橢球體純升沉、純俯仰運(yùn)動(dòng) 水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)

1、潛艇潛器設(shè)計(jì)原理實(shí)驗(yàn)橢球體純升沉、純俯仰運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)一、試驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^對(duì)規(guī)則形體（橢球體）在循環(huán)水槽均勻來流中做拘束的純升沉和純俯仰運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力試驗(yàn)，熟悉潛器操縱性水動(dòng)力試驗(yàn)的一般原理，試驗(yàn)方法和公式應(yīng)用，掌握橢球體水動(dòng)力系數(shù)的推導(dǎo)和測(cè)量過程，了解操縱性試驗(yàn)儀器設(shè)備的使用方法。二、試驗(yàn)設(shè)備1、水平型循環(huán)水槽穩(wěn)流工作段尺寸：長(zhǎng)度（m）7寬度（m）1.7深度（m）1.5流速范圍：0.3m/s2.0m/s2、垂直型小振幅平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（Planar Motion Mechanism, PMM）1、平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)75423161步進(jìn)電機(jī)；2齒輪箱；3偏心機(jī)構(gòu)；4光電控制裝置；5限位軸承；6偏航角調(diào)節(jié)滑軌；

2、7振幅調(diào)節(jié)滑塊；71234561步進(jìn)電機(jī)；2齒輪箱；3偏心機(jī)構(gòu)；4光電控制裝置；5限位軸承；6偏航角調(diào)節(jié)滑軌；7振蕩桿；機(jī)構(gòu)參數(shù)：振幅范圍（mm）0100振蕩頻率范圍（Hz）0.051兩桿跨距（mm）4003、測(cè)力系統(tǒng)：（1）六分力水密天平六分力水密天平（2）PMM測(cè)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4、橢球體模型：根據(jù)相同排水體積的水質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算。幾何尺寸縱軸（mm）750橫軸（mm）125垂直軸（mm）125質(zhì)量（kg）6.136中心位置縱向（mm）375橫向（mm）62.5垂向（mm）62.5轉(zhuǎn)動(dòng)慣量縱向（）0.009588橫向（）0.177369垂向（）0.177369三、試驗(yàn)條件流速選定：水動(dòng)力

3、模型試驗(yàn)要求模型的Re數(shù)超過臨界Re數(shù)，即模型與實(shí)艇進(jìn)入自模階段。為了衡量湍流脈動(dòng)量的大小，通常引入湍流度的概念。以平均速度為的均勻來流（湍流）為例，定義為湍流度，式中、分別為來流中脈動(dòng)速度的三個(gè)分量。在繞物體的流動(dòng)中，邊界層內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)捩以及流動(dòng)分離不僅取決于來流的Re數(shù)，而且依賴于來流的湍流度、壁面粗糙度以及外部主流的壓力梯度，因此風(fēng)洞或水洞試驗(yàn)段的來流湍流度對(duì)邊界層、阻力和升力的試驗(yàn)都有很大影響，要盡可能降低的值。由于水槽中的湍流度較大，一般為1.22.0%，下圖中湍流度對(duì)平板臨界Recr數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)=1.22.0%時(shí)，Recr。引自水平型循環(huán)水槽的水動(dòng)力性能-丁正良表1試驗(yàn)流

4、速及臨界Re數(shù)判定來流速度（m/s）Re數(shù)臨界數(shù)1.06四、試驗(yàn)原理1、純升沉試驗(yàn)圖4.1 升沉試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)原理圖目的：測(cè)量橢球體垂直面的水動(dòng)力系數(shù)，兩支桿按相同頻率（），相同振幅（），相位差為零作正弦振蕩，驅(qū)動(dòng)模型在水流中垂直平面內(nèi)作正弦升沉，模型的縱傾角始終為零。兩支桿端部的垂向位移式中支桿的振蕩圓頻率，即偏心輪的角速度（rad/s）振幅。模型純升沉運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：縱傾角垂向速度垂向加速度模型作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，升沉速度和升沉加速度相位差為，即速度達(dá)到最大幅值時(shí)加速度為零，加速度達(dá)到最大幅值時(shí)速度為零。同時(shí)模型受到的拘束力和力矩亦是簡(jiǎn)諧的，只是和運(yùn)動(dòng)有相位差。測(cè)得升沉運(yùn)動(dòng)模型驅(qū)動(dòng)力簡(jiǎn)諧時(shí)歷曲線，驅(qū)

5、動(dòng)力矩為，根據(jù)垂直面運(yùn)動(dòng)一般方程，純升沉運(yùn)動(dòng)線性方程為：代入運(yùn)動(dòng)參數(shù)，運(yùn)動(dòng)方程寫為測(cè)力系統(tǒng)測(cè)得的拘束力（矩）包括三部分：（1）與支桿振蕩位移同相位的流體慣性力（矩）（2）與支桿振蕩位移相位正交的阻尼力（矩）（3）常量部分（即零升力和零力矩：）。根據(jù)運(yùn)動(dòng)分解受力，用下標(biāo)表示同相分量，用對(duì)表示正交分量：對(duì)應(yīng)項(xiàng)系數(shù)相等，并且保證項(xiàng)對(duì)應(yīng)升沉加速度峰值，對(duì)應(yīng)升沉速度峰值，則水動(dòng)力系數(shù)計(jì)算公式為試驗(yàn)步驟：1、 開啟平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制采集軟件，選擇工況【純升沉】、【純俯仰】，輸入文件名：TQV*A*F*-*格式，其中V后用流速代替，A后用振幅代替，F(xiàn)后用當(dāng)前頻率代替?！?”后用當(dāng)前試驗(yàn)次數(shù)代替，一般每組工況試

6、驗(yàn)兩次。2、 輸入模型質(zhì)量，長(zhǎng)度等屬性，流速，振幅，選擇振蕩頻率，輸入偏移角A電機(jī)42.5，B電機(jī)147.2。點(diǎn)擊保存。3、 點(diǎn)擊【工況控制】選項(xiàng)卡，A,B電機(jī)分別歸零，待電機(jī)停止后A，B分別偏移，待兩電機(jī)停止后點(diǎn)擊啟動(dòng)，4、 點(diǎn)擊【采集】選項(xiàng)卡，依次點(diǎn)擊【復(fù)位】-【采集】，采集滿20個(gè)周期后點(diǎn)擊確定，并點(diǎn)擊【入庫(kù)處理】，將采集受力時(shí)歷進(jìn)行相位分解。點(diǎn)擊【電機(jī)停止】。5、 在船模系統(tǒng)文件夾下找到采集的數(shù)據(jù)，記錄到試驗(yàn)報(bào)告中。6、 修改振蕩頻率，啟動(dòng)電機(jī)，重復(fù)4,5步操作。7、 試驗(yàn)結(jié)束，電機(jī)停止。關(guān)閉軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)。試驗(yàn)時(shí)注意采集受力幅值數(shù)據(jù)可能對(duì)應(yīng)速度或加速度的峰值，也可能對(duì)應(yīng)速度或加速度的谷

7、值，如果是后者需要對(duì)采集數(shù)據(jù)取負(fù)。根據(jù)當(dāng)前升沉速度或加速度為橫坐標(biāo)，受力幅值為縱坐標(biāo)繪制試驗(yàn)曲線，曲線斜率為，項(xiàng)值，代入公式求解垂直面運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力系數(shù)值，。2、純俯仰運(yùn)動(dòng)圖4.2 俯仰試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)原理圖目的：測(cè)量橢球體垂直面的水動(dòng)力系數(shù)，純俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，模型中心點(diǎn)（測(cè)力點(diǎn)）在垂向簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證模型迎流方向與中心軌跡曲線相切，從而使得任意時(shí)刻模型攻角、模型連體坐標(biāo)系的垂向位移，速度與加速度均為零（）。于是模型俯仰角軌跡當(dāng)來流速度，中心處橫蕩速度。當(dāng)俯仰角度較小時(shí)一階近似為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。兩支桿處距模型縱向中心點(diǎn)處的速度為：（為兩桿間距的一半）前桿振蕩速度后桿振蕩速度兩桿亦是同頻率，同振幅但有相位差的

8、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，相位差（后桿對(duì)于前桿的滯后角）滿足：模型中心處的振蕩速度：模型中心振幅：桿的振幅：模型的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為俯仰角俯仰角速度俯仰角加速度模型縱向速度設(shè)前后支桿拘束合力為，。根據(jù)垂直面運(yùn)動(dòng)一般方程模型作純俯仰運(yùn)動(dòng)線性方程為：由于俯仰角速度的平方為二階小量，忽略項(xiàng)。代入模型運(yùn)動(dòng)參數(shù)純俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)測(cè)得的簡(jiǎn)諧拘束力和力矩分解為三部分（1）與俯仰角位移（角加速度）同相位的部分計(jì)作in項(xiàng)；（2）與俯仰角位移正交（角速度同相位）部分計(jì)作out項(xiàng)；（3）常量部分。對(duì)應(yīng)項(xiàng)系數(shù)相等，并保證，項(xiàng)對(duì)應(yīng)角加速度峰值，對(duì)應(yīng)角速度峰值：得到試驗(yàn)步驟：1、 開啟平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制采集軟件，選擇工況【純升沉】或【純俯仰】，輸入文件

9、名：TQV*A*F*-*格式，其中V后用流速代替，A后用振幅代替，F(xiàn)后用當(dāng)前頻率代替?！?”后用當(dāng)前試驗(yàn)次數(shù)代替，一般每組工況試驗(yàn)兩次。2、 輸入模型質(zhì)量，長(zhǎng)度等屬性，流速，振幅，選擇振蕩頻率，通過程序計(jì)算支桿滯后角，并將（42.5-滯后角）輸入偏移角A電機(jī)，B電機(jī)輸入147.2。點(diǎn)擊保存。3、 點(diǎn)擊【工況控制】選項(xiàng)卡，A,B電機(jī)分別歸零，待電機(jī)停止后點(diǎn)擊A，B分別偏移，待兩電機(jī)停止后點(diǎn)擊啟動(dòng)，4、 點(diǎn)擊【采集】選項(xiàng)卡，依次點(diǎn)擊【復(fù)位】-【采集】，采集滿20個(gè)周期后點(diǎn)擊確定，并點(diǎn)擊【入庫(kù)處理】，將采集受力時(shí)歷進(jìn)行相位分解。點(diǎn)擊【電機(jī)停止】。5、 在船模系統(tǒng)文件夾下找到采集的數(shù)據(jù)，記錄到試驗(yàn)報(bào)告

10、中。注意純俯仰數(shù)據(jù)需要保存的in項(xiàng)和out項(xiàng)相反，即文件中的in項(xiàng)對(duì)應(yīng)報(bào)告中的out項(xiàng)，文件中的out項(xiàng)對(duì)應(yīng)報(bào)告中的in項(xiàng)。6、 修改振蕩頻率，啟動(dòng)電機(jī)，重復(fù)4,5步操作。7、 試驗(yàn)結(jié)束，電機(jī)停止。關(guān)閉軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)。試驗(yàn)時(shí)注意采集受力幅值數(shù)據(jù)可能對(duì)應(yīng)速度或加速度的峰值，也可能對(duì)應(yīng)速度或加速度的谷值，如果是后者需要對(duì)采集數(shù)據(jù)取負(fù)。根據(jù)當(dāng)前升沉速度或加速度為橫坐標(biāo)，受力幅值為縱坐標(biāo)繪制試驗(yàn)曲線，曲線斜率為，項(xiàng)值，代入公式求解垂直面運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力系數(shù)值，。五、模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄處理表1.1 升沉運(yùn)動(dòng)受力記錄表（航速 1.06 ，振幅0.02 ）升沉頻率（Hz）（N）（N）（Nm）（Nm）0.20 0.0

11、315830.0251333.6852-1.44650.138-1.01440.25 0.0493480.0314164.3555-2.1730.0734-1.29960.30 0.0710610.0376997.355-1.46560.2591-1.41880.35 0.0967220.0439828.8724-2.30610.095-1.68320.40 0.1263310.05026512.5642-1.43940.5275-1.6374表2.1 俯仰運(yùn)動(dòng)受力記錄表（航速1.06）俯仰頻率（Hz）俯仰振幅（rad）（N）（N）（Nm）（Nm）0.20 0.023280.0367620.0

12、292551.69670.3835-0.19990.3130.25 0.028660.0707160.0450192.25810.958-0.00060.34840.30 0.033790.1200580.0636933.06322.10310.33460.50630.35 0.038640.1868670.0849744.15483.80550.740.81450.40 0.043180.2727480.1085235.33474.20121.3250.785純升沉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理：試驗(yàn)工況給定流速為1.06m/s，升沉運(yùn)動(dòng)幅值保持不變，改變運(yùn)動(dòng)頻率進(jìn)而改變模型升沉運(yùn)動(dòng)的速度和加速度幅值。流速為

13、1.06m/s驅(qū)動(dòng)力，其無(wú)因次化導(dǎo)數(shù)流速為1.06m/s驅(qū)動(dòng)力，其無(wú)因次化導(dǎo)數(shù)流速為1.06m/s驅(qū)動(dòng)力矩，其無(wú)因次化導(dǎo)數(shù)流速為1.06m/s驅(qū)動(dòng)力，其無(wú)因次化導(dǎo)數(shù)其中：-為水密度（）-為模型的特征長(zhǎng)度（m）-模型航速，即循環(huán)水槽流速（m/s）表1 純升沉試驗(yàn)水動(dòng)力系數(shù)值Table1 Hydrodynamic characteristics of pure heave motion流速（m/s）1.06純俯仰運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)處理：試驗(yàn)時(shí)給定流速為1.06m/s，拘束桿升沉幅值。系列改變振蕩頻率，據(jù)當(dāng)前流速和運(yùn)動(dòng)頻率選取拘束桿相位角，進(jìn)而改變俯仰角速度和角加速度幅值。定流速為1.06m/s驅(qū)動(dòng)力，其無(wú)因次化導(dǎo)數(shù)定流速為1.06m/s驅(qū)動(dòng)力，其無(wú)因次化導(dǎo)數(shù)定流速為1.06m/s驅(qū)動(dòng)力，其無(wú)因次化導(dǎo)數(shù)定流速為1.06m/s驅(qū)動(dòng)力，其無(wú)因次化導(dǎo)數(shù)其中：-為水密度（）-為模型的特征長(zhǎng)度（m）-模型航速，即循環(huán)水槽流速（m/s）表2 純俯仰試驗(yàn)水動(dòng)力系數(shù)值Table2 Hydrodynamic characteristics of pure pitch motion流速（m/s）1.06六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與誤差分析實(shí)驗(yàn)總結(jié)：通過實(shí)驗(yàn)，我認(rèn)識(shí)和了解了實(shí)驗(yàn)水池平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和