空化器操縱過程水動力試驗方法

張 珂, 李 鵬, 顏 開, 陳偉政, 王 志, 吳文婷

空化器操縱過程水動力試驗方法

張 珂, 李 鵬, 顏 開, 陳偉政, 王 志, 吳文婷

(中國船舶科學研究中心 水動力學重點實驗室, 江蘇 無錫, 214082)

操縱空化器轉角是超空泡航行器姿態控制的常用手段之一, 為進一步研究空化器操縱過程中空泡和水動力特性, 文中通過精細計算和分析優化, 提出并建立了一種空化器操縱過程非定常水動力測量的水洞試驗模型和方法。通過在試驗模型內部緊湊布置直線電機、位移傳感器、壓力傳感器、傳動系統、通氣系統以及測力天平, 實現了對空化器轉角的操縱以及泡內壓力和水動力測量功能, 靜態工況空化器水動力測量結果與經驗公式結果對比, 證明了該試驗方法的有效性。

超空泡航行器; 空化器; 水動力

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流在空化器邊緣發生流動分離, 形成初始空泡。如果輔以適當的人工通氣即可形成通氣超空泡, 其外形及尺寸直接影響包覆航行器的超空泡形態。空化器作為超空泡航行器與水直接接觸的部位之一, 可為超空泡航行器提供前部升力。在航行器水下運動過程中, 往往需要對空化器轉角進行操縱來改變航行器前端的受力, 以達到控制航行器姿態的目的。

水洞試驗是研究超空泡形態和水動力的重要手段, 國內外針對空化器水動力特性和空泡形態方面已經有較多試驗研究。例如, Logvinovich[1]推導了小空化數下圓盤阻力計算公式并通過水洞試驗進行了驗證; May[2]給出了圓盤和不同半錐角錐體在系列空化數下的阻力系數水洞試驗結果; Semenenko[3]開展了不同弗勞德數下圓盤空化器空泡形態水洞試驗, 并將試驗結果用于驗證空泡形態估算公式; 顧建農[4]、陳偉政[5]、隗喜斌[6]和Wang等[7]通過固定的模型開展了系列水洞試驗, 分析了軸對稱體空泡水動力特性及空泡形態的影響因素; Kuklinski等[8]通過系列超空泡航行器水池拖曳試驗, 研究了超空泡穩定性, 試驗中錐形空化器角度可調, 但由于模型結構復雜并未測量水動力; Hjartarson等[9]建立了超空泡航行器控制方法水洞驗證平臺, 模型空化器角度通過鋼絲連接水洞外電機驅動, 但是鋼絲的彈性導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角的方式進行了空泡參數的研究, 且未測量水動力。以上研究多數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動機構, 水動力的測量也應布置測力天平, 同時實現這兩項功能, 對于尺寸相對較小的水洞試驗模型具有一定難度。

文中設計了一種空化器動態操縱水洞試驗模型, 能夠在空化器角度精確動態操縱和反饋的同時實現空化器水動力的測量, 并在此基礎上提出了一種空化器動態操縱過程非定常水動力特性的試驗方法, 并開展了水洞試驗。

1 試驗設備及布置

空化器操縱過程非定常水動力測量試驗在中國船舶科學研究中心03A中型空泡水洞開展。該水洞為立式循環, 工作段截面是直徑為350 mm的圓形, 工作段長度為2.0 m, 最高水速可達13.5 m/s, 最低自然空化數可達0.2, 水速測量精度0.5%, 圖1為中型空泡水洞照片。

圖1 中型空泡水洞

模型設計是實現空化器操縱過程水動力測量試驗的關鍵, 通過精細計算和緊湊布置, 在直徑為60 mm, 長度為590 mm的模型內實現了空化器角度的精確控制和反饋、水動力測量以及空泡內壓力測量的功能。試驗模型通過尾支撐的方式安裝在空泡水筒試驗段中, 在觀察窗的正面布置了高速攝像系統進行空泡形態的同步觀測, 數字信號采集、處理和顯示系統保證了數據信號測量的準確性。

2 試驗模型設計

為了在空間有限的水洞試驗模型內實現空化器轉角操縱、反饋以及泡內壓力和水動力測量等多種功能, 模型設計基于空化器操縱試驗的特點, 綜合考慮了電機驅動和傳動需求、通氣管路和測壓線路的布置以及水動力測量的要求, 對空泡長度、空化器轉角、電機行程等進行了精細的計算分析, 優化了模型內部空間布置, 保證了上述功能的實現。

試驗模型總體上由頭錐段、測壓艙段、電機艙段和測力分段4部分組成, 如圖2所示。

圖2 試驗模型總體布置示意圖

頭錐段的最前端布置了直徑為50 mm的圓盤空化器, 空化器轉動由電機艙段內的直線電機驅動, 空化器和直線電機之間通過活動推桿和密封活塞連接。測壓艙段內布置了一個壓力傳感器用于測量模型表面壓力, 在超空泡試驗狀態下的測量值即為泡內壓力。電機艙段內除驅動空化器的直線電機外, 還布置了反饋直線電機行程信息的位移傳感器。測力分段則布置了三分力測力天平用于測量模型受到的阻力、升力和俯仰力矩, 測力段尾部通過法蘭接口與尾部支桿連接。

圖3為模型實物照片, 其中: 上圖為正視圖, 下圖為俯視圖。圖4為空化器轉角驅動和運動反饋系統示意圖。為了實現空化器的轉動, 空化器中心位置通過鉸鏈與頭錐段連接, 空化器上端同樣布置了一對鉸鏈與活動推桿連接, 其作用是將直線電機驅動的活動推桿的直線運動轉化為空化器繞中心鉸鏈軸線的轉動運動。為了在直線電機尺寸受到水洞模型最大直徑約束的條件下, 獲得盡可能大的轉動力矩, 并考慮空化器后通氣系統的布置, 活動推桿軸線布置在靠近空化器的邊緣位置。

圖4 空化器轉角驅動和運動反饋系統示意圖

圖5為空化器角度控制示意圖, 圖6為空化器與活動推桿運動關系示意圖。

圖5 空化器角度控制示意圖

由于活動推桿只能沿直線方向運動, 在空化器轉動過程中, 鉸鏈中心與空化器將產生相對運動, 因此為鉸鏈設計了橢圓型腰孔。該腰孔的特點是其縱向中心線與空化器中心的鉸鏈位于同一平面上, 則空化器轉動角速度與活動推桿線速度可以用較為簡單的幾何關系描述。

圖6 空化器與活動推桿運動關系示意圖

直線電機頭帽及活動推桿運動的位移信息由布置在電機艙的位移傳感器進行測量, 位移傳感器移動測量段通過連接部件2與電機頭帽相連(見圖4), 通過位移傳感器的反饋信號可以較為精確地計算出空化器的角度。

壓力傳感器布置在頭錐段和電機艙段之間的測壓艙段內, 用于測量泡內壓力, 如圖2所示。活塞桿在空化器操縱過程中作往復直線運動, 占用測壓艙段上部空間, 壓力傳感器垂直布置在測壓艙段下壁面。壓力傳感器可測量模型外壁面壓力, 試驗中空化器產生通氣空泡將頭錐段、測壓艙段和電機艙段完全包覆, 此時通過壓力傳感器獲得的壓力即為泡內壓力。

通氣系統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。由于模型內部空間有限并且電機艙內活塞桿需要作往復運動, 考慮到密封性的要求, 采用管線外置的方式解決電機艙段內難以布置通氣管和壓力傳感器線路的問題。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走線孔1沿模型外壁面繞過電機艙密封段, 再經走線孔2進入模型內部穿過測力分段和尾桿。因為試驗中空化器后方形成的通氣超空泡會將外穿管線完全包覆, 所以這種布置方式并不會影響水動力的測量。

測力分段布置了應變式三分力天平分別測量模型的阻力、升力和俯仰力矩, 如圖2所示。測力天平兩端分別與電機艙段和尾桿連接。模型測力段的外壁沿長度方向包覆測力天平, 且僅與尾桿固連, 與電機艙段是斷開的, 用以消除空泡尾部流動對天平測力的干擾。試驗中空化器生成的通氣空泡將測力天平前端的頭錐段、測壓艙段和電機艙段完全包覆, 測力天平測量獲得的水動力完全由模型頭部空化器產生, 配合空化器轉角操縱機構, 可達到測量空化器操縱過程非定常水動力的目的。因此, 測力分段之前模型各部分的總長度受到空泡長度的約束, 模型設計時通過小型化電機及傳感器選型、緊湊的空間設計以及精確的行程計算使得模型長度盡量縮短。

3 試驗結果與分析

試驗零空化數下阻力系數

升力系數

經驗公式

(6)

圖7 不同靜態轉角下空化器阻力系數

圖8 不同靜態轉角下空化器升力系數

由上圖可知, 模型試驗獲得的空化器靜態轉角水動力特性與Kiceniuk試驗數據及公認的經驗公式值較為接近, 可初步驗證空化器操縱動態試驗模型的有效性。

圖9 不同動態轉角下試驗照片

圖10 空化器升力系數隨動態轉角變化曲線

4 結束語

文中基于設計的可操縱空化器水洞試驗模型, 建立了一種空化器操縱過程非定常水動力測量試驗方法, 開展了相應水洞試驗。通過精細計算和分析優化, 在試驗模型內部緊湊布置了直線電機、位移傳感器、壓力傳感器、傳動系統、通氣系統以及三分力天平等, 實現了對空化器轉角的操縱和實時反饋以及泡內壓力和水動力測量功能;通過空化器中心及邊緣兩處鉸鏈特別的設計, 保證了空化器角速度和直線電機頭帽的簡單幾何關系, 使得轉角較小時, 空化器轉動角速度與直線電機驅動速度呈線性關系, 簡化了電機控制程序, 有利于保證操縱規律的控制精度; 通過靜態空化器轉角試驗與經驗公式的對比, 初步驗證了試驗方法的有效性, 并在此基礎上開展了空化器動態操縱過程非定常水動力特性測量試驗。后續將就試驗模型的進一步小型化展開研究。

[1] Logvinovich G V. Hydrodynamics of Flows with Free Boundaries[M]. Kyiv: Naukova Dumka, 1969.

[2] May A. Water Entry and the Cavity-running Behavior of Missiles[R]. No.SEAHAC/TR-75-2. Silver Spring, MD: Navsea Hydroballistics Advisory Committee, 1975.

[3] Semenenko V N. Artificial Supercavitation Physics and Calc- ulation[R]. RTO-AVT Lecture Series on “Supercavitating Fl- ows”: Brussels, 2001.

[4] 顧建農, 高永琪, 張志宏, 等. 系列頭型空泡特征及其對細長體阻力特性影響的試驗研究[J]. 海軍工程大學學報, 2003, 15(4): 5-9.

Gu Jian-nong, Gao Yong-qi, Zhang Zhi-hong, et al. An Experiment Study of the Cavities Characters of Headfor- ms and Their Influence on the Drag Characters of Slend- er Body[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2003, 15(4): 5-9.

[5] 陳偉政, 張宇文, 袁緒龍, 等. 重力場對軸對稱體穩定空泡形態影響的實驗研究[J]. 西北工業大學學報, 2004, 36(3): 274-278.

Chen Wei-zheng, Zhang Yu-wen, Yuan Xu-long, et al. Ex- perimental Study of the Influence of Gravity Field on the Shapes of Axially Symmetric Steady Cavity[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2004, 36(3): 274-278.

[6] 隗喜斌, 魏英杰, 黃慶新, 等. 通氣超空泡臨界通氣率的水洞試驗分析[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2007, 39(5): 797-799.

Wei Xi-bin, Wei Ying-jie, Huang Qing-xin, et al. Experimental Investigation of Critical Ventilating Coefficient of Ventilated Supercavity in Water Tunnel[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2007, 39(5): 797-799.

[7] Wang Z, Peng X, Yan K. Experimental Study of Ventilated Supercavity on an Axisymmetric Model[C]//Proceedings of the 8th International Symposium on Cavitation. Singapore: National University of Singapore, 2012.

[8] Kuklinski, Henoch C, Castano J. Experimental Study of Ventilated Cavities on Dynamic Test Model[C]//Procee- dings of the 4th International Symposium on Cavitation. Pasadena, USA: California Institute of Technology, 2001.

[9] Hjartarson A, Mokhtarzadeh H, Kawakami E, et al. A Dynamic Test Platform for Evaluating Control Algorithms for a Supercavitating Vehicle[C]//Proceedings of the 7th International Symposium on Cavitation. Washington, USA: University of Michigan, 2009.

[10] 白濤, 蔣運華, 韓云濤. 基于混合擴展卡爾曼濾波的超空泡航行體變深運動控制研究[J].兵工學報, 2017, 38(10): 1980-1987.

Bai Tao, Jiang Yun-hua, Han Yun-tao. Research on Variable-depth Motion Control of Supercaviting Vehicle Based on Hybrid Extended Kalman Filter[J]. Acta Armamentarii, 2017, 38(10): 1980-1987.

[11] Kirschner I, Uhlman J, Perkins J. Overview of High- Speed Supercavitating Vehicle Control[C]//AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit. Keystone, Colorado, USA: AIAA, 2006.

[12] 張宇文, 袁緒龍, 鄧飛. 超空泡航行體流體動力學[M]. 北京: 國防工業出版社, 2014.

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. 空化器操縱過程水動力試驗方法[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(4): 428-433.

2019-02-25;

2019-03-18.

張 珂(1984-), 碩士, 高級工程師, 主要研究方向為空泡流體力學技術.

(責任編輯: 楊力軍)