一种优化潜艇绕流流场的模拟实验平台及方法与流程

本发明涉及潜艇绕流流场优化技术，具体涉及一种优化潜艇绕流流场的模拟实验平台及方法。

背景技术：

潜艇水下航行时，由于流体粘性的存在导致流动分离、壁面边界层转捩等问题，使得潜艇阻力增大，产生了大量的涡并伴随有涡的不规则脱落。利用电磁力将电磁激活板包覆于钝体表面，可在钝体表面附近的流体边界层内形成壁面法向呈指数衰减的电磁体积力，如果形成的电磁力方向平行于流体运动方向，可使流体加速，从而抑制边界层分离、消除涡街，达到减阻的目的。现有研究没有明确潜艇绕流流场的受力与电磁力的关系，不便于设置精确的电磁力，以减少潜艇阻力，抑制受力波动。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种优化潜艇绕流流场的模拟实验平台及方法，能够模拟不同电磁力作用下潜艇模型的流体动力学特性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种优化潜艇绕流流场的模拟实验平台，包括水槽、潜艇模型、电机龙门支架、ccd龙门支架、工业ccd、应力杆、六边形螺管、显示屏、处理器、光学平台和步进电机，所述水槽内部设置潜艇模型，所述潜艇模型包括艇身、围壳及光电桅杆，所述艇身、围壳、光电桅杆外部均包覆电磁激活板，艇身表面的电磁激活板沿艇身轴向排布，围壳和光电桅杆表面的电磁激活板缠绕回转体表面排布；所述水槽外部设置电机龙门支架和ccd龙门支架，电机龙门支架顶部设置步进电机，所述步进电机通过应力杆和六边形螺管连接光电桅杆，六边形螺管的每个面上设置一个反射镜，所述ccd龙门支架顶部和一侧竖杆上分别设置一个工业ccd，所述工业ccd与显示屏连接；所述光学平台包括稳定基座，以及设置在稳定基座上的激光发射源、快速反射镜、分光镜、psd，所述激光发射源发射光源，通过快速反射镜、分光镜后照射到六边形螺管侧面的反射镜上，经反射镜反射后，通过分光镜射入psd；所述psd和快速反射镜连接处理器。

一种优化潜艇绕流流场的模拟实验平台的实验方法，包括如下步骤：

步骤1、启动处理器和显示屏，让激光发射源发射光源，调整快速反射镜使得激光能够照射到粘贴在六边形螺管侧面的反射镜上；

步骤2、让水流流进水槽，此时即为潜艇的服役状态，通过工业ccd观察流场，待流场稳定后优化潜艇绕流流场；

步骤3、改变潜艇模型电磁场激活板的电压，通过应力杆测量潜艇模型的受力数据，通过psd检测反射光斑的位置变化情况；

步骤4、重复步骤3，直至测量的潜艇模型受力数据和反射光斑的位置变化满足预设要求，即得使潜艇模型快速稳定航行的电磁场激活板电压。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明通过改变电磁场激活板的电压改变lorentz力的大小，通过应力杆采集潜艇受流场的扰动信息，通过光学平台采集的激光光斑位置变化体现潜艇服役时的稳定性，可以优化潜艇绕流流场，减小潜艇航行的阻力和波动；2)本发明可分别或同时对艇身、围壳和光电桅杆位置施加电磁力，增加了加力位置的灵活性；3)本发明可通过步进电机自由控制潜艇的攻角，模拟不同攻角下的潜艇绕流流场优化情况。

附图说明

图1是本发明的优化潜艇绕流流场的模拟实验平台的结构示意图。

图2是本发明的潜艇模型示意图。

图3是钝体表面包裹电磁激活板激励电磁力的原理图。

图4是本发明的光轴稳定测试系统的结构示意图。

图5是本发明的光轴稳定测试技术路线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

如图1所示，优化潜艇绕流流场的模拟实验平台包括水槽1、潜艇模型2、电机龙门支架4、ccd龙门支架5、工业ccd6、应力杆7、六边形螺管8、显示屏9、处理器10、光学平台12和步进电机13，所述水槽1内部设置潜艇模型2，所述潜艇模型2包括艇身15，以及依次设置在艇身15上的围壳16、光电桅杆17，所述艇身15、围壳16、光电桅杆17外部均包覆电磁激活板14，艇身15上的电磁激活板14沿艇身轴向排布，围壳16和光电桅杆17上的电磁激活板14缠绕回转体表面排布；所述水槽1外部设置电机龙门支架4和ccd龙门支架5，电机龙门支架4顶部设置步进电机13，所述步进电机13通过应力杆7和六边形螺管8连接光电桅杆17，六边形螺管的每个面上设置一个反射镜，所述ccd龙门支架5顶部和一侧竖杆上分别设置一个工业ccd，所述工业ccd与显示屏9连接；所述光学平台12包括稳定基座22，以及设置在稳定基座22上的激光发射源18、快速反射镜19、分光镜20、psd21，所述激光发射源18发射光源，通过快速反射镜19、分光镜20后照射到六边形螺管8侧面的反射镜上，经反射镜反射后，通过分光镜20射入psd21；所述psd21连接显示屏9和处理器10。

作为一种具体实施方式，优化潜艇绕流流场的模拟实验平台还包括照明灯3，所述照明灯3置于水槽外部，放置于ccd龙门支架5旁侧，当水流在水槽1中流动，水中工况复杂，照明灯可照明紊乱的流场。

作为一种具体实施方式，电磁场激活板14采用界面嵌入式结构，包括交错布置的条状电极和磁极，交错分布的电磁场产生lorentz力。若认为电极和磁极仅在y和z方向有分量，则电磁力仅有x方向的分量。激励出的电磁力可分解为流向、展向和法向三个方向。根据对流体边界层结构的控制需要，本发明需要流向电磁力，则将电磁极排布使其方向与来流方向平行。将电磁激活板包覆与圆柱表面，并按一定方向将圆柱置于流动的弱导电流体中，使圆柱表面附近形成的lorentz力沿圆柱的切向指向下游的方向，电磁力的大小可通过电磁激活板上的电压来改变电磁力大小。

作为一种具体实施方式，光学平台12用于进行光轴稳定测试，其远场位置为振动平台，即水洞中六角螺管8的位置，psd21检测反射光斑的位置变化情况，并输出能反映位置变化的弱电流信号，通过此信号的改变来改变激光入射角度使得激光能始终入射到六角螺管镜面上。因此光学平台12还需要添加数据采集电路、二阶滤波电路和信号放大平移放大电路，对psd21电流信号进行处理。流程图如图5，具体步骤包括：第一步，将psd电流信号通过电阻转化成电压信号；第二步，利用二阶滤波电路将采集到的噪声信号过滤；第三步，信号的放大平移，平移的中心电压根据控制系统来确定；最后将得到的电压信号传送给处理器10进行处理，可以对所搭载的反射镜自动做出精确的、快速的角度(如方位和俯仰角)调节，用来确保激光发射出去能够始终照射到六角螺管表面上的镜面上。

本发明的实验平台中，步进电机13用来控制航行器姿态角，工业ccd6用来监控流场的演变，应力杆7用来采集潜艇受流场的扰动信息，光学平台12用来搭载psd和fsm光学系统，光电桅杆顶端的六边形螺管8的镜面用于反射不同角度的入射激光，根据入射光与反射光的偏差可以反映潜载桅杆的振动。通过改变电磁场激活板14的电压，可以改变lorentz力的大小，分析电压与应力杆7、光学平台12的关系，可以优化潜艇绕流流场，减小潜艇航行的阻力和波动。

基于上述优化潜艇绕流流场的模拟实验平台的实验方法，具体如下：

步骤1、启动处理器10和显示屏9，让激光发射源18发射光源，调整快速反射镜19使得激光能够照射到粘贴在六边形螺管8侧面的反射镜上；

步骤2、让水流流进水槽1，此时即为潜艇2的服役状态，由于流进水槽的液体具有粘性，潜艇受力情况复杂，流场紊乱，通过工业ccd6观察流场，待流场稳定后优化潜艇绕流流场；

步骤3、改变潜艇模型2电磁场激活板14的电压，通过应力杆测量潜艇模型2的受力数据，通过psd21检测反射光斑的位置变化情况；

步骤4、重复步骤3，直至测量的潜艇模型2受力数据和反射光斑的位置变化满足预设要求，即得使潜艇模型快速稳定航行的电磁场激活板14电压。

作为一种优选实施方式，步骤2中，如光线不理想或者是流场紊乱看不清光电桅杆附近的流场，此时启用照明灯3，以便于观察流程变化。

作为一种优选实施方式，步骤2中，当有需要对有攻角的潜艇进行测试实验时，通过步进电机13来控制潜艇模型2的攻角。

作为一种优选实施方式，步骤3对艇身15、围壳16、光电桅杆17的电磁激活板14分别或者同时控制。

由以上技术方案可知，通过光学平台psd21反映出的激光光斑位置的变化来体现光电桅杆17在潜艇服役时的稳定性，光斑位置无紊乱浮动则说明在潜艇该处局部位置施加电磁力以及电磁力大小为最优状态。通过应力杆7测得的受力数据可反映出电磁力对潜艇减阻优化效果。