一种水下模型阻力测量系统及测试方法与流程

1.本发明属于水洞实验装置阻力测量领域，尤其涉及主要用于平板模型、船舶航行器模型、生物模型等在高雷诺数的水洞试验环境条件下，精确获取该试验环境条件下模型所受流向方向的流体总阻力，并开展减阻研究的试验系统。


背景技术：

2.海中航行器的运行速度和工作效率决定着航行器的性能，除了发动机外最大的影响因素便是航行中所受的阻力。经过学者们半个多世纪以来对于湍流边界层的研究发现，减小湍流边界层内摩擦阻力对船舶、水下航行等工程领域有重要意义。物体浸没时流体产生的阻力可分为由物体形状产生的压差阻力以及流体自身粘性导致的摩擦阻力，当雷诺数达到一定程度后流体摩擦阻力将会占所受总阻力的50％以上，而这大部分是在湍流边界层内产生的。因此控制湍流边界层已经成为流体减阻研究的热点，而通过测力可直观对比所受阻力，对水下模型减阻研究有十分重要的意义。
3.目前，对于水下模型阻力的测量通常在循环水槽中进行试验，其雷诺数通常较低，与实际应用存在较大差距。而要在封闭高速循环水洞中试验需要将传感器置于水洞内部，常用的方法是将传感器连接于模型尾端，安装复杂，且使整个装置重心前移，极易在流体经过时产生振动影响试验数据的测量精度。
4.因此，现亟需一种能够适应高雷诺数的水下模型的阻力测量系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于水下模型的阻力测量系统，其可以适应较高的雷诺数，且可以装夹多种不同形状，不同长度的模型用于阻力测量。
6.本发明所采用的技术方案为一种水下模型阻力测量系统，包括水洞试验段和水下模型，还包括测量装置、装夹装置和数据采集卡，所述测量装置包括基体、连接杆、光轴、压力传感器和直线轴承，所述光轴通过所述直线轴承安装在所述基体上，所述光轴的轴线与所述水洞试验段内的流体流向平行，所述光轴上连接有所述连接杆，所述连接杆通过所述装夹装置与所述水下模型连接，所述基体上沿流体流向位于所述光轴的末端设置所述压力传感器，所述压力传感器与所述数据采集卡连接，所述水下模型内设有配重块。
7.进一步，所述光轴上还设有用于复位的复位弹簧。
8.进一步，所述基体沿流体流向的头部和尾部均为半圆柱形，所述光轴的数量为两根，所述基体内并排设有两条平行的圆柱孔，两条所述圆柱孔的两端均设有所述直线轴承，两根所述光轴分别安装在两条所述圆柱孔内的所述直线轴承内，所述基体沿流体流向位于两所述圆柱孔的下游设置有传感器安装槽，所述压力传感器安装在所述传感器安装槽中，所述光轴沿流体流向的末端延伸设有小轴，所述圆柱孔与所述安装槽之间设有与所述小轴相配合的小孔，所述小孔上设有密封圈，所述小轴穿过所述小孔可以与所述压力传感器接触，所述小轴上套装有复位弹簧，所述复位弹簧的一端顶在所述光轴的台阶上，另一端顶在
所述基体上，所述连接杆整体呈t形，所述连接杆的顶部对称设有两个与所述光轴相配合的圆孔，所述连接杆的所述圆孔上沿径向方向设有锁紧螺钉，所述连接杆通过所述圆孔套装在所述光轴上，并通过所述锁紧螺钉锁紧，所述光轴上沿所述水洞试验段内的流体流向设有两个所述连接杆，所述连接杆下端穿出所述基体与所述装夹装置连接。
9.进一步，所述基体的所述圆柱孔内位于所述直线轴承处均贴有硅胶垫，且所述圆柱孔沿径向设有紧定螺钉。
10.进一步，所述基体还包括盖板，所述盖板安装在所述基体底部，所述盖板上开设有方孔，所述连接杆从所述方孔穿出与所述装夹装置连接。
11.本发明还提供上述水下模型阻力测量系统的测试方法，包括：
12.第一步、将所述测量装置安装在所述水洞试验段的上壁，所述数据采集卡安装在所述水洞试验段外，并连接所述压力传感器与所述数据采集卡；
13.第二步、通过所述装夹装置将所述水下模型安装在所述连接杆上，并通过调整所述配重块的质量使所述水下模型的整体密度与所述水洞试验内的流体基本相等；
14.第三步、启动所述水洞试验段使流体循环流动，推动所述水下模型并带动所述测量装置内部所述光轴，使其尾端触碰所述压力传感器，所述数据采集卡采集记录所述水下模型的阻力数据；
15.第四步、更换不同外形或不同表面结构的所述水下模型，重复第三步，对比不同所述水下模型的阻力数据，得到试验结论。
16.有益效果
17.本发明具有如下优点：
18.本发明提供的水下模型阻力测量系统其测量安装位置可以选择模型的任意位置，平衡整体的重心减少实验过程中引起的振动；可根据不同形状的水下模型更换不同的装夹装置，具有较强的适用性；采用两根光轴平行布置的方式，减少展向方向的振动，精确测量水下模型在流体作用下的沿流向方向的整体阻力；测量装置的头部与尾部均为半圆柱形设计，降低压力梯度突变对流场结构的扰动，提高测量数据真实性与有效性；测量装置整体尺寸较小，可进一步降低对流场结构的影响，提高测量准确性；本发明材料可用铝合金，采用相同且成熟的加工工艺，便于加工制造。
附图说明
19.图1为本发明实施例安装示意图；
20.图2为本发明实施例中测量装置主视图；
21.图3为本发明实施例中测量装置仰视图；
22.图4为本发明实施例中测量装置左视图；
23.图5为本发明实施例中盖板示意图；
24.图6为本发明实施例中水下模型示意图；
25.图中，1为水洞试验段，2为测量装置，3为水下模型，4为装夹装置，5为数据采集卡，21为基体，22为连接杆，23为光轴，24为压力传感器，25为盖板，26为直线轴承，31为配重块，221为锁紧螺钉，231为复位弹簧，242为数据线，243为密封圈，251为方孔，261为紧定螺钉，262为硅胶垫。
具体实施方式
26.下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
27.如图1所示，一种水下模型阻力测量系统，包括水洞试验段1和水下模型3，还包括测量装置2、装夹装置4和数据采集卡5。
28.如图2、图3、图4和图6所示，所述测量装置2包括基体21、连接杆22、光轴23、压力传感器24和直线轴承26，所述光轴23通过所述直线轴承26安装在所述基体21上，所述光轴23的轴线与所述水洞试验段1内的流体流向平行，所述光轴23上连接有所述连接杆22，所述连接杆22通过所述装夹装置4与所述水下模型3连接，所述基体21上沿流体流向位于所述光轴23的末端设置所述压力传感器24，所述压力传感器24通过数据线242与所述数据采集卡5连接，所述水下模型3内设有配重块31。所述的压力传感器24为适用于常温常压环境下的水下测力传感器。
29.如图2、图3、图4所示，所述基体21沿流体流向的头部和尾部均为半圆柱形，所述光轴23的数量为两根，所述基体21内并排设有两条平行的圆柱孔，两条所述圆柱孔的两端均设有所述直线轴承26，两根所述光轴23分别安装在两条所述圆柱孔内的所述直线轴承26内，所述基体21沿流体流向位于两所述圆柱孔的下游设置有传感器安装槽，所述压力传感器24安装在所述传感器安装槽中，所述光轴23沿流体流向的末端延伸设有小轴，所述圆柱孔与所述安装槽之间设有与所述小轴相配合的小孔，所述小孔上设有密封圈243，实现密封防水，所述小轴穿过所述小孔可以与所述压力传感器24接触，所述小轴上套装有复位弹簧231，所述复位弹簧231的一端顶在所述光轴23的台阶上，另一端顶在所述基体21上，所述连接杆22整体呈t形，所述连接杆22的顶部对称设有两个与所述光轴23相配合的圆孔，所述连接杆22的所述圆孔上沿径向方向设有锁紧螺钉221，所述连接杆22通过所述圆孔套装在所述光轴23上，并通过所述锁紧螺钉221锁紧，所述光轴23上沿所述水洞试验段1内的流体流向设有两个所述连接杆22，所述连接杆22下端穿出所述基体21与所述装夹装置4连接。
30.如图2、图3和图4所示，所述基体21的所述圆柱孔内位于所述直线轴承26处均贴有硅胶垫262，两条所述圆柱孔大约为3/4的圆柱形，所述直线轴承26也开设有1/4的缺口。所述圆柱孔沿径向设有紧定螺钉261，所述直线轴承26开口向外侧，并通过所述紧定螺钉261固定。贴有所述硅胶垫262以实现展向方向的微调。通过所述紧定螺钉261处可以加润滑油，对所述直线轴承26润滑，通过调整所述紧定螺钉261可以是的所述光轴23在所述直线轴承26内自由滑动。
31.如图2和图5所示，所述基体21还包括盖板25，所述盖板25安装在所述基体21底部，所述盖板25上开设有方孔251，所述连接杆22从所述方孔251穿出与所述装夹装置4连接。增加所述盖板25方便安装且能组成完整表面，减少对流场的影响。
32.测试方法
33.上述水下模型阻力测量系统的测试方法，包括：
34.第一步、将所述测量装置2安装在所述水洞试验段1的上壁，所述数据采集卡5安装在所述水洞试验段1外，并连接所述压力传感器24与所述数据采集卡5；
35.第二步、通过所述装夹装置4将所述水下模型3安装在所述连接杆22上，并通过调整所述配重块31的质量使所述水下模型3的整体密度与所述水洞试验1内的流体基本相等；
36.第三步、启动所述水洞试验段1使流体循环流动，推动所述水下模型3并带动所述
测量装置2内部所述光轴23，使其尾端触碰所述压力传感器24，所述数据采集卡5采集记录所述水下模型3的阻力数据；
37.第四步、更换不同外形或不同表面结构的所述水下模型3，重复第三步，对比不同所述水下模型3的阻力数据，得到试验结论。
38.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。