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多向自由发射空化机理综合实验平台

作者: 2019-10-14 来源:
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为了维护日益严峻的海洋权益,高速水下航行体是我国当前阶段工程研制与发展的重点。与之相关的高速水动力学问题,特别是非稳态空化、自由面、载荷与流动控制问题成为了水动力学这一经典基础学科的新的挑战、机遇与前沿,也是制约未来海上高速巡航、发射与突防技术发展的关键瓶颈。为此,中国科学院力学研究研制并建立多向自由发射空化机理综合实验平台,具体包括多向自由发射实验系统、约束发射实验系统、小型高速循环水洞实验系统、高速照明与摄像系统、时间分辨流场速度测量系统、实验平台测控系统。满足水翼、回转体、翼身融合体等典型模型发射需求,实现平行自由面高速非稳态空化流动、垂直-倾斜带空泡航行体出入水实验、自由面附近的高速空化流动实验、精细观察空泡形态演化特征,定量测量运动、受力、压力分布等特征,揭示自由面-非稳态空化相互作用机理,获得航行体变角度穿越自由面流动载荷特征与相似规律,探索流动控制效果,促进相关前沿科学研究达到世界先进水平,并为相关工程设计、型号发展及高速水动力学学科发展提供支撑。

1.向自由发射实验系统

多向自由发射系统是研究自由面附近高速水动力学问题的基础。如图所示,本系统建立了高速滑轨-可移动自由发射器,能够实现单向轨道控制、多种复杂构型发射、大角度出入水发射、通气流动控制模型发射等功能。系统能够发射直径≥37mm回转体模型、展长大于等于100mm水翼及翼身融合模型、通气流动控制模型,弹载测试模型,发射速度≥25m/s,出入水发射角度(-90°90°),为拓展研究提供条件。针对减压水箱真空与调节,满足高速运动需求的密封水箱系统,实验段长度≥1米,最小压力0.3个大气压,包括发射器有效接口,满足气压稳定控制与调节,通过调节压力实现稳定空化、云状空化、片状空化、初生空化等不同阶段流动特征的研究,以及雷诺数影响规律研究等工作。

 

航行体多向自由发射系统

 

霍普金森杆

高速滑轨

通气控制系统

电源控制箱

发射控制系统

下壁面调节器

实验样品

气瓶

2.约束发射实验系统

约束发射实验系统,为研究水面附近航行体空化流动特征及演化规律提供有效的实验手段。该实验系统包括高压驱动及反向支撑系统、磁力减速系统、透明水域环境、和及控制系统等。能够实现直径大于30 mm回转体及弦长大于100 mm水翼两种典型构型的发射需求;复现平行自由表面空化流动和±15°小角度穿越自由表面出水、入水等工况;发射速度大于40m/s,可实现通气空化与边界层减阻流动实验,有效测试距离不小于2m

 

约束发射实验系统

 

3. 小型高速循环水洞实验系统

小型高速循环水洞水动力学实验的一种设备,可用来研究边界层、尾流、湍流、空化等现象,以及水流与试验物体之间的作用力。该水洞实验系统主体由镇定段、收缩段、工作段、过渡段、扩散段、左上转角、左调压室、左立管、轴流泵、下水平段、右下转角、右立管、右上转角、右调压室等部件组成,可以分别控制水循环系统的流速和压力。工作段尺寸:150 mm×150 mm×750 mm,收缩比4:1,工作段水速:0-16 m/s,工作段压力:50-200 kPa绝对压力。

 

小型高速循环水洞

观测部分

 

4.高速照明与摄像系统

该系统主要用于空泡、自由面形态、航行体运动轨迹和流场图像观测,能够实现针对云状非稳定空泡的高分辨率观测,是物理机制分析的重要基础,也是例子图像测速系统建立的必要条件。系统能够完成流动图像采集,观测空泡与自由面流动性态、航行体运动状态等;也可用于测速流场图像采集,配合粒子图像测试相关系统,分辨率1280×800像素,相关图像曝光时间间隔小于5微秒,有效地提高物理场演化机制精细分析能力。

 

高速摄像系统

5.时间分辨流场速度测量系统

速度测试对于定量研究流场演化状态至关重要,是精细数值模拟方法验证与机理分析的基础。在本系统的高频双腔脉冲激光器照明系统和荧光粒子散步手段,配合分布式图像采集与图像分析技术,实现对于高速流动的高时间分辨率速度场测量,采样频率大于5 kHz,激光器照明功率10mJ@1kHz,脉冲与曝光时间间隔可调,小于5微秒,达到高时间分辨率条件下的连续速度场测量要求。

 

高时空流场速度测量系统

 

激光器

导光臂

激光器电源

6.实验平台测控系统

测控系统对高速水下发射实验系统的安全性、可靠性和有效性至关重要。该系统包括控制台数据采集与监控(LabC-45+PXI790)、实验时序与PLC控制系统(S7-300+Wincc)和弹载随体测量系统(DTS Slice Micro),采用分布式控制系统模式,满足水下发射实验时序控制与监控,保障试验数据的相互校验和完整。

 

合作研究及分析测试服务联系方式

王静竹,电话010-82544291

 

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