一种多功能仿生水动力测试平台

1.本发明属于试验平台领域，涉及一种多功能仿生水动力测试平台。


背景技术：

2.21世纪是海洋的世纪，尤其是深海的世纪，深海的重要在于拓展了新的空间。鉴于人类正加快走向深海，深海的战略形势将极大程度上左右未来的国际海洋政治格局，而水下航行器作为一种有效的水下载具，在军用和民用领域发挥着越来越重要的作用。如何有效的降低流体阻力，如何有效的提高航行器推进效率，如何提高航行器的机动性及灵活性等是设计水下航行器的重要指标。仅仅凭借数值计算或商用软件fluent等得出的水动力性能结论具有局限性，并不能很好的指导航行器的设计，所以这也就促进了水动力测试平台的发展。
3.现有水动力测试平台多针对常规船舶，适用于仿生航行器、naca翼型、胸鳍/尾鳍翼型等水动力探究的测试平台还有待发展，尤其是集成多种测试于一体的多功能水动力测试平台更是匮乏。


技术实现要素：

4.要解决的技术问题
5.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种多功能仿生水动力测试平台，可以提供一种基于循环水槽进行多实验模型、多运动形式的水动力测试平台。具体来说，该测试平台可以适用于多种场景下的水动力测试，主要包括：多样机群游水动力测试、自主巡游样机的启动
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匀速运动
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减速停止模式的水动力测试、naca翼型的水动力测试。通过本测试平台能测量出能量转换效率、主轴载荷、扭矩系数、推力系数同时还可以进行涡场分析以及实验模型关键位置的轨迹提取，借助本测试平台不仅可以完成翼型的机理性水动力测试，还可以为水下航行器水动力性能的cfd数值模拟和理论研究提供实验验证，还能为水下航行器的设计提供参考与指导。
6.技术方案
7.一种多功能仿生水动力测试平台，其特征在于包括循环水槽16、搭载平台9、光学平台17、叶轮7和自主巡游样机安装装置1；循环水槽16为u型结构，u型的一端设有叶轮7，与叶轮7相邻的平直段为样机群游及naca翼型/胸鳍/尾鳍翼型测试区域a，该区域上设有自主巡游样机安装装置1；u型结构另一端的平直段为自主巡游样机测试区域b，该区域上设有搭载平台9，搭载平台9的下方设有光学平台17；所述搭载平台9为四个柱子的框架结构，跨越样机测试区域b，其上部设有两根导轨10，导轨10上设有导轨连接件11，导轨连接件11下方连接连接被测试模型；所述自主巡游样机安装装置1为矩形框架结构，尺寸与翼型测试区域a相吻合，框架上部设有气浮轴承15；u型结构端口的第一拐角6与第二拐角3之间连接有回流管道，穿过u型结构端口的两个端面，为从第一拐角上表面延伸到第二拐角上表面的通孔19。
8.所述回流管道的圆洞直径微大于0.6m。
9.所述导轨10采用气浮导轨或普通滑轨。
10.所述样机群游及naca翼型/胸鳍/尾鳍翼型测试区域a和自主巡游样机测试区域b的侧壁采用透明亚克力板，周围安装有约束张力的框架。
11.所述叶轮7采用0.6m直径的铝制叶轮。
12.所述叶轮7为多个叶轮。
13.所述普通滑轨采用不锈钢材质，标定有刻度线。
14.所述光学平台17置放测试所需的激光发射器13和高速相机12。
15.所述搭载平台9的支架部分采用合金钢。
16.所述连接件11上安装六轴力/力矩传感器，并连接实验模型8。
17.有益效果
18.本发明提出的一种多功能仿生水动力测试平台，包括循环水槽、搭载平台、光学平台、叶轮和自主巡游样机安装装置。能进行的水动力测试包括多样机群游水动力测试、自主巡游样机的启动
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匀速运动
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减速停止模式的水动力测试、naca翼型的水动力测试。通过本测试平台能测量出能量转换效率、主轴载荷、扭矩系数、推力系数同时还可以进行涡场分析以及实验模型关键位置的轨迹提取，借助本测试平台不仅可以完成翼型的机理性水动力测试，还可以为水下航行器水动力性能的cfd数值模拟和理论研究提供实验验证，还能为水下航行器的设计提供参考与指导。
19.可完成对多样机群游的水动力测试，也可实现对于自主游动样机的加速启动
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迅速巡游
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减速停止模型的水动力测试，同时还可以实现对于naca翼型、胸鳍翼型、尾鳍翼型等原理模型的水动力测试，得到机理性的实验数据。
20.上述的多功能水动力测试平台的气浮系统包含气浮轴承及光杆，并通过空压机从气浮轴承上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，使得安装在气浮轴承的实验平台可以在光杆上进行低摩擦自由运动，从而实现翼型或是样机的自主游动。
21.上述的多功能水动力测试平台，所述普通滑轨采用不锈钢材质，其作用在于安装多组样机进行群游实验，其上面设置有固定装置以及标定有刻度线，目的在于量化样机之间的相对位置关系，从而得出距离对于群游样机的水动力影响。
22.有益效果是，本发明中多功能水动力测试平台借助气浮系统及普通滑轨的交替使用，实现在循环水槽试验段可完成多样机群游的水动力、流场及涡场测试以及naca翼型/胸鳍翼型等原理翼型的机理性水动力、流场及涡场测试，同时充分利用循环水槽的其他槽道搭建了针对自主游动样机的加速启动
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迅速巡游
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减速停止模型水动力测试的实验装置，将多实验模型、多运动形式的仿生航行器水动力测试集于一体。
附图说明
23.图1为循环水槽俯视图；
24.图2为多功能水动力测试平台总览图；
25.图3为搭载平台细节图；
26.图4为naca翼型/胸鳍翼型测试区域安装布放图；
27.图5为样机群游测试区域测试设备布放图；
28.图6为自主巡游样机测试区域安装布放图；
29.附图标记说明：1——自主巡游样机安装装置，b——样机群游及naca翼型/胸鳍/尾鳍翼型测试区域，3——第二拐角，4——第三拐角，5——第四拐角，6——第一拐角，7——叶轮，8——实验模型(样机/naca翼型/胸鳍翼型/尾鳍翼型)，9——搭载平台，10——导轨(气浮导轨/普通滑轨)，11——连接件，12——高速相机，13——激光发射器，14——光杆，15——气浮轴承，16——循环水槽，17——光学平台，18——导轨连接件，a——自主巡游样机测试区域，19——连接通孔
具体实施方式
30.现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
31.一种多功能仿生航行器水动力测试平台基于循环水槽搭建完成，其中包含自主巡游样机测试区域a以及样机群游及naca翼型/胸鳍/尾鳍翼型测试区域b两部分，通过导轨10或气浮轴承15安装实验对象来完成不同实验模型、不同运动形式的水动力测试。
32.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；样机群游及naca翼型/胸鳍/尾鳍翼型测试区域b为一1.2m
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1.2m
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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；自主巡游样机测试区域a为5.5m
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1.5m
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1.5m，可以实现对自主游动样机的加速启动
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迅速巡游
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减速停止模型的水动力测试。
33.图2为多功能水动力测试平台总览图，循环水槽16占地面积约为60平方米，充分利用循环水槽16的所有槽道，将其分为两个区域：自主巡游样机测试区域a和样机群游及naca翼型/胸鳍/尾鳍翼型测试区域b。在样机群游及naca翼型/胸鳍/尾鳍翼型测试区域2外围布置上搭载平台9，其支架部分采用合金钢搭建而成，通过搭载平台9上的连接件11实现实验模型的吊装；测试平台还配备有测试系统，测试系统由激光发射器13，高速相机12组成，为保证其水平度、垂直度，将激光发射器13，高速相机12摆放在光学平台17上
34.图3为搭载平台细节图，搭载平台9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9上安装的导轨10可以根据实际使用需求进行更换，在需要进行固定扑翼实验时，采用普通滑轨，当需要进行自主游动原理实验时，采用气浮导轨，使得实验模型在水槽中扑动时能同时在气浮导轨上进行自由进给运动；导轨连接件18用来实现导轨10的安装固定，其安装接口同时满足普通滑轨及气浮导轨的安装需求；连接件11用来连接实验模型以及调节实验模型在水槽中的深度位置。
35.图4为naca翼型/胸鳍翼型测试区域安装布放图，六轴力/力矩传感器安装在实验模型8和连接件11之间用于记录实验中产生的力学数据；激光发射器13以及高速相机12根据实验需求摆放在合理的位置从而配合使用来拍摄出试验区域的流场、涡场信息。
36.图5为样机群游测试区域测试设备布放图，六轴力/力矩传感器安装在实验模型8
内部用于记录实验中产生的力学数据；激光发射器13以及高速相机12根据实验需求摆放在合理的位置从而配合使用来拍摄出试验区域的流场、涡场信息。
37.图6为自主巡游样机测试区域安装布放图，在自主巡游样机测试区域1架设一根长为5.5m的光杆14，并通过气浮轴承15吊装实验模型8，采用气浮轴承15与光杆14配合的原因在于实现实验模型8在水槽中扑动时能近似无摩擦的在光杆14上完成自由进给运动，实现自主游动，从而通过安装在实验模型8体内的传感器进行力学测量，得到自主游动样机的加速启动
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迅速巡游
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减速停止模型的力学参数。