一种组合式通气航行体实验模型、实验系统及使用方法

本发明涉及一种组合式通气航行体实验模型、实验系统及使用方法，属于海洋工程实验。

背景技术：

1、随着人类对海洋的逐步重视，各种新型海洋航行器也在不断发展。然而航行体在海中高速航行时难以避免的会受到较大的压差阻力和摩擦阻力，严重影响航行体的航行效率，尤其随着航行体航行速度的提高，航行体表面某些位置的压力会小于当前温度下水的饱和蒸气压而发生空化现象。这不仅会对航行体的外表面造成空蚀，空化所产生的空化泡脉动、破碎等也会产生剧烈的空化噪声，对航行体的隐蔽性造成严重影响。在现代科学、军事、工程和环境研究中，水下航行体的减阻技术变得越来越重要，这种技术的主要目标是减小水下航行体与水流之间的摩擦阻力，以提高其航行性能和效率。比如，水下航行体通常依赖电池供电，因此能源效率对于续航能力至关重要，通过减小阻力可以延长水下航行体的续航时间，减少频繁充电的需求。因此如何利用减阻技术提高航行体的性能和能源效率，在军事、海洋科学和工业应用等方面具有广泛的潜在价值。

2、水下航行体减阻技术是航行体水动力学领域的核心方向之一。传统的减阻方式大多是通过水下航行体外形设计、选择低阻力材料和表面疏水涂层等，这些方式减阻效率较低。而采用人工通气的方法在航行体表面包裹一层空腔，改变了航行体周围流体介质的密度，从而能在很大程度上减小航行过程中的阻力。然而通气过程需要精准控制，以确保水下航行体在不同深度和速度下都能高效运行。现有对于通气航行体的减阻研究中，通气组件和用于测量航行体在航行过程中所受阻力的测力装置(如力传感器)都是独立布置在航行体上的不同位置。通气组件及测力装置的存在会对流场产生影响，还会产生额外的阻力，造成航行体额外振动，此外还会对不同水深和流速下航行体通气的精准控制造成严重影响。

3、因此，亟需一种将通气组件与测量航行体在航行过程中所受阻力的测力装置(如力传感器)组合布置的通气航行体实验模型，以使航行体即能在稳定流场中航行，又能准确的测量航行体在航行过程中所受的阻力。实现航行体通气的精准控制，减少通气结构对航行体空泡流动造成的负面影响。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述技术问题，进而提供了一种组合式通气航行体实验模型、实验系统及使用方法。

2、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

3、一种组合式通气航行体实验模型，包括模型主体、力传感器、支撑翼、连接组件、盖板及密封罩，其中，所述支撑翼固装在模型主体的顶部，力传感器通过连接组件固装在支撑翼的顶部，所述盖板上开设有传感器安装孔，所述力传感器及所述连接组件均位于传感器安装孔内且力传感器的上部通过支撑片与盖板固接，连接组件的下表面与盖板的下表面位于同一水平面，所述密封罩密封罩设在传感器安装孔上方且与盖板固接，所述盖板为循环水洞的试验段顶板，密封罩的顶部、连接组件的内部及支撑翼的内部由上到下均贯通开设有导向孔，密封罩上还开设有导线孔。

4、一种组合式通气航行体实验模型，包括模型主体、力传感器、支撑翼、连接组件、盖板及密封罩，其中，所述支撑翼固装在模型主体的顶部，力传感器通过连接组件固装在支撑翼的顶部，所述盖板上开设有传感器安装孔，所述力传感器及所述连接组件均位于传感器安装孔内且力传感器的上部通过支撑片与盖板固接，连接组件的下表面与盖板的下表面位于同一水平面，所述密封罩密封罩设在传感器安装孔上方且与盖板固接，所述盖板固装在试验段顶板的内壁，密封罩的顶端固装在试验段顶板的内壁上或密封罩密封穿装在试验段顶板上，密封罩的顶部、连接组件的内部及支撑翼的内部由上到下均贯通开设有导向孔，密封罩上还开设有导线孔。

5、进一步地，所述模型主体包括头部、中段管件、尾部、通气连接件及整流罩，其中头部位于中段管件的一端且与中段管件之间存在间隙，尾部螺纹安装在中段管件的另一端，通气连接件的一端部螺纹穿装在头部的一端部内，通气连接件的另一端部螺纹穿装在中段管段的一端部内，通气连接件的中部外壁与中段管件的一端部内壁之间形成环腔，通气连接件的内部开设有沿其轴向布置的第一通气孔及若干沿其径向开设且与第一通气孔贯通的第二通气孔，整流罩的一端部固定套装在头部上且另一端部内壁与中段管件的外壁之间存在间隙，第一通气孔、第二通气孔、环腔、头部与中段管件之间的间隙以及整流罩与中段管件之间的间隙依次连通设置。

6、进一步地，第二通气孔的数量为八个且周向均布设置。

7、进一步地，通气管的一端通过气管快接插头固装在第一通气孔内。

8、进一步地，所述连接组件包括通过螺栓上下平行固接为一体的上连接件及下连接件，其中下连接件与支撑翼固接，力传感器与上连接件固接，且上连接件及下连接件均与传感器安装孔之间存在间隙。

9、进一步地，所述密封罩包括侧挡板及顶板，其中侧挡板呈矩形结构，顶板通过若干螺栓固装在侧挡板的顶端，侧挡板与盖板之间密封固接。

10、进一步地，顶板与侧挡板之间设置有橡胶垫。

11、一种采用上述组合式通气航行体实验模型的实验系统，包括组合式通气航行体实验模型、气泵、高压气罐、通气管、气体流量计、气体调节阀、数据采集仪及数据终端，其中气泵与高压气罐之间通过管路连接，所述通气管的一端与高压气罐连通，另一端依次穿装在密封罩、连接组件及支撑翼内且与模型主体连通，气体调节阀及气体流量计设置在通气管上，力传感器通过导线及数据采集仪与数据终端连接。

12、一种上述实验系统的使用方法，包括如下步骤：

13、步骤一、组装实验系统，然后将组装好的实验系统固定在循环水洞的试验段内；

14、步骤二、实验开始，通过气体调节阀调节高压气罐出气的流量，通过气体流量计实时读取通气的流量，通过数据采集仪与数据终端进行航行体阻力的测量与采集；

15、步骤三、实验结束，保存并处理航行体模型主体的阻力数据，依次关闭数据采集仪与电脑，将整个组合式通气航行体实验模型从试验段内取出。

16、本发明与现有技术相比具有以下效果：

17、本发明中，将通气组件与测量航行体在航行过程中所受阻力的测力装置组合布置，将通气和测力两种需求结合在一起，既避免了外接管路对流场的影响，又能更为准确便捷地测量航行体在航行过程中的阻力。

18、本发明中，将通气管穿设在支撑翼的内部，并将力传感器设置在盖板内，使得本发明中航行体实验模型的通气组件及测力装置集中布置，在模型主体表面只设置支撑翼用于支撑连接，减少了多余的结构，进而有效减小模型主体外部结构对流场产生的影响，减小阻力，进一步实现对不同水深和流速下航行体通气的精准控制。

技术特征：

1.一种组合式通气航行体实验模型，其特征在于：包括模型主体(1)、力传感器(2)、支撑翼(3)、连接组件、盖板(5)及密封罩，其中，所述支撑翼(3)固装在模型主体(1)的顶部，力传感器(2)通过连接组件固装在支撑翼(3)的顶部，所述盖板(5)上开设有传感器安装孔，所述力传感器(2)及所述连接组件均位于传感器安装孔内且力传感器(2)的上部通过支撑片与盖板(5)固接，连接组件的下表面与盖板(5)的下表面位于同一水平面，所述密封罩密封罩设在传感器安装孔上方且与盖板(5)固接，所述盖板(5)为循环水洞的试验段顶板(6-2)，密封罩的顶部、连接组件的内部及支撑翼(3)的内部由上到下均贯通开设有导向孔，密封罩上还开设有导线孔。

2.一种组合式通气航行体实验模型，其特征在于：包括模型主体(1)、力传感器(2)、支撑翼(3)、连接组件、盖板(5)及密封罩，其中，所述支撑翼(3)固装在模型主体(1)的顶部，力传感器(2)通过连接组件固装在支撑翼(3)的顶部，所述盖板(5)上开设有传感器安装孔，所述力传感器(2)及所述连接组件均位于传感器安装孔内且力传感器(2)的上部通过支撑片与盖板(5)固接，连接组件的下表面与盖板(5)的下表面位于同一水平面，所述密封罩密封罩设在传感器安装孔上方且与盖板(5)固接，所述盖板(5)固装在试验段顶板(6-2)的内壁，密封罩的顶端固装在试验段顶板(6-2)的内壁上或密封罩密封穿装在试验段顶板(6-2)上，密封罩的顶部、连接组件的内部及支撑翼(3)的内部由上到下均贯通开设有导向孔，密封罩上还开设有导线孔。

3.根据权利要求1或2所述的一种组合式通气航行体实验模型，其特征在于：所述模型主体(1)包括头部(1-1)、中段管件(1-2)、尾部(1-3)、通气连接件(1-4)及整流罩(1-5)，其中头部(1-1)位于中段管件(1-2)的一端且与中段管件(1-2)之间存在间隙，尾部(1-3)螺纹安装在中段管件(1-2)的另一端，通气连接件(1-4)的一端部螺纹穿装在头部(1-1)的一端部内，通气连接件(1-4)的另一端部螺纹穿装在中段管段的一端部内，通气连接件(1-4)的中部外壁与中段管件(1-2)的一端部内壁之间形成环腔，通气连接件(1-4)的内部开设有沿其轴向布置的第一通气孔(1-41)及若干沿其径向开设且与第一通气孔(1-41)贯通的第二通气孔(1-42)，整流罩(1-5)的一端部固定套装在头部(1-1)上且另一端部内壁与中段管件(1-2)的外壁之间存在间隙，第一通气孔(1-41)、第二通气孔(1-42)、环腔、头部(1-1)与中段管件(1-2)之间的间隙以及整流罩(1-5)与中段管件(1-2)之间的间隙依次连通设置。

4.根据权利要求3所述的一种组合式通气航行体实验模型，其特征在于：第二通气孔(1-42)的数量为八个且周向均布设置。

5.根据权利要求3所述的一种组合式通气航行体实验模型，其特征在于：通气管(10)的一端通过气管快接插头固装在第一通气孔(1-41)内。

6.根据权利要求1或2所述的一种组合式通气航行体实验模型，其特征在于：所述连接组件包括通过螺栓上下平行固接为一体的上连接件(4-1)及下连接件(4-2)，其中下连接件(4-2)与支撑翼(3)固接，力传感器(2)与上连接件(4-1)固接，且上连接件(4-1)及下连接件(4-2)均与传感器安装孔之间存在间隙。

7.根据权利要求1或2所述的一种组合式通气航行体实验模型，其特征在于：所述密封罩包括侧挡板(6-1)及顶板(6-2)，其中侧挡板(6-1)呈矩形结构，顶板(6-2)通过若干螺栓固装在侧挡板(6-1)的顶端，侧挡板(6-1)与盖板(5)之间密封固接。

8.根据权利要求7所述的一种组合式通气航行体实验模型，其特征在于：顶板(6-2)与侧挡板(6-1)之间设置有橡胶垫(6-3)。

9.一种采用上述权利要求1～8中任一权利要求所述组合式通气航行体实验模型的实验系统，包括组合式通气航行体实验模型、气泵(8)、高压气罐(9)、通气管(10)、气体流量计(11)、气体调节阀(12)、数据采集仪(13)及数据终端(14)，其中气泵(8)与高压气罐(9)之间通过管路连接，所述通气管(10)的一端与高压气罐(9)连通，另一端依次穿装在密封罩、连接组件及支撑翼(3)内且与模型主体(1)连通，气体调节阀(12)及气体流量计(11)设置在通气管(10)上，力传感器(2)通过导线及数据采集仪(13)与数据终端(14)连接。

10.一种上述权利要求9所述实验系统的使用方法，包括如下步骤：

技术总结一种组合式通气航行体实验模型、实验系统及使用方法，属于海洋工程实验技术领域。本发明解决了现有的对于通气航行体的减阻设计中，通气组件及测力装置独立布置在航行体上的不同位置，易产生额外的阻力的问题。支撑翼固装在模型主体的顶部，力传感器通过连接组件固装在支撑翼的顶部，力传感器及连接组件均位于传感器安装孔内且力传感器的上部通过支撑片与盖板固接，连接组件的下表面与盖板的下表面位于同一水平面。将通气组件与测量航行体在航行过程中所受阻力的测力装置组合布置，将通气和测力两种需求结合在一起，既避免了外接管路对流场的影响，又能更为准确便捷地测量航行体在航行过程中的阻力。技术研发人员：熊骋望,郑晓涵,王诗平,戚翔,刘淳昊受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18