張 珂, 李 鵬, 顏 開, 陳偉政, 王 志, 吳文婷

空化器操縱過(guò)程水動(dòng)力試驗(yàn)方法

張 珂, 李 鵬, 顏 開, 陳偉政, 王 志, 吳文婷

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 水動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無(wú)錫, 214082)

操縱空化器轉(zhuǎn)角是超空泡航行器姿態(tài)控制的常用手段之一, 為進(jìn)一步研究空化器操縱過(guò)程中空泡和水動(dòng)力特性, 文中通過(guò)精細(xì)計(jì)算和分析優(yōu)化, 提出并建立了一種空化器操縱過(guò)程非定常水動(dòng)力測(cè)量的水洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头椒?。通過(guò)在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部緊湊布置直線電機(jī)、位移傳感器、壓力傳感器、傳動(dòng)系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)以及測(cè)力天平, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)空化器轉(zhuǎn)角的操縱以及泡內(nèi)壓力和水動(dòng)力測(cè)量功能, 靜態(tài)工況空化器水動(dòng)力測(cè)量結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果對(duì)比, 證明了該試驗(yàn)方法的有效性。

超空泡航行器; 空化器; 水動(dòng)力

0 引言

空化器是安裝于超空泡航行器艏部的重要部件, 其作用是使航行器前方來(lái)流在空化器邊緣發(fā)生流動(dòng)分離, 形成初始空泡。如果輔以適當(dāng)?shù)娜斯ね饧纯尚纬赏獬张? 其外形及尺寸直接影響包覆航行器的超空泡形態(tài)?？栈髯鳛槌张莺叫衅髋c水直接接觸的部位之一, 可為超空泡航行器提供前部升力。在航行器水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中, 往往需要對(duì)空化器轉(zhuǎn)角進(jìn)行操縱來(lái)改變航行器前端的受力, 以達(dá)到控制航行器姿態(tài)的目的。

水洞試驗(yàn)是研究超空泡形態(tài)和水動(dòng)力的重要手段, 國(guó)內(nèi)外針對(duì)空化器水動(dòng)力特性和空泡形態(tài)方面已經(jīng)有較多試驗(yàn)研究。例如, Logvinovich[1]推導(dǎo)了小空化數(shù)下圓盤阻力計(jì)算公式并通過(guò)水洞試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證; May[2]給出了圓盤和不同半錐角錐體在系列空化數(shù)下的阻力系數(shù)水洞試驗(yàn)結(jié)果; Semenenko[3]開展了不同弗勞德數(shù)下圓盤空化器空泡形態(tài)水洞試驗(yàn), 并將試驗(yàn)結(jié)果用于驗(yàn)證空泡形態(tài)估算公式; 顧建農(nóng)[4]、陳偉政[5]、隗喜斌[6]和Wang等[7]通過(guò)固定的模型開展了系列水洞試驗(yàn), 分析了軸對(duì)稱體空泡水動(dòng)力特性及空泡形態(tài)的影響因素; Kuklinski等[8]通過(guò)系列超空泡航行器水池拖曳試驗(yàn), 研究了超空泡穩(wěn)定性, 試驗(yàn)中錐形空化器角度可調(diào), 但由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜并未測(cè)量水動(dòng)力; Hjartarson等[9]建立了超空泡航行器控制方法水洞驗(yàn)證平臺(tái), 模型空化器角度通過(guò)鋼絲連接水洞外電機(jī)驅(qū)動(dòng), 但是鋼絲的彈性導(dǎo)致空化器角度難以精確換算; 白濤等[10]同樣采用了鋼絲控制空化器轉(zhuǎn)角的方式進(jìn)行了空泡參數(shù)的研究, 且未測(cè)量水動(dòng)力。以上研究多數(shù)是基于固定的空化器安裝角開展, 由于空化器角度的操縱需要一套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu), 水動(dòng)力的測(cè)量也應(yīng)布置測(cè)力天平, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)功能, 對(duì)于尺寸相對(duì)較小的水洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂幸欢y度。

文中設(shè)計(jì)了一種空化器動(dòng)態(tài)操縱水洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ? 能夠在空化器角度精確動(dòng)態(tài)操縱和反饋的同時(shí)實(shí)現(xiàn)空化器水動(dòng)力的測(cè)量, 并在此基礎(chǔ)上提出了一種空化器動(dòng)態(tài)操縱過(guò)程非定常水動(dòng)力特性的試驗(yàn)方法, 并開展了水洞試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及布置

空化器操縱過(guò)程非定常水動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心03A中型空泡水洞開展。該水洞為立式循環(huán), 工作段截面是直徑為350 mm的圓形, 工作段長(zhǎng)度為2.0 m, 最高水速可達(dá)13.5 m/s, 最低自然空化數(shù)可達(dá)0.2, 水速測(cè)量精度0.5%, 圖1為中型空泡水洞照片。

圖1 中型空泡水洞

模型設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)空化器操縱過(guò)程水動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)的關(guān)鍵, 通過(guò)精細(xì)計(jì)算和緊湊布置, 在直徑為60 mm, 長(zhǎng)度為590 mm的模型內(nèi)實(shí)現(xiàn)了空化器角度的精確控制和反饋、水動(dòng)力測(cè)量以及空泡內(nèi)壓力測(cè)量的功能。試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)尾支撐的方式安裝在空泡水筒試驗(yàn)段中, 在觀察窗的正面布置了高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行空泡形態(tài)的同步觀測(cè), 數(shù)字信號(hào)采集、處理和顯示系統(tǒng)保證了數(shù)據(jù)信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

為了在空間有限的水洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)實(shí)現(xiàn)空化器轉(zhuǎn)角操縱、反饋以及泡內(nèi)壓力和水動(dòng)力測(cè)量等多種功能, 模型設(shè)計(jì)基于空化器操縱試驗(yàn)的特點(diǎn), 綜合考慮了電機(jī)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)需求、通氣管路和測(cè)壓線路的布置以及水動(dòng)力測(cè)量的要求, 對(duì)空泡長(zhǎng)度、空化器轉(zhuǎn)角、電機(jī)行程等進(jìn)行了精細(xì)的計(jì)算分析, 優(yōu)化了模型內(nèi)部空間布置, 保證了上述功能的實(shí)現(xiàn)。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傮w上由頭錐段、測(cè)壓艙段、電機(jī)艙段和測(cè)力分段4部分組成, 如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傮w布置示意圖

頭錐段的最前端布置了直徑為50 mm的圓盤空化器, 空化器轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)艙段內(nèi)的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng), 空化器和直線電機(jī)之間通過(guò)活動(dòng)推桿和密封活塞連接。測(cè)壓艙段內(nèi)布置了一個(gè)壓力傳感器用于測(cè)量模型表面壓力, 在超空泡試驗(yàn)狀態(tài)下的測(cè)量值即為泡內(nèi)壓力。電機(jī)艙段內(nèi)除驅(qū)動(dòng)空化器的直線電機(jī)外, 還布置了反饋直線電機(jī)行程信息的位移傳感器。測(cè)力分段則布置了三分力測(cè)力天平用于測(cè)量模型受到的阻力、升力和俯仰力矩, 測(cè)力段尾部通過(guò)法蘭接口與尾部支桿連接。

圖3為模型實(shí)物照片, 其中: 上圖為正視圖, 下圖為俯視圖。圖4為空化器轉(zhuǎn)角驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)反饋系統(tǒng)示意圖。為了實(shí)現(xiàn)空化器的轉(zhuǎn)動(dòng), 空化器中心位置通過(guò)鉸鏈與頭錐段連接, 空化器上端同樣布置了一對(duì)鉸鏈與活動(dòng)推桿連接, 其作用是將直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的活動(dòng)推桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為空化器繞中心鉸鏈軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。為了在直線電機(jī)尺寸受到水洞模型最大直徑約束的條件下, 獲得盡可能大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩, 并考慮空化器后通氣系統(tǒng)的布置, 活動(dòng)推桿軸線布置在靠近空化器的邊緣位置。

圖4 空化器轉(zhuǎn)角驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)反饋系統(tǒng)示意圖

圖5為空化器角度控制示意圖, 圖6為空化器與活動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖。

圖5 空化器角度控制示意圖

由于活動(dòng)推桿只能沿直線方向運(yùn)動(dòng), 在空化器轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中, 鉸鏈中心與空化器將產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng), 因此為鉸鏈設(shè)計(jì)了橢圓型腰孔。該腰孔的特點(diǎn)是其縱向中心線與空化器中心的鉸鏈位于同一平面上, 則空化器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與活動(dòng)推桿線速度可以用較為簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系描述。

圖6 空化器與活動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖

直線電機(jī)頭帽及活動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)的位移信息由布置在電機(jī)艙的位移傳感器進(jìn)行測(cè)量, 位移傳感器移動(dòng)測(cè)量段通過(guò)連接部件2與電機(jī)頭帽相連(見圖4), 通過(guò)位移傳感器的反饋信號(hào)可以較為精確地計(jì)算出空化器的角度。

壓力傳感器布置在頭錐段和電機(jī)艙段之間的測(cè)壓艙段內(nèi), 用于測(cè)量泡內(nèi)壓力, 如圖2所示?；钊麠U在空化器操縱過(guò)程中作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng), 占用測(cè)壓艙段上部空間, 壓力傳感器垂直布置在測(cè)壓艙段下壁面。壓力傳感器可測(cè)量模型外壁面壓力, 試驗(yàn)中空化器產(chǎn)生通氣空泡將頭錐段、測(cè)壓艙段和電機(jī)艙段完全包覆, 此時(shí)通過(guò)壓力傳感器獲得的壓力即為泡內(nèi)壓力。

通氣系統(tǒng)包括位于頭錐段的通氣碗、通氣孔和通道以及與其相連的接頭和通氣管路。由于模型內(nèi)部空間有限并且電機(jī)艙內(nèi)活塞桿需要作往復(fù)運(yùn)動(dòng), 考慮到密封性的要求, 采用管線外置的方式解決電機(jī)艙段內(nèi)難以布置通氣管和壓力傳感器線路的問(wèn)題。具體方式如下: 在模型壁面布置走線孔1和走線孔2, 如圖2所示, 通氣管和壓力傳感器線路經(jīng)走線孔1沿模型外壁面繞過(guò)電機(jī)艙密封段, 再經(jīng)走線孔2進(jìn)入模型內(nèi)部穿過(guò)測(cè)力分段和尾桿。因?yàn)樵囼?yàn)中空化器后方形成的通氣超空泡會(huì)將外穿管線完全包覆, 所以這種布置方式并不會(huì)影響水動(dòng)力的測(cè)量。

測(cè)力分段布置了應(yīng)變式三分力天平分別測(cè)量模型的阻力、升力和俯仰力矩, 如圖2所示。測(cè)力天平兩端分別與電機(jī)艙段和尾桿連接。模型測(cè)力段的外壁沿長(zhǎng)度方向包覆測(cè)力天平, 且僅與尾桿固連, 與電機(jī)艙段是斷開的, 用以消除空泡尾部流動(dòng)對(duì)天平測(cè)力的干擾。試驗(yàn)中空化器生成的通氣空泡將測(cè)力天平前端的頭錐段、測(cè)壓艙段和電機(jī)艙段完全包覆, 測(cè)力天平測(cè)量獲得的水動(dòng)力完全由模型頭部空化器產(chǎn)生, 配合空化器轉(zhuǎn)角操縱機(jī)構(gòu), 可達(dá)到測(cè)量空化器操縱過(guò)程非定常水動(dòng)力的目的。因此, 測(cè)力分段之前模型各部分的總長(zhǎng)度受到空泡長(zhǎng)度的約束, 模型設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)小型化電機(jī)及傳感器選型、緊湊的空間設(shè)計(jì)以及精確的行程計(jì)算使得模型長(zhǎng)度盡量縮短。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)零空化數(shù)下阻力系數(shù)

升力系數(shù)

經(jīng)驗(yàn)公式

(6)

圖7 不同靜態(tài)轉(zhuǎn)角下空化器阻力系數(shù)

圖8 不同靜態(tài)轉(zhuǎn)角下空化器升力系數(shù)

由上圖可知, 模型試驗(yàn)獲得的空化器靜態(tài)轉(zhuǎn)角水動(dòng)力特性與Kiceniuk試驗(yàn)數(shù)據(jù)及公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)公式值較為接近, 可初步驗(yàn)證空化器操縱動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行浴?/p>

圖9 不同動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角下試驗(yàn)照片

圖10 空化器升力系數(shù)隨動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)角變化曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

文中基于設(shè)計(jì)的可操縱空化器水洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ? 建立了一種空化器操縱過(guò)程非定常水動(dòng)力測(cè)量試驗(yàn)方法, 開展了相應(yīng)水洞試驗(yàn)。通過(guò)精細(xì)計(jì)算和分析優(yōu)化, 在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)部緊湊布置了直線電機(jī)、位移傳感器、壓力傳感器、傳動(dòng)系統(tǒng)、通氣系統(tǒng)以及三分力天平等, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)空化器轉(zhuǎn)角的操縱和實(shí)時(shí)反饋以及泡內(nèi)壓力和水動(dòng)力測(cè)量功能;通過(guò)空化器中心及邊緣兩處鉸鏈特別的設(shè)計(jì), 保證了空化器角速度和直線電機(jī)頭帽的簡(jiǎn)單幾何關(guān)系, 使得轉(zhuǎn)角較小時(shí), 空化器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)速度呈線性關(guān)系, 簡(jiǎn)化了電機(jī)控制程序, 有利于保證操縱規(guī)律的控制精度; 通過(guò)靜態(tài)空化器轉(zhuǎn)角試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比, 初步驗(yàn)證了試驗(yàn)方法的有效性, 并在此基礎(chǔ)上開展了空化器動(dòng)態(tài)操縱過(guò)程非定常水動(dòng)力特性測(cè)量試驗(yàn)。后續(xù)將就試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪M(jìn)一步小型化展開研究。

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Test Method of Hydrodynamics in Cavitator Control Process

ZHANG Ke, LI Peng, YAN Kai, CHEN Wei-zheng, WANG Zhi, WU Wen-ting

(National Key Laboratory of Science and Technology on Hydrodynamics, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

Cavitator is one of the main devices for the attitude control of a supercavitation vehicle. By precise calculation and optimization, a water tunnel test model is designed and an unsteady measurement method of hydrodynamics in the water-tunnel is proposed for the cavitator control process. The control of the cavitator, as well as the measurement of pressure inside cavity and hydrodynamics, is realized in the condition of compact arrangement of the linear motor, displacement sensor, pressure sensor, transmission system, ventilation system and force balance inside the test model. The test method is verified by comparison between the results from test and empirical formula in static condition.

supercavitation vehicle; cavitator; hydrodynamics

TJ630.1; O352

A

2096-3920(2019)04-0428-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.010

張珂, 李鵬, 顏開, 等. 空化器操縱過(guò)程水動(dòng)力試驗(yàn)方法[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(4): 428-433.

2019-02-25;

2019-03-18.

張 珂(1984-), 碩士, 高級(jí)工程師, 主要研究方向?yàn)榭张萘黧w力學(xué)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)