[发明专利]一种新型的空泡形态识别及水动力测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的空泡形态识别及水动力测量方法，属于水下带空泡航行体测量技术领域。

背景技术

对于带空泡航行体来说，在流体中运动时航行体表面会包裹空泡，利用这种空泡效应并产生主动超空泡可以给航行体营造出空气中飞行的环境，能较大的减阻并提高航行速度。超空泡技术走向应用的关键在于突破超空泡稳定控制技术，而稳定控制技术的前提是能够准确获取空泡的形态及空泡包裹航行体的水动力，作为超空泡航行体稳定控制技术的数据分析基础。

当航行体在流体中高速运动产生空泡时，空泡通常以回射流的形式闭合在航行体表面上，并在闭合位置处产生较高的回射压力。同时航行体表面空泡闭合位置一般不是固定的，其位置根据运动速度的变化、空泡压力的变化及重力场中的位置等因素在航行体表面发生快速移动，在非对称情况下，这种移动会引起航行体流体动力的非定常变化，进而影响航行体的稳定性。因此需要准确识别航行体的空泡形态，确定空泡尾部闭合位置，有利于水下航行体的稳定控制。水下超空泡航行体实现闭环控制的前提是掌握比较准确的超空泡水动力参数，包括空化器水动力及后体水动力参数。在航行过程中空泡非定常演变、航行体运动及姿态参数实时变化，而这些导致后体水动力参数实时变化，软件仿真无法预测，需要航行过程中实时空泡测量，以实现后体水动力参数的测量和解算。

近年来，在空泡形态特性方面进行的研究集中在数值仿真和低速水洞方面，而在超空泡航行体运动过程中空泡形态的测量技术以及流体动力的实时获取等方面研究尚且欠缺。在低速水洞试验研究方面空泡形态识别的方法主要依靠高速摄影等外测手段进行测量，高速摄影技术受到光线强度的限制以及水、玻璃等介质直射的影响，很难准确获得超空泡形态图像。并且由于布设的难度水下光源限制等因素，高速摄影技术很难在大尺寸自由飞试验中获取多个测试数据，因此航行体运动中空泡形态的获取成为了极大的难题。

《超空泡形态参数的测量及参数可视化研究》文献为准确获得超空泡的外形特点，展示空泡生灭过程，对超空泡形态的相关参数测量和参数可视化展开了研究。《超空泡试验中的数字图像检测》文献应用现代数字图像分析理论，总结出一套超空泡水洞实验中应用的自动图像获取技术，使用该方法能够自动获取高速摄像图像中的空泡外形和振动周期等参数。《针对超空泡的图像增强和边缘检测技术》文献在超空泡模拟实验环境的基础上，为了高精度的获取超空泡的外形边界，对超空泡实验中的图像增强和边缘检测技术展开研究。《水下航行体通气超空泡形态及阻力特性试验研究》文献利用中速空泡水洞开展了通气超空泡试验，对通气超空泡形态及阻力特性进行了研究。

上述文献中，均主要采用高速摄影手段获取空泡形态，从影响空泡图像质量的因素入手，采用相关的图像处理技术辨识空泡形态，但在超空泡航行体运动过程中，受高速摄像安装难度和拍摄范围限制，很难获得全航程下空泡形态及航行体水动力特性，并且高速摄像设备无法安装到航行体内部，测量的图像数据不能实时发送到控制系统，无法实现带空泡航行体的闭环控制。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有测量方法的上述不足，提出一种新型的空泡形态识别及水动力测量方法，本发明依据势流理论，合理设计布置航行体表面压力测点，捕捉航行体表面回射压力，能够在带空泡航行体运动全航程中识别空泡的生成发展演化特性，并基于空泡形态闭合点位置，准确获得航行体全航程的流体动力试验数据，解决了运动中带空泡航行体空泡形态、水动力实时测量的难题，对于航行体闭环控制起到促进作用。

本发明解决的技术方案为：一种新型的空泡形态识别及水动力测量方法，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：