本發(fā)明涉及一種流體動(dòng)力學(xué)水洞實(shí)驗(yàn)裝置，具體涉及一種繞頭部俯仰擺動(dòng)的超空泡航行體水洞實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

液體流場(chǎng)中某一區(qū)域的壓強(qiáng)降低到液體氣化壓力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。超空泡航行體借助航行體周圍水介質(zhì)形成包裹彈體的空泡，減少航行體表面的沾濕面積即減小了航行體的摩擦阻力，提高了航行體的速度和航程。航行體運(yùn)動(dòng)過程中受重力的作用航行在空泡內(nèi)存在騎行、滑行和拍擊三種運(yùn)動(dòng)方式。探索航行體在空泡內(nèi)運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性，成為當(dāng)前各國(guó)研究超空泡武器的焦點(diǎn)。

水洞是一種以水為工作介質(zhì)的主要用于流體動(dòng)力學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。而航行體縮比模型水洞實(shí)驗(yàn)是水下航行體流體動(dòng)力特性研究的重要手段，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水下運(yùn)動(dòng)體的前期探究和基本數(shù)據(jù)的測(cè)試。諸多學(xué)者已經(jīng)對(duì)航行體在空泡內(nèi)騎行和滑行的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了大量的水洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真研究，得到許多關(guān)于流體結(jié)構(gòu)變化規(guī)律和流體動(dòng)力特性。但是航行體運(yùn)動(dòng)過程常常會(huì)有拍擊運(yùn)動(dòng)即尾拍現(xiàn)象，目前對(duì)這一實(shí)際科學(xué)問題探究的還不成熟，主要受在高速運(yùn)行的封閉式循環(huán)水洞中航行體繞其頭部俯仰擺動(dòng)時(shí)密封問題、傳感器電纜固定和密封、航行體擺動(dòng)攻角、擺動(dòng)周期等因素的限制，沒有一套完善的可以解決上述問題的實(shí)驗(yàn)裝置，幾乎沒有對(duì)水下航行體進(jìn)行拍擊運(yùn)動(dòng)的水洞實(shí)驗(yàn)的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有水洞設(shè)備在尾部支撐情況下只能進(jìn)行固定攻角，或者實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠@尾部固定支點(diǎn)小幅運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，不能準(zhǔn)確反映水下航行體拍擊運(yùn)動(dòng)的實(shí)際物理問題，而提出一種繞頭部俯仰擺動(dòng)的超空泡航行體水洞實(shí)驗(yàn)裝置。

本發(fā)明的一種繞頭部俯仰擺動(dòng)的超空泡航行體水洞實(shí)驗(yàn)裝置，其組成包括無極偏心飛輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、搖臂機(jī)構(gòu)、側(cè)支撐、尾部支撐、水洞主體、水洞內(nèi)側(cè)板、擴(kuò)展槽蓋板、Z形擴(kuò)展槽框體和限位片；

無極偏心飛輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括飛輪、螺桿、電機(jī)、絲杠調(diào)節(jié)器、絲杠鎖緊器、絲杠、偏心支臺(tái)、兩個(gè)止推軸承座、兩個(gè)止推軸承壓蓋和兩個(gè)絲杠鎖緊蓋，飛輪的一側(cè)端面設(shè)有倒T型槽，飛輪的另一側(cè)端面設(shè)有電機(jī)安裝筒，電機(jī)與電機(jī)安裝筒連接，絲杠和偏心支臺(tái)均設(shè)置在倒T型槽中，且絲杠與偏心支臺(tái)螺紋連接，絲杠的兩端分別支撐在相應(yīng)的止推軸承座中，每個(gè)止推軸承座的內(nèi)側(cè)設(shè)置有止推軸承壓蓋，每個(gè)止推軸承座的外側(cè)設(shè)置有絲杠鎖緊機(jī)構(gòu)蓋，絲杠的一端與絲杠調(diào)節(jié)器連接，絲杠鎖緊器與絲杠調(diào)節(jié)器連接，絲杠鎖緊器和絲杠調(diào)節(jié)器均設(shè)置在絲杠鎖緊蓋中，螺桿與偏心支臺(tái)螺紋連接，飛輪的上端面且位于倒T型槽的邊緣設(shè)有偏心距刻度；

搖臂機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)擺臂、軸承支座和從動(dòng)擺臂，驅(qū)動(dòng)擺臂和從動(dòng)擺臂分別固裝在軸承支座的兩端，驅(qū)動(dòng)擺臂的輸入端一側(cè)設(shè)有長(zhǎng)孔；

水洞主體的兩側(cè)壁分別設(shè)有觀察窗口，水洞內(nèi)側(cè)板設(shè)置在觀察窗口中，Z形擴(kuò)展槽框體設(shè)置在水洞內(nèi)側(cè)板的外側(cè)，擴(kuò)展槽蓋板設(shè)置在Z形擴(kuò)展槽框體的外側(cè)，水洞內(nèi)側(cè)板、擴(kuò)展槽蓋板和Z形擴(kuò)展槽框體圍合的腔體為擴(kuò)展槽，從動(dòng)擺臂設(shè)置在擴(kuò)展槽中，軸承支座設(shè)置在擴(kuò)展槽蓋板的外側(cè)，且軸承支座上的法蘭與擴(kuò)展槽蓋板固接，驅(qū)動(dòng)擺臂的長(zhǎng)孔與螺桿連接，尾部支撐縱向設(shè)置在水洞主體中，側(cè)支撐7橫向設(shè)置在水洞主體中，側(cè)支撐的一端與尾部支撐固接，側(cè)支撐的另一端與從動(dòng)擺臂固接，兩個(gè)限位片對(duì)稱固裝在從動(dòng)擺臂的兩側(cè)，且限位片靠近側(cè)支撐7一端。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

一、本發(fā)明克服了現(xiàn)有水洞實(shí)驗(yàn)條件的不足，實(shí)現(xiàn)了水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠@彈體頭連續(xù)俯仰擺動(dòng)。當(dāng)偏心支臺(tái)處于飛輪中心時(shí)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)軸中心高度并修正安裝誤差，可以滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)不同固定攻角的需要?；谝汛_定的固定攻角，計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛽u擺運(yùn)動(dòng)需要的攻角對(duì)應(yīng)的偏心距，調(diào)節(jié)偏心支臺(tái)的偏心距，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵栽摴潭üソ菫槠胶馕恢玫睦@實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖^部轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰擺動(dòng)。

二、本發(fā)明可以使水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠@其頭部轉(zhuǎn)動(dòng)，且可以在水洞外調(diào)節(jié)和測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸ソ恰１景l(fā)明的主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在水洞內(nèi)蓋板之外，不破壞原有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

三、本發(fā)明在已有水洞的基礎(chǔ)上只需要曾設(shè)擴(kuò)展槽即可，不會(huì)破會(huì)水洞工作段流體動(dòng)力特性，尤其是對(duì)于尺度較小的水洞。本發(fā)明使用靈活，只需一次性安裝實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?，通過調(diào)節(jié)電機(jī)軸中心高度，可以獲得不同固定攻角的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停苊饬朔磸?fù)拆卸安裝實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸ぷ?，且使用水平儀直接從水洞外測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸ソ牵岣吡斯ソ菧y(cè)量的精度。

四、調(diào)節(jié)偏心支臺(tái)的偏心距，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠@彈體頭部連續(xù)性擺動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，為水洞進(jìn)行水下航行體尾拍實(shí)驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。同時(shí)通過調(diào)節(jié)電機(jī)軸中心高度和偏心支臺(tái)的偏心距組合，可保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛦蝹?cè)連續(xù)擺動(dòng)。

五、尾支撐桿長(zhǎng)度連續(xù)可調(diào)，不僅保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念^部在擺動(dòng)中心，而且適用不同長(zhǎng)度的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)立體圖，圖中模型彈體24頭部為迎流面方向。

圖2是無極偏心飛輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的立體圖；

圖3是軸承支座4的主剖視圖，圖中26為TC骨架型密封圈；

圖4是驅(qū)動(dòng)擺臂3與中心軸4-2的連接關(guān)系示意圖；

圖5是驅(qū)動(dòng)擺臂3的結(jié)構(gòu)主視圖；

圖6是尾部支撐8的主剖視圖；

圖7是水洞主體10的立體圖；

圖8是Z形擴(kuò)展槽框體9的立體圖；

圖9是當(dāng)驅(qū)動(dòng)擺臂3與從動(dòng)擺臂5無法保證水平位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)擺臂3與水平線N-N形成角度θ₁，從動(dòng)擺臂5與水平線N-N形成角度θ₂的原理示意圖，從該圖可知：θ₁與θ₂的差值Δθ，即Δθ＝θ₁-θ₂；

圖10是當(dāng)驅(qū)動(dòng)擺臂3在水平位置、從動(dòng)擺臂5不在水平位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)擺臂3的角度θ₁與從動(dòng)擺臂5角度θ₂形成的差值Δθ(即模型攻角)的修正原理示意圖；

圖11是當(dāng)模型彈體24安裝在尾部支撐8上時(shí)，若模型彈體24頭部中心不在中心軸(4-2)中心即不在擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)中心時(shí)，通過調(diào)節(jié)支撐外套管8-3和固定桿8-1螺紋的旋合長(zhǎng)度，保證模型彈體24頭部在擺動(dòng)中心的原理示意圖；

圖12是調(diào)節(jié)偏心支臺(tái)21的偏心距Δr應(yīng)滿足：Δr＝l tanθ。θ、α、β、θ₁、Δθ的相互位置關(guān)系的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1～圖8說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括無極偏心飛輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、搖臂機(jī)構(gòu)、側(cè)支撐7、尾部支撐8、水洞主體10、水洞內(nèi)側(cè)板11、擴(kuò)展槽蓋板13、Z形擴(kuò)展槽框體9和限位片12；

無極偏心飛輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括飛輪1、螺桿2、電機(jī)6、絲杠調(diào)節(jié)器15、絲杠鎖緊器16、絲杠20、偏心支臺(tái)21、兩個(gè)止推軸承座17、兩個(gè)止推軸承壓蓋18和兩個(gè)絲杠鎖緊蓋19，飛輪1的一側(cè)端面設(shè)有倒T型槽1-1，飛輪1的另一側(cè)端面設(shè)有電機(jī)安裝筒1-2，電機(jī)6與電機(jī)安裝筒1-2連接，絲杠20和偏心支臺(tái)21均設(shè)置在倒T型槽1-1中，且絲杠20與偏心支臺(tái)21螺紋連接，絲杠20的兩端分別支撐在相應(yīng)的止推軸承座17中，每個(gè)止推軸承座17的內(nèi)側(cè)設(shè)置有止推軸承壓蓋18，每個(gè)止推軸承座17的外側(cè)設(shè)置有絲杠鎖緊機(jī)構(gòu)蓋19，絲杠20的一端與絲杠調(diào)節(jié)器15連接，絲杠鎖緊器16與絲杠調(diào)節(jié)器15連接，絲杠鎖緊器16和絲杠調(diào)節(jié)器15均設(shè)置在絲杠鎖緊蓋19中，通過絲杠調(diào)節(jié)器15調(diào)節(jié)偏心支臺(tái)21的偏心距，通過絲杠鎖緊器16鎖死絲杠20，可以獲得不同偏心距的，螺桿2與偏心支臺(tái)21螺紋連接，飛輪1的上端面且位于倒T型槽1-1的邊緣設(shè)有偏心距刻度22；

搖臂機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)擺臂3、軸承支座4和從動(dòng)擺臂5，驅(qū)動(dòng)擺臂3和從動(dòng)擺臂5分別固裝在軸承支座4的兩端，驅(qū)動(dòng)擺臂3的輸入端一側(cè)設(shè)有長(zhǎng)孔3-1；

水洞主體10的兩側(cè)壁分別設(shè)有觀察窗口10-1，水洞內(nèi)側(cè)板11設(shè)置在觀察窗口10-1中，Z形擴(kuò)展槽框體9設(shè)置在水洞內(nèi)側(cè)板11的外側(cè)，擴(kuò)展槽蓋板13設(shè)置在Z形擴(kuò)展槽框體9的外側(cè)，水洞內(nèi)側(cè)板11、擴(kuò)展槽蓋板13和Z形擴(kuò)展槽框體9圍合的腔體為擴(kuò)展槽14，從動(dòng)擺臂5設(shè)置在擴(kuò)展槽14中，軸承支座4設(shè)置在擴(kuò)展槽蓋板13的外側(cè)，且軸承支座4上的法蘭與擴(kuò)展槽蓋板13固接，驅(qū)動(dòng)擺臂3的長(zhǎng)孔3-1與螺桿2連接，尾部支撐8縱向設(shè)置在水洞主體10中，側(cè)支撐7橫向設(shè)置在水洞主體10中，側(cè)支撐7的一端與尾部支撐8固接，側(cè)支撐7的另一端與從動(dòng)擺臂5固接，兩個(gè)限位片12對(duì)稱固裝在從動(dòng)擺臂5的兩側(cè)，且限位片12靠近側(cè)支撐7一端。限位片12用于防止從動(dòng)擺臂5前后偏移量過大。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，若不需要驅(qū)動(dòng)擺臂3和從動(dòng)擺臂5擺動(dòng)，根據(jù)飛輪1上的刻度，通過絲杠調(diào)節(jié)器15旋轉(zhuǎn)絲杠20，將偏心支臺(tái)21調(diào)至飛輪1圓盤中心處并通過絲杠鎖緊器16將絲杠20鎖緊，這樣可以獲得固定攻角的模型彈體24。當(dāng)需要攻角時(shí)，調(diào)節(jié)電機(jī)6的軸心高度并通過測(cè)量驅(qū)動(dòng)擺臂3角度獲得模型彈體24攻角。同理需要實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷楏w24連續(xù)擺動(dòng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)偏心支臺(tái)21的偏心距來實(shí)現(xiàn)。

組裝時(shí)，確保驅(qū)動(dòng)擺臂3和從動(dòng)擺臂5能夠同時(shí)在水平位置，若無法保證，則記錄驅(qū)動(dòng)擺臂3的角度θ₁和從動(dòng)擺臂5角度θ₂的差Δθ，即Δθ＝θ₁-θ₂；見圖9和圖10。

具體實(shí)施方式二：結(jié)合圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的軸承支座4包括軸承外套4-1、中心軸4-2、軸承端蓋4-3和兩個(gè)滾珠軸承4-4，兩個(gè)滾珠軸承4-4分別套裝在中心軸4-2兩端的軸肩處，軸承外套4-1套裝在兩個(gè)滾珠軸承4-4的上，軸承外套4-1的一端固裝有軸承端蓋4-3，軸承外套4-1的另一端設(shè)置有法蘭4-5。中心軸4-2與擴(kuò)展槽蓋板13之間采用TC骨架型密封圈密封。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖4說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的所述中心軸4-2上且與驅(qū)動(dòng)擺臂3連接處設(shè)有圓錐連接面4-2-1，驅(qū)動(dòng)擺臂3上設(shè)有與圓錐連接面4-2-1相配合的圓錐凹槽3-2，驅(qū)動(dòng)擺臂3與中心軸4-2通過螺釘23連接。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式二相同。

具體實(shí)施方式四：結(jié)合圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的尾部支撐8包括固定桿8-1、支桿螺母8-2、支撐外套管8-3、外套管螺母8-4、支撐桿8-5，支撐桿8-5和固定桿8-1沿同一中心線布置，支撐外套管8-3的一端與支撐桿8-5螺紋連接，支撐外套管8-3的另一端與固定桿8-1螺紋連接，外套管螺母8-4設(shè)置在支撐外套管8-3的后端，外套管螺母8-4與固定桿8-1螺紋連接，側(cè)支撐7和支桿螺母8-2由里至外依次套裝在固定桿8-1的后端，且支桿螺母8-2與固定桿8-1螺紋連接。外套管螺母8-4完全旋合進(jìn)固定桿8-1時(shí)，尾部支撐8尾支撐的長(zhǎng)度最短，當(dāng)模型彈體24安裝在該狀態(tài)的尾部支撐8上時(shí)，若模型彈體24頭部中心不在中心軸4-2(如圖11所示)中心即不在擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)中心時(shí)，通過調(diào)節(jié)支撐外套管8-3和固定桿8-1螺紋的旋合長(zhǎng)度，保證模型彈體24頭部在擺動(dòng)中心。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式一、二或三相同。

具體實(shí)施方式五：結(jié)合圖6說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的支撐桿8-5的前端沿中心孔設(shè)有安裝錐孔8-5-1，安裝錐孔8-5-1的里端直徑小于外端直徑。不同的模型彈體24只要加工相應(yīng)的是配件就可以與安裝錐孔8-5-1配合，以完成搖擺實(shí)驗(yàn)。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式四相同。

本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)步驟：

步驟一、測(cè)量電機(jī)安裝筒1-2軸心到軸承支座4軸心的距離l，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要的擺動(dòng)攻角θ計(jì)算得到偏心距Δr，Δr＝l tanθ。通過絲杠調(diào)節(jié)器15調(diào)節(jié)偏心支臺(tái)21的偏心距等于Δr，并通過絲杠鎖緊器16將絲杠20鎖死；

步驟二、通過調(diào)節(jié)電機(jī)6轉(zhuǎn)速至實(shí)驗(yàn)需求的擺動(dòng)頻率，這樣可以實(shí)現(xiàn)水下航行體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?4在指定擺動(dòng)攻角和擺動(dòng)頻率條件下做平衡位置等于0°并繞模型的頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)；

實(shí)驗(yàn)如果需要做固定攻角θ的實(shí)驗(yàn)，重復(fù)上述步驟，并參考飛輪1上的刻度值將偏心支臺(tái)21調(diào)節(jié)至其中心。然后基于水平位置的電機(jī)6，根據(jù)調(diào)節(jié)電機(jī)安裝筒1-2軸心高度，調(diào)節(jié)電機(jī)安裝筒1-2軸心高度差Δd可以通過上述計(jì)算偏心距公式計(jì)算初步結(jié)果，再細(xì)微調(diào)節(jié)；使用水平測(cè)量?jī)x測(cè)量驅(qū)動(dòng)擺臂3的角度θ₁，通過公式θ₁-Δθ＝θ修正后得到從驅(qū)動(dòng)擺臂5的角度θ₂即實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷墓ソ铅?。調(diào)高調(diào)節(jié)電機(jī)安裝筒1-2軸心高度，模型彈體24可以獲得正攻角α，見圖11；同理可得，調(diào)低電機(jī)安裝筒1-2軸心高度，模型彈體24可以獲得負(fù)攻角β，見圖11。這樣可以實(shí)現(xiàn)固定攻角的水下航行體模型試驗(yàn)。

基于上述設(shè)定的固定攻角θ，通過計(jì)算偏心距公式計(jì)算出偏心距Δr。松開絲杠鎖緊器16，通過絲杠調(diào)節(jié)器15調(diào)節(jié)偏心支臺(tái)21的偏心距等于Δr，可以得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ推胶馕恢玫扔讦冉嵌?，?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屠@彈體頭部轉(zhuǎn)動(dòng)擺動(dòng)。當(dāng)攻角θ為負(fù)(正)攻角時(shí)，通過上述設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)角度全為負(fù)(正)攻角的擺動(dòng)。

若實(shí)驗(yàn)需要實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)攻角θ，且擺動(dòng)主要為正攻角α，一部分為負(fù)攻角β，其中α+β＝θ。重復(fù)上述調(diào)節(jié)電機(jī)軸中心高度的步驟，保證驅(qū)動(dòng)擺臂的攻角θ₁滿足：θ₁-Δθ＝α.如圖12所示，調(diào)節(jié)偏心支臺(tái)21的偏心距Δr滿足：Δr＝l tanθ。通過上述調(diào)節(jié)可以實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)現(xiàn)擺動(dòng)攻角等于θ，擺動(dòng)平位置等于攻角α，且擺動(dòng)主要為正攻角的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行繞其頭部轉(zhuǎn)動(dòng)的水洞實(shí)驗(yàn)，如圖11所示。同理可以得到擺動(dòng)主要為負(fù)攻角的擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)。