[发明专利]一种新型的空泡形态识别及水动力测量方法

摘要

一种新型的空泡形态识别及水动力测量方法，通过在带空泡航行体锥段以及柱段合理布置压力测点，在航行体运动中实时获取所有压力数据，根据回射压力范围，得到当前空泡回射位置，从而获取航行体运动过程中的空泡演变形态，识别空泡尾部沾湿深度，实时计算航行体尾部水动力参数。该方法能够在带空泡航行体运动全航程中实时识别空泡的生成、发展、演化特性，根据获得的空泡回射点位置及空泡形态，可以准确计算航行体当前的水动力参数。本项发明可以为带空泡航行体湖态试验中的空泡形态以及水动力提供测量方法。

主权项

一种新型的空泡形态识别及水动力测量方法，其特征在于步骤如下：(1)带空泡航行体包括空化器、锥段、柱段，空化器固定连接在锥段的锥头，锥段的锥尾与柱段固定连接；航行体在流体中进行运动时，依据势流理论，假设流体是理想、不可压和无旋的，忽略自由面效应，获得了航行体在运动过程中产生的空泡回射压力的理论公式如下：$P_{\max }=\mathrm{\ρ}(\frac{V^2}{2}+\frac{P_0}{\mathrm{\ρ}}+\mathrm{gh})$式中，P_max为回射压力，V为航行体运动速度，P₀为环境压力，ρ为水的密度，h为航行深度，g为重力加速度；(2)根据航行体在运动过程中运动速度V、航行深度h、重力加速度g、环境压力P₀，利用步骤(1)中的空泡回射压力的理论公式，计算运动过程中的空泡回射压力P_max；(3)根据步骤(2)中的空泡回射压力P_max，按照10％误差范围设定辨识空泡回射压力的范围；(4)利用流体动力学计算软件FLUENT，建立与带空泡航行体比例相同的航行体计算模型，对该航行体计算模型在运动中的空泡形态进行预示，空泡形态包括空泡闭合点位置；(5)根据步骤(4)中该航行体计算模型在运动中预示的空泡形态，在带空泡航行体上的空泡闭合点位置布置压力测点；(6)在带空泡航行体的锥段布置压力测点；(7)将步骤(5)、步骤(6)中的压力测点上的压力传感器接入带空泡航行体测试系统中，获取每个压力测点对应的压力数据；(8)依次判断步骤(7)中获取的步骤(5)中的压力测点的压力数据是否落入步骤(3)中的回射压力范围，如果该压力数据落入回射压力范围，则判定此压力数据对应的压力测点为航行体空泡回射位置，即空泡闭合点；(9)将步骤(8)中获得的空泡闭合点顺次连接，即得到航行体尾部空泡形态；(10)比较步骤(9)的航行体尾部空泡形态的空泡闭合点的轴向位置，取得距离空化器最近和最远的空泡闭合点，距离最近的空泡闭合点到距离最远的空泡闭合点沿航行体轴向的投影长度即为滑行区长度l，距离最近的空泡闭合点到距离最远的空泡闭合点沿垂直轴向的投影长度即为空泡尾部沾湿深度h；(11)根据步骤(10)中距离空化器最远的空泡闭合点位置和步骤(7)中获取的空泡内的压力，计算空泡半径R，公式如下：$R=\sqrt{3.659+0.847(\frac{x}{R_n}-2)-0.236\frac{P_0-P_C}{0.5{\mathrm{\ρV}}^2}{(\frac{x}{R_n}-2)}^2{R}_n}$式中，R_n为空化器半径，x为距离空化器最远的空泡闭合点的轴向位置，P_C为步骤(7)中获取的步骤(6)中的压力测点的压力数据；(12)根据步骤(9)中的滑行区长度l、空泡尾部沾湿深度h和步骤(11)中的空泡半径R，计算航行体尾部水动力参数F，公式如下：$F={\mathrm{\ρ\πR}}^2{V}^2\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}(1-{\left(\frac{2R-2r}{2R-2r+h}\right)}^2)\left(\frac{r+h}{r+2h}\right)$式中，r为带空泡航行体柱段半径，空泡尾部边缘与行形体底部边缘的夹角$\mathrm{\α}=a\tan \left(\frac{h}{l}\right).$