一种绕头部俯仰摆动的超空泡航行体水洞实验装置的制作方法

本发明涉及一种流体动力学水洞实验装置，具体涉及一种绕头部俯仰摆动的超空泡航行体水洞实验装置。

背景技术：

液体流场中某一区域的压强降低到液体气化压力时就会产生空化现象。超空泡航行体借助航行体周围水介质形成包裹弹体的空泡，减少航行体表面的沾湿面积即减小了航行体的摩擦阻力，提高了航行体的速度和航程。航行体运动过程中受重力的作用航行在空泡内存在骑行、滑行和拍击三种运动方式。探索航行体在空泡内运动特性和动力特性，成为当前各国研究超空泡武器的焦点。

水洞是一种以水为工作介质的主要用于流体动力学研究的实验设备。而航行体缩比模型水洞实验是水下航行体流体动力特性研究的重要手段，目前已经广泛应用于水下运动体的前期探究和基本数据的测试。诸多学者已经对航行体在空泡内骑行和滑行的运动状态进行了大量的水洞实验和数值仿真研究，得到许多关于流体结构变化规律和流体动力特性。但是航行体运动过程常常会有拍击运动即尾拍现象，目前对这一实际科学问题探究的还不成熟，主要受在高速运行的封闭式循环水洞中航行体绕其头部俯仰摆动时密封问题、传感器电缆固定和密封、航行体摆动攻角、摆动周期等因素的限制，没有一套完善的可以解决上述问题的实验装置，几乎没有对水下航行体进行拍击运动的水洞实验的研究。

技术实现要素：

本发明为解决现有水洞设备在尾部支撑情况下只能进行固定攻角，或者实验模型绕尾部固定支点小幅运动的实验，不能准确反映水下航行体拍击运动的实际物理问题，而提出一种绕头部俯仰摆动的超空泡航行体水洞实验装置。

本发明的一种绕头部俯仰摆动的超空泡航行体水洞实验装置，其组成包括无极偏心飞轮驱动机构、摇臂机构、侧支撑、尾部支撑、水洞主体、水洞内侧板、扩展槽盖板、Z形扩展槽框体和限位片；

无极偏心飞轮驱动机构包括飞轮、螺杆、电机、丝杠调节器、丝杠锁紧器、丝杠、偏心支台、两个止推轴承座、两个止推轴承压盖和两个丝杠锁紧盖，飞轮的一侧端面设有倒T型槽，飞轮的另一侧端面设有电机安装筒，电机与电机安装筒连接，丝杠和偏心支台均设置在倒T型槽中，且丝杠与偏心支台螺纹连接，丝杠的两端分别支撑在相应的止推轴承座中，每个止推轴承座的内侧设置有止推轴承压盖，每个止推轴承座的外侧设置有丝杠锁紧机构盖，丝杠的一端与丝杠调节器连接，丝杠锁紧器与丝杠调节器连接，丝杠锁紧器和丝杠调节器均设置在丝杠锁紧盖中，螺杆与偏心支台螺纹连接，飞轮的上端面且位于倒T型槽的边缘设有偏心距刻度；

摇臂机构包括驱动摆臂、轴承支座和从动摆臂，驱动摆臂和从动摆臂分别固装在轴承支座的两端，驱动摆臂的输入端一侧设有长孔；

水洞主体的两侧壁分别设有观察窗口，水洞内侧板设置在观察窗口中，Z形扩展槽框体设置在水洞内侧板的外侧，扩展槽盖板设置在Z形扩展槽框体的外侧，水洞内侧板、扩展槽盖板和Z形扩展槽框体围合的腔体为扩展槽，从动摆臂设置在扩展槽中，轴承支座设置在扩展槽盖板的外侧，且轴承支座上的法兰与扩展槽盖板固接，驱动摆臂的长孔与螺杆连接，尾部支撑纵向设置在水洞主体中，侧支撑7横向设置在水洞主体中，侧支撑的一端与尾部支撑固接，侧支撑的另一端与从动摆臂固接，两个限位片对称固装在从动摆臂的两侧，且限位片靠近侧支撑7一端。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明克服了现有水洞实验条件的不足，实现了水洞实验模型绕弹体头连续俯仰摆动。当偏心支台处于飞轮中心时，通过调节电机轴中心高度并修正安装误差，可以满足实验对不同固定攻角的需要。基于已确定的固定攻角，计算实验模型摇摆运动需要的攻角对应的偏心距，调节偏心支台的偏心距，实现实验模型以该固定攻角为平衡位置的绕实验模型头部转动的俯仰摆动。

二、本发明可以使水洞实验模型绕其头部转动，且可以在水洞外调节和测量实验模型攻角。本发明的主要传动机构设计在水洞内盖板之外，不破坏原有流场结构。

三、本发明在已有水洞的基础上只需要曾设扩展槽即可，不会破会水洞工作段流体动力特性，尤其是对于尺度较小的水洞。本发明使用灵活，只需一次性安装实验模型后，通过调节电机轴中心高度，可以获得不同固定攻角的实验模型，避免了反复拆卸安装实验模型工作，且使用水平仪直接从水洞外测量实验模型攻角，提高了攻角测量的精度。

四、调节偏心支台的偏心距，可以进行实验模型绕弹体头部连续性摆动的实验，为水洞进行水下航行体尾拍实验提供了实验基础。同时通过调节电机轴中心高度和偏心支台的偏心距组合，可保证实验模型单侧连续摆动。

五、尾支撑杆长度连续可调，不仅保证实验模型的头部在摆动中心，而且适用不同长度的模型进行实验。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图，图中模型弹体24头部为迎流面方向。

图2是无极偏心飞轮驱动机构的立体图；

图3是轴承支座4的主剖视图，图中26为TC骨架型密封圈；

图4是驱动摆臂3与中心轴4-2的连接关系示意图；

图5是驱动摆臂3的结构主视图；

图6是尾部支撑8的主剖视图；

图7是水洞主体10的立体图；

图8是Z形扩展槽框体9的立体图；

图9是当驱动摆臂3与从动摆臂5无法保证水平位置时，驱动摆臂3与水平线N-N形成角度θ₁，从动摆臂5与水平线N-N形成角度θ₂的原理示意图，从该图可知：θ₁与θ₂的差值Δθ，即Δθ＝θ₁-θ₂；

图10是当驱动摆臂3在水平位置、从动摆臂5不在水平位置时，驱动摆臂3的角度θ₁与从动摆臂5角度θ₂形成的差值Δθ(即模型攻角)的修正原理示意图；

图11是当模型弹体24安装在尾部支撑8上时，若模型弹体24头部中心不在中心轴(4-2)中心即不在摆动旋转中心时，通过调节支撑外套管8-3和固定杆8-1螺纹的旋合长度，保证模型弹体24头部在摆动中心的原理示意图；

图12是调节偏心支台21的偏心距Δr应满足：Δr＝l tanθ。θ、α、β、θ₁、Δθ的相互位置关系的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图8说明本实施方式，本实施方式包括无极偏心飞轮驱动机构、摇臂机构、侧支撑7、尾部支撑8、水洞主体10、水洞内侧板11、扩展槽盖板13、Z形扩展槽框体9和限位片12；

无极偏心飞轮驱动机构包括飞轮1、螺杆2、电机6、丝杠调节器15、丝杠锁紧器16、丝杠20、偏心支台21、两个止推轴承座17、两个止推轴承压盖18和两个丝杠锁紧盖19，飞轮1的一侧端面设有倒T型槽1-1，飞轮1的另一侧端面设有电机安装筒1-2，电机6与电机安装筒1-2连接，丝杠20和偏心支台21均设置在倒T型槽1-1中，且丝杠20与偏心支台21螺纹连接，丝杠20的两端分别支撑在相应的止推轴承座17中，每个止推轴承座17的内侧设置有止推轴承压盖18，每个止推轴承座17的外侧设置有丝杠锁紧机构盖19，丝杠20的一端与丝杠调节器15连接，丝杠锁紧器16与丝杠调节器15连接，丝杠锁紧器16和丝杠调节器15均设置在丝杠锁紧盖19中，通过丝杠调节器15调节偏心支台21的偏心距，通过丝杠锁紧器16锁死丝杠20，可以获得不同偏心距的，螺杆2与偏心支台21螺纹连接，飞轮1的上端面且位于倒T型槽1-1的边缘设有偏心距刻度22；

摇臂机构包括驱动摆臂3、轴承支座4和从动摆臂5，驱动摆臂3和从动摆臂5分别固装在轴承支座4的两端，驱动摆臂3的输入端一侧设有长孔3-1；

水洞主体10的两侧壁分别设有观察窗口10-1，水洞内侧板11设置在观察窗口10-1中，Z形扩展槽框体9设置在水洞内侧板11的外侧，扩展槽盖板13设置在Z形扩展槽框体9的外侧，水洞内侧板11、扩展槽盖板13和Z形扩展槽框体9围合的腔体为扩展槽14，从动摆臂5设置在扩展槽14中，轴承支座4设置在扩展槽盖板13的外侧，且轴承支座4上的法兰与扩展槽盖板13固接，驱动摆臂3的长孔3-1与螺杆2连接，尾部支撑8纵向设置在水洞主体10中，侧支撑7横向设置在水洞主体10中，侧支撑7的一端与尾部支撑8固接，侧支撑7的另一端与从动摆臂5固接，两个限位片12对称固装在从动摆臂5的两侧，且限位片12靠近侧支撑7一端。限位片12用于防止从动摆臂5前后偏移量过大。

实验时，若不需要驱动摆臂3和从动摆臂5摆动，根据飞轮1上的刻度，通过丝杠调节器15旋转丝杠20，将偏心支台21调至飞轮1圆盘中心处并通过丝杠锁紧器16将丝杠20锁紧，这样可以获得固定攻角的模型弹体24。当需要攻角时，调节电机6的轴心高度并通过测量驱动摆臂3角度获得模型弹体24攻角。同理需要实验模型弹体24连续摆动时，通过调节偏心支台21的偏心距来实现。

组装时，确保驱动摆臂3和从动摆臂5能够同时在水平位置，若无法保证，则记录驱动摆臂3的角度θ₁和从动摆臂5角度θ₂的差Δθ，即Δθ＝θ₁-θ₂；见图9和图10。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式的轴承支座4包括轴承外套4-1、中心轴4-2、轴承端盖4-3和两个滚珠轴承4-4，两个滚珠轴承4-4分别套装在中心轴4-2两端的轴肩处，轴承外套4-1套装在两个滚珠轴承4-4的上，轴承外套4-1的一端固装有轴承端盖4-3，轴承外套4-1的另一端设置有法兰4-5。中心轴4-2与扩展槽盖板13之间采用TC骨架型密封圈密封。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式的所述中心轴4-2上且与驱动摆臂3连接处设有圆锥连接面4-2-1，驱动摆臂3上设有与圆锥连接面4-2-1相配合的圆锥凹槽3-2，驱动摆臂3与中心轴4-2通过螺钉23连接。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式的尾部支撑8包括固定杆8-1、支杆螺母8-2、支撑外套管8-3、外套管螺母8-4、支撑杆8-5，支撑杆8-5和固定杆8-1沿同一中心线布置，支撑外套管8-3的一端与支撑杆8-5螺纹连接，支撑外套管8-3的另一端与固定杆8-1螺纹连接，外套管螺母8-4设置在支撑外套管8-3的后端，外套管螺母8-4与固定杆8-1螺纹连接，侧支撑7和支杆螺母8-2由里至外依次套装在固定杆8-1的后端，且支杆螺母8-2与固定杆8-1螺纹连接。外套管螺母8-4完全旋合进固定杆8-1时，尾部支撑8尾支撑的长度最短，当模型弹体24安装在该状态的尾部支撑8上时，若模型弹体24头部中心不在中心轴4-2(如图11所示)中心即不在摆动旋转中心时，通过调节支撑外套管8-3和固定杆8-1螺纹的旋合长度，保证模型弹体24头部在摆动中心。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式的支撑杆8-5的前端沿中心孔设有安装锥孔8-5-1，安装锥孔8-5-1的里端直径小于外端直径。不同的模型弹体24只要加工相应的是配件就可以与安装锥孔8-5-1配合，以完成摇摆实验。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

本发明的实验步骤：

步骤一、测量电机安装筒1-2轴心到轴承支座4轴心的距离l，根据实验需要的摆动攻角θ计算得到偏心距Δr，Δr＝l tanθ。通过丝杠调节器15调节偏心支台21的偏心距等于Δr，并通过丝杠锁紧器16将丝杠20锁死；

步骤二、通过调节电机6转速至实验需求的摆动频率，这样可以实现水下航行体实验模型24在指定摆动攻角和摆动频率条件下做平衡位置等于0°并绕模型的头部转动的俯仰摆动实验；

实验如果需要做固定攻角θ的实验，重复上述步骤，并参考飞轮1上的刻度值将偏心支台21调节至其中心。然后基于水平位置的电机6，根据调节电机安装筒1-2轴心高度，调节电机安装筒1-2轴心高度差Δd可以通过上述计算偏心距公式计算初步结果，再细微调节；使用水平测量仪测量驱动摆臂3的角度θ₁，通过公式θ₁-Δθ＝θ修正后得到从驱动摆臂5的角度θ₂即实验模型的攻角θ。调高调节电机安装筒1-2轴心高度，模型弹体24可以获得正攻角α，见图11；同理可得，调低电机安装筒1-2轴心高度，模型弹体24可以获得负攻角β，见图11。这样可以实现固定攻角的水下航行体模型试验。

基于上述设定的固定攻角θ，通过计算偏心距公式计算出偏心距Δr。松开丝杠锁紧器16，通过丝杠调节器15调节偏心支台21的偏心距等于Δr，可以得到试验模型平衡位置等于θ角度，实验模型绕弹体头部转动摆动。当攻角θ为负(正)攻角时，通过上述设置可以实现摆动角度全为负(正)攻角的摆动。

若实验需要实现摆动攻角θ，且摆动主要为正攻角α，一部分为负攻角β，其中α+β＝θ。重复上述调节电机轴中心高度的步骤，保证驱动摆臂的攻角θ₁满足：θ₁-Δθ＝α.如图12所示，调节偏心支台21的偏心距Δr满足：Δr＝l tanθ。通过上述调节可以实验模型实现摆动攻角等于θ，摆动平位置等于攻角α，且摆动主要为正攻角的实验模型，进行绕其头部转动的水洞实验，如图11所示。同理可以得到摆动主要为负攻角的摆动实验。