双杆连接的潜体遭遇内孤立波试验测量系统和测量方法

本发明涉及一种潜体测量系统和测量方法，具体地说涉及一种双杆连接的潜体遭遇内孤立波试验测量系统和测量方法。

背景技术：

海洋中的真实流体，其密度、盐度和温度常常随深度而变化，即一般为分层流体。实际的分层流体是复杂多样的，通常可以分为：1)间断分层(也称强分层)流体，即每层为均匀常密度，层与层之间不相溶混；2)连续分层流体，即密度在深度变化范围内连续变化，即密度是深度的连续函数；3)由连续分层和均匀分层组合而成的分层流体，如有跃层的海洋、大气和湖泊等。内波是分层流体中存在着的扰动。海洋内波的波形多种多样，根据不同的分类标准，可以分为：短周期及短波长的高频内波、具有准潮周期的内潮波、与内潮密切相关的潮成内孤立波以及内惯性波等。其中长内波几乎是一种准简谐型波动，短内波通常不是简谐型波动，而总是成群地传播，特别是在小海域或近岸陆架陆坡区，经常可观测到内孤立波、内孤立子、内孤立子波包形式的内波传播。

研究发现，当潜体遇到波长为潜体长度1～2倍的海洋内波时，内波对潜体的影响较大并且容易出现危险；而众多类型的内波中，处于这类波长范围的海洋内波通常是内孤立波。内孤立波作为一种特殊的非线性内波，其波高往往较大，且广泛分布在全球海洋中，尤其我国南海为世界最大振幅内孤立波发生的海域。

大振幅的内孤立波传播过程中会引起海水强烈的幅聚幅散和突发性的强流，对于跨越密跃层的潜体产生剪切作用。停坐在跃层上的潜体，在跃层处随内孤立波做大幅度的上下波动时，可能会在潜体距海面的距离变小时暴露其位置；也可能被死死地压到潜体的极限深度以下，被巨大的海水压力破坏，造成失事。可见内孤立波对潜体的稳定性、操控性影响很大。因此研究大波高、长波长的内孤立波对水下潜体水动力性能的影响具有十分重要的价值。

目前，关于内孤立波与潜体的相互作用机理研究仍十分少见。对内孤立波与水下潜体相互作用问题的研究，目前仍以数值模拟为主，缺乏内孤立波与潜体相互作用的试验数据。且当前对于内孤立波与水下潜体的试验研究中，常采用绳牵引的形式来控制潜体模型，但由于牵引绳本身弹性以及固定方式的问题，常导致潜体模型发生不稳定运动，影响试验精度。

公开号为cn108254157a的中国发明专利申请公开了一种内波与潜体相互作用的实验系统，包括：潜体模型、运动模拟组件、运动记录组件及实验槽，潜体模型包括潜体外壳及第一配重块，第一配重块置于潜体外壳中，其利用球形铰式万向联轴器的连接，使得潜体可以相对于连接杆做三个方向的转动，并利用三向电子陀螺仪实时记录潜体的x、y、z方向转动的角速度，同时记录潜体x、y、z方向的加速度，利用三个压力力传感器记录内孤立波行进过程中潜体模型以及连接杆件上的x、y、z三个方向上的内孤立波波浪力，进而将记录结果通过导线传输至显示器，实时显示测力数据，并记录在数据文件当中。

上述实验系统主要存在以下问题：

(1)采用单杆连接潜体，当大振幅内孤立波与潜体相互作用时，潜体会遭受较大的力与力矩，并发生较大的位移。此时，单杆连接无法保证试验装置的安全与稳定，且试验数据的测量范围较小。

(2)采用单杆连接，不便于根据试验工况灵活变更潜体的初始状态，如在不同平面内倾斜一定角度，导致其可应用的工况类型有限。

(3)采用杆件连接潜体，虽可改善牵引绳方式带来的不稳定性，但杆件处于流场中，其自身对流场有较大的干扰，也会影响测量数据的准确性，该专利申请未提出改善此缺陷的措施。

技术实现要素：

本发明针对现有系统存在的应用工况有限、试验数据测量范围较小且测量数据的准确性有待提高的技术问题，提供一种双杆连接的潜体遭遇内孤立波试验测量系统和测量方法，其可以适用较多的工况，而且可以扩大试验数据测量范围并提高测量数据的准确性。

为此，本发明提供一种双杆连接的潜体遭遇内孤立波试验测量系统，其设有连接杆、万向联轴器、测力仪、陀螺仪、x固定滑轨、y滑动滑轨、x滑轨滑块、y滑轨滑块、潜体模型、拖曳水池、数据分析系统；所述连接杆为两个；所述x固定滑轨平行地固定在拖曳水池的长边两侧，所述x滑轨滑块分别两两一对滑动地连接在所述x固定滑轨上，并分别与所述y滑动滑轨的下端固定连接；所述潜体模型前端、后端分别通过所述万向联轴器与所述测力仪的一端连接，所述测力仪的另一端分别与所述连接杆的一端连接，所述连接杆的另一端穿过所述y向滑动滑轨中间的开槽，所述y滑轨滑块中间有凹槽，连接杆穿过凹槽，所述y滑轨滑块滑动的连接在所述y向滑动滑轨上；所述y滑轨滑块可带动所述潜体模型在所述y滑动滑轨上自由运动；所述陀螺仪设置在所述潜体模型内部，所述数据分析系统与所述测力仪以及所述陀螺仪通过数据线相连。

优选的，所述拖曳水池为长方体，其长边两侧壁上端通过螺栓螺母与所述x向滑轨相连接固定，其前端有内孤立波发生装置，后端有消波装置，其内设有不同密度的两种流体，用于内孤立波的生成。

优选的，所述x滑轨滑块设于所述x固定滑轨上，其一端与所述x固定滑轨滑动连接，另一端与所述y滑动滑轨焊接；所述y滑轨滑块与所述y滑动滑轨滑动连接。

优选的，所述x固定滑轨与所述y滑动滑轨相互垂直设置。

优选的，所述x固定滑轨上设有多个用于固定所述y滑动滑轨的卡扣；所述y滑动滑轨上设有多个用于固定所述y滑轨滑块的卡扣；所述y滑轨滑块上设有可拧紧及放松的螺栓螺母。这些设置可实现对潜体在运动及静止状态下遭遇内孤立波时试验的测量。

优选的，所述连接杆与所述潜体模型的连接点位于所述潜体模型的中纵剖面上，且两连接点之间的连线穿过所述潜体模型的回转中心。

本发明同时提供一种潜体遭遇内孤立波试验测量方法，其使用双杆连接的潜体遭遇内孤立波试验测量系统，所述双杆连接的潜体遭遇内孤立波试验测量系统设有两个连接杆、万向联轴器、测力仪、陀螺仪、x固定滑轨、y滑动滑轨、x滑轨滑块、y滑轨滑块、潜体模型、拖曳水池、数据分析系统；所述连接杆分别为1号连接杆和2号连接杆，其特征是，包括如下步骤：

(1)使用双杆连接的潜体遭遇内孤立波试验测量系统，通过万向联轴器及测力仪实现对内孤立波作用下自由运动潜体受力的测量，包括z垂向力、x水平力以及y方向力矩等；

通过所述1号连接杆上的测力仪测量得到垂向力水平力力矩由所述2号连接杆上的测力仪测量得到垂向力定义水下潜体在内孤立波作用下所受到的垂向力为fz、水平力为fx，y方向力矩为m，其计算式为：

(2)在潜体模型内部中间位置布置陀螺仪，所述陀螺仪可测量得到潜体在x、y、z方向运动的速度、位移以及旋转的角度；通过测力仪与陀螺仪的配合，实现对试验过程中潜体x、y、z方向受力、力矩以及位移、运动速度的测量；

(3)由所述测力仪及所述陀螺仪采集的数据通过数据线发送至数据处理系统中，进行实时的数据处理。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用双连接杆连接水下潜体进行内孤立波作用试验，可保障水下潜体在大幅运动时试验装置的安全性与试验结果的准确性，扩大测量量程；具体地说，通过连接杆连接潜体，可保障潜体的稳定性，提高测量数据的精度；而且在潜体首部、尾部两端分别连接连接杆，可保障大振幅内孤立波与潜体相互作用时的试验安全；此外，双连接杆设计可实现潜体模型的灵活布置，进行潜体固定、悬浮、水平、倾斜等多种工况下的试验。为研究大波幅内孤立波与水下潜体的相互作用机理提供大量可靠的试验数据支撑。

(2)为了消除连接杆自身对流场的影响，本发明中连接杆位于水中部分采用的是流线型剖面设计，可达到减少连接杆对试验流场干扰的目的，进一步提高试验精度。

(3)本发明通过万向联轴器实现潜体的自由运动，通过两杆上的测力仪测量数据相结合可方便的得到潜体总的受力、力矩数据。

(4)本发明通过布置在潜体内的陀螺仪实现对潜体运动姿态的测量。

(5)本发明通过滑轨与滑块的配合，可实现潜体沿x、y、z多个方向的灵活布置，结合卡扣及螺栓螺母，可随意改变潜体的初始状态，如固定、悬浮、水平、倾斜等，使潜体以不同角度、潜深遭遇内孤立波，实现对各类试验工况下内孤立波与潜体相互作用数据的精确测量。

附图说明

图1是本发明实施例1的整体布置示意图；

图2是本发明实施例1的侧视图；

图3是本发明实施例1的俯视图；

图4是本发明实施例1的受力测量数据分析图；

图5是本发明实施例1中连接杆的剖面示意图；

图6是本发明实施例2的整体布置示意图；

图7是内孤立波与潜体相互作用后潜体的z方向位移图；

图8是内孤立波与潜体相互作用后潜体的y方向旋转图；

图9是内孤立波与潜体相互作用后潜体的x水平力图；

图10是内孤立波与潜体相互作用后潜体的z垂向力图；

图11是内孤立波与潜体相互作用后潜体的y力矩图。

图中符号说明：101—1号连接杆，102—2号连接杆，103—1号测力仪，104—1号万向联轴器，105—2号测力仪，106—2号万向联轴器，107—陀螺仪。201—1号x固定滑轨，202—2号x固定滑轨。301—1号y滑动滑轨，302—2号y滑动滑轨。401—第1x滑轨滑块，402—第2x滑轨滑块，403—第3x滑轨滑块，404—第4x滑轨滑块。501—第1y滑轨滑块，502—第2y滑轨滑块。600—潜体模型、700—拖曳水池。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

参见图1-图3，本发明提供的一种双杆连接的水下潜体遭遇内孤立波试验测量系统，该测量系统包括：

1号连接杆101，2号连接杆102，1号万向联轴器104，2号万向联轴器106，1号测力仪103，2号测力仪105，陀螺仪107，1号x固定滑轨201，2号x固定滑轨202，1号y滑动滑轨301，2号y滑动滑轨302，第1x滑轨滑块401、第2x滑轨滑块402、第3x滑轨滑块403、第4x滑轨滑块404，第1y滑轨滑块501、第2y滑轨滑块502，潜体模型600、拖曳水池700，第1x固定滑轨201、第2x固定滑轨202平行架在拖曳水池700长边两侧的上端，第1x滑轨滑块401、第2x滑轨滑块402、第3x滑轨滑块403、第4x滑轨滑块404两两一对滑动地连接在1号x固定滑轨201和2号x固定滑轨202上，并分别与所述1号y滑动滑轨301和2号y滑动滑轨302两侧的下端固定连接。1号x固定滑轨201和2号x固定滑轨202与1号y滑动滑轨301，2号y滑动滑轨302相互垂直布置，潜体模型600前端、后端分别通过所述1号万向联轴器104和2号万向联轴器106与1号测力仪103和2号测力仪105的一端连接，所述1号测力仪103和2号测力仪105的另一端与1号连接杆101和2号连接杆102的一端连接，1号连接杆101和2号连接杆102的另一端穿过1号y滑动滑轨301和2号y滑动滑轨302的开槽，并由可任意松、紧的第1y滑轨滑块501和第2y滑轨滑块502包裹；陀螺仪107设置在潜体模型600内部，数据分析系统与1号测力仪103和2号测力仪105以及陀螺仪107通过数据线相连。其中1号测力仪103和2号测力仪105与潜体模型的连接点及陀螺仪107与潜体模型600的回转中心在一条线上。

1号y滑动滑轨301和2号y滑动滑轨302之间的距离根据潜体模型600的尺寸以及试验的工况来决定。

1号连接杆101和2号连接杆102所采用的钢材长度、尺寸通过内波与水下潜体相互作用的冲击力以及整个测量装置的尺度来确定。

由图4可知，以x-z平面数据分析为例，通过1号连接杆101上的1号测力仪103测量得到垂向力水平力力矩由2号连接杆102上的2号测力仪105测量得到垂向力定义水下潜体在内孤立波作用下所受到的垂向力为fz、水平力为fx，y方向力矩为m，其计算式为：

应理解，此为x-z平面内数据的测量与分析方法，但其并不限于x-z平面，由于滑轨及滑块的结合，使得本测量系统可测量多个平面内，多个方向的潜体受力。

由图5可见，以1号连接杆101为例，其中间部分结构的剖面采用流线型设计，为防止其在水中对流场产生干扰。应理解，所述2号连接杆102采用同样的设计。

拖曳水池长边两侧壁上端的1号x固定滑轨201和2号x固定滑轨202与拖曳水池通过螺栓螺母进行连接与固定。在试验时，在所述拖曳水池700前端通过重力塌陷的方式生成具有密度分层的流体，包含高、低两种密度不同的流体，用于作为内孤立波生成的环境。

1号x固定滑轨201和2号x固定滑轨202固定在水池上，1号y滑动滑轨301和2号y滑动滑轨302通过与其焊接在一起的滑块儿滑动的连接在x固定滑轨上。1号y滑动滑轨301和2号y滑动滑轨302可以沿1号x固定滑轨201和2号x固定滑轨202在x方向上自由滑动。此外，1号连接杆101和2号连接杆102穿过1号y滑动滑轨301和2号y滑动滑轨302之间的凹槽，通过带孔的第1y滑轨滑块501和第2y滑轨滑块502包裹潜体连接杆，通过其上的螺栓螺母可对连接杆进行紧锁与放松，使得试验中的潜体既可以沿z方向自由运动，也可以将潜体固定在某一z方向位置上。

第1y滑轨滑块501和第2y滑轨滑块502与1号y滑动滑轨301和2号y滑动滑轨302滑动连接，第1y滑轨滑块501和第2y滑轨滑块502带动连接杆，进而带动潜体模型沿1号y滑动滑轨301和2号y滑动滑轨302在y方向上自由运动。在实际操作中，可在第1x滑轨滑块401、第2x滑轨滑块402、第3x滑轨滑块403、第4x滑轨滑块404以及第1y滑轨滑块501和第2y滑轨滑块502的下端焊接滚轮，将其分别置于1号x固定滑轨201和2号x固定滑轨202及1号y滑动滑轨301和2号y滑动滑轨302的凹槽内，进而实现其自由滚动。在试验开始之前根据水下潜体的尺寸及试验工况设定y滑动滑轨以及y滑轨滑块的位置，之后可采用卡扣及螺栓螺母等将其固定或放松来模拟静止或悬浮状态下水下潜体与内孤立波的相互作用。

连接杆通过测力仪及万向联轴器与所述潜体模型600相连，测力仪可测量得到潜体在x、y、z方向的受力及力矩。在潜体模型内部中间位置布置陀螺仪，陀螺仪可测量得到潜体在x、y、z方向运动的速度、位移以及旋转的角度。根据不同的试验要求，通过测力仪与陀螺仪的相配合，实现对试验过程中潜体x、y、z方向受力、力矩以及位移、运动速度的测量。

实施例2

如图6所示，为模拟潜体在倾斜状态下遭遇内孤立波时的耦合作用情况，通过将1号连接杆101和2号连接杆102错位布置，使得潜体模型600以一定的角度穿过内孤立波，应理解，此布置仅为本测量系统可提供的某一种实施例，此为潜体在x-y平面内倾斜，同样，本测量系统可以通过调整连接杆的固定高度，实现潜体在x-z平面内的倾斜。同理，本测量系统可以根据具体的试验工况需要任意改变潜体的初始位置，以及其初始姿态，在此不逐一列举。

内孤立波生成前，先根据试验模型及目标工况调整潜体模型600初始位置，调整y滑轨滑块使其固定或悬浮于分层流体中。试验开始时，通过推板造波的方式生成内孤立波，在内孤立波与潜体模型600相互作用的过程中，由测力仪及陀螺仪采集的数据如图7-11所示，后续通过数据线发送至数据处理系统中。

通过在计算机中建立的数据分析系统，对两个杆上的测力仪和潜体中陀螺仪测量得到的数据进行实时处理，得到各参数随时间变化的时历曲线，便于对其进行时域、频域的分析，同时绘制并展示其变化特征。其中各物理量采用无量纲形式消除尺度效应的影响，其中无量纲定义如下：

其中，η代表位移，h代表总水深，f代表潜体受到的内孤立波作用力，ρ1代表下层高密度流体的密度，g代表重力加速度，d代表潜体模型的最大直径。

应理解，本发明实施例提供的一种双杆连接的水下潜体遭遇内孤立波试验测量系统也可用于其他航行体的模型试验中，对此不做限制。

对比例1

与公开号为cn108254157a的中国发明专利的测量效果进行对比，本发明可以取得如下效果：(1)当采用同样测量仪器时，通过本发明中双杆设计可使测量量程提高2倍；(2)本发明采用的双杆设计，配合卡扣及螺栓螺母的使用，使本测量系统突破其单杆仅能进行潜体水平放置试验的限制，可测量水下潜体模型在空间任意角度、位置以固定、悬浮等状态遭遇内孤立波时的受力及运动特性；(3)本发明通过流线型杆件剖面设计，减少了杆件本身对潜体周围流场的影响，将进一步提高试验测量数据的精度。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。