中，用电线束会在气路管道上缠绕，在模型各筒段拧紧前先反方向旋转数圈，可以有效降低旋拧过程中的阻力，保护模型内部的气管和线路。首先装配几处模型外壳的主要部位，再按照附图2的爆炸图将其他零部件安装连接在一起。首先将滑台固定板8、翼型连接板7和头段筒2安装固定在一起，将气管和电路布置完成后，再通过螺纹、密封垫16连接固紧，在缝隙处加入焊接胶水做最后加固和密封；储气腔12两端分别安装好第一快插头11-1和第二快插头11-2后，与翼型连接板7伸出的第一气管连接10-1，同时连接好电磁阀14等内部气路管道；底盖5上安装好喷嘴15、尾裙6、第二气压传感器13-2等，再将喷嘴15与第三气管10-3连接；待这三部分安装完成后，将各筒段连接拧紧，除密封圈外，螺纹处缠绕生胶带，筒外壁缝隙处涂抹704密封胶；安装完成后，通过头段筒2上端查看内部气管和线路缠绕情况，检查气密性无误后，拧紧头部1完成整个专利装置的装配。最后将该发明模型固定在电机滑台上，即可准备下一步的试验。

本装置的试验前检查流程为：首先打开外部电源，使第一气压传感器13-1、第二气压传感器13-2和电磁阀14开始工作，观察第一气压传感器13-1、第二气压传感器13-2初始数据是否为大气压。然后压缩气体通过翼型进入模型内，先进入储气腔12，储气腔12对气流进行缓流稳压后，再通过电磁阀14从喷嘴15喷出。在装置喷气的过程中，观察各连接处是否有气泡产生，以及喷射过程是否稳定，保证装置的气密性完好。若实验过程涉及航行体有垂直速度，只需通过滑台给装置一定的速度即可。

Claims (5)

1.一种航行体模型装置，其特征在于：用于研究航行体拖曳出水过程尾部喷嘴超音速射流演化及航行体尾部载荷变化，包括航行体模型主体和气体喷射系统，航行体模型主体通过连接件与电机滑动端固定连接；所述航行体模型装置受电机滑动端拖曳垂直移动；气体喷射系统模拟发动机向水介质中进行空气喷流的过程，所述航行体模型主体包括依次连接的头部(1)、头段筒(2)、中段筒(3)、尾段筒(4)、底盖(5)和尾裙(6)，头部(1)的截面采用抑制空化曲线，抑制高速出水过程中头部产生的空化现象对尾部射流现象的影响，连接件采用翼型连接板(7)，头段筒(2)通过翼型连接板(7)与电机滑动端固定连接；翼型连接板的截面采用流线型设计，减少空化气泡对模型尾部流场现象的干扰；所述气体喷射系统设置在航行体模型主体内部，包括气管(10-1，10-2，10-3)、储气腔(12)、气压传感器(13-1，13-2)、电磁阀(14)和喷嘴(15)，第一气管(10-1)通过第一快插头(11-1)与储气腔(12)连接，储气腔(12)另一端通过第二快插头(11-2)与第二气管(10-2)连接，第二气管(10-2)和第三气管(10-3)通过电磁阀(14)连接，第三气管(10-3)通过第三快插头(11-3)与喷嘴(15)连接，喷嘴(15)设置在底盖(5)孔上，向航行体模型主体外部喷射气体，通过控制电磁阀(14)控制气体喷射。

2.根据权利要求1所述的一种航行体模型装置，其特征在于：储气腔(12)底部设置有第一气压传感器(13-1)，用于实时监测喷嘴(15)入口的气压；底盖(5)上设置有第二压力传感器(13-2)，用于检测喷嘴(15)喷出的气团气压。

3.根据权利要求1所述的一种航行体模型装置，其特征在于：翼型连接板(7)内部设置有两个通孔，第一通孔用来通过第一气管(10-1)向储气腔(12)输送气体，第二通孔用于线路布放。

4.根据权利要求1所述的一种航行体模型装置，其特征在于：喷嘴(15)一端用来连接螺纹快插头，另一端内部为拉瓦尔喷管，用来喷射超音速气体。

5.根据权利要求1所述的一种航行体模型装置，其特征在于：部件连接位置均设置有密封件。

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