基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統及方法技術方案

本發明專利技術涉及一種基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統及方法，屬于動能測量領域，該系統包括循環水槽、多普勒流速儀、固定桿和水下航行器；所述循環水槽用于制造深度、速度穩定的來流；所述多普勒流速儀用于采集所述水下航行器表面不同位置的瞬時速度；所述固定桿用于將所述水下航行器固定在所述循環水槽中。本發明專利技術能夠準確測量水下航行器的湍流動能。能。能。

【技術實現步驟摘要】
基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統及方法


[0001]本專利技術涉及動能測量領域，特別是涉及一種基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統及方法。

技術介紹

[0002]自主水下航行器(AUV)被廣泛用于海洋環境監測、目標探測、特殊海域巡航等水下作業任務。魚雷形AUV由于具有流線型輪廓而具有良好的直線性能。因此，它們適用于高速、遠程和準單向研究。目前，計算流體軟件由于其較低的人力物力成本已經被廣泛應用于潛水器水動力的研究。但是由于仿真軟件中使用的大部分流場描述方程都是經過簡化的，所以所得到的流場信息是近似的數值解，而不是精確解。比如，在分析AUV外部流動分離現象時。這種流動分離會導致AUV阻力的增加，特別是由前后外表面之間的壓力差引起的壓力阻力。AUV設計中的一個關鍵設計考慮因素是盡量減少這種流動分離。然而，計算流體軟件中二方程模型不適合預測這種流動分離的開始和程度，這是由于平均速度梯度的特征向量與雷諾應力的特征向量一致的渦粘假設。這一假設不適用于流動分離區域的研究，導致在這些區域中二方程模型的性能不令人滿意。因此，為了精確了解AUV的水動力性能以及驗證仿真結果的準確性，需要設計低成本的高效的準確的實驗來獲取流場的信息。其中湍流動能是湍流速度漲落方差與流體質量乘積的1/2，可以用來反應流場的穩定性。湍流動能越大，流場越不穩定。湍流是方向雜亂且內阻很大的流動方式，湍流力學性質復雜，且在流動過程中消耗動能很大。
[0003]基于上述問題，本專利技術擬針對水下航行器湍動能的測量提出簡單高效準確的方法。<br/>
技術實現思路

[0004]本專利技術的目的是提供一種基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統及方法，能夠準確測量水下航行器的湍流動能。
[0005]為實現上述目的，本專利技術提供了如下方案：
[0006]一種基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統，包括循環水槽、多普勒流速儀、固定桿和水下航行器；
[0007]所述循環水槽用于制造深度、速度穩定的來流；所述多普勒流速儀用于采集所述水下航行器表面不同位置的瞬時速度；所述固定桿用于將所述水下航行器固定在所述循環水槽中。
[0008]可選的，所述水下航行器在循環水槽中水平居中。
[0009]可選的，所述固定桿采用翼型剖面。
[0010]可選的，根據所述水下航行器表面的曲度設置所述多普勒流速儀探頭的密度。
[0011]可選的，所述多普勒流速儀的空間分辨率為1cm3，時間分辨率200Hz。
[0012]一種基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量方法，包括：
[0013]通過固定桿將水下航行器水平居中的固定在循環水槽中；
[0014]將多普勒流速儀固定在循環水槽中，并使所述多普勒流速儀探頭的正方向與來流方向平行；
[0015]開啟所述循環水槽，并設置水位高度和來流速度；
[0016]利用所述多普勒流速儀測量所述水下航行器表面的流速；
[0017]將所述流速分解為xyz三個方向的平均速度；
[0018]根據所述三個方向的平均速度確定三個方向的波動速度；
[0019]根據所述三個方向的波動速度確定湍流動能。
[0020]可選的，所述“開啟所述循環水槽，并設置水位高度和來流速度”步驟之后，“利用所述多普勒流速儀測量所述水下航行器表面的流速”步驟之前，還包括：
[0021]獲取所述多普勒流速儀測得流速數據的信噪比和相關度；
[0022]判斷所述信噪比和相關度是否達到預設條件；
[0023]若是，則利用所述多普勒流速儀測量所述水下航行器表面的流速。
[0024]可選的，采用如下公式將所述流速分解為xyz三個方向的平均速度；
[0025][0026]其中，U為平均速度，U
i
為瞬時流速，n為多普勒流速儀在該測量點測量流速的次數。
[0027]可選的，采用如下公式確定三個方向的波動速度；
[0028][0029]其中，u為波動速度，U為平均速度，U
i
為瞬時流速，n為多普勒流速儀在該測量點測量流速的次數。
[0030]可選的，采用如下公式確定湍流動能；
[0031][0032]其中，k為湍流動能，u
x
為x方向的波動速度，u
y
為y方向的波動速度，u
z
為z方向的波動速度。
[0033]根據本專利技術提供的具體實施例，本專利技術公開了以下技術效果：
[0034](1)通過點式聲學多普勒流速儀測量水下航行器表面的流速，并通過湍流動能公式換算得到航行器表面湍動能信息。
[0035](2)實驗數據可以用來驗證仿真結果的正確性，還可以用于對仿真程序中流場描述方程的完善。
[0036](3)采用翼型剖面的固定桿可以減小固定桿對AUV附近流場的擾動，保證流場信息的準確性。
[0037](4)試驗裝置簡單，人力物力成本低。
附圖說明
[0038]為了更清楚地說明本專利技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本專利技術的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0039]圖1為本專利技術基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統的側視圖；
[0040]圖2是本專利技術基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統的俯視圖。
[0041]圖中：1
?
循環水槽頂部；2
?
自由液面；3
?
水下航行器(AUV)；4
?
循環水槽底部；5
?
來流；6
?
測量點；7
?
點式聲學多普勒流速儀(ADV)；8
?
ADV探頭；9
?
翼型固定桿；10
?
循環水槽側壁面。
具體實施方式
[0042]下面將結合本專利技術實施例中的附圖，對本專利技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本專利技術一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本專利技術中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本專利技術保護的范圍。
[0043]本專利技術的目的是提供一種基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統及方法，能夠準確測量水下航行器的湍流動能。
[0044]為使本專利技術的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術作進一步詳細的說明。
[0045]如圖1至圖2所示，系統包括循環水槽、點式聲學多普勒流速儀(ADV)7、翼型固定桿9和水下航行器(AUV)3等。
[0046]其中，循環水槽屬于水動力實驗中常用的裝置，由圖1和圖2中可見循環水槽包括循環水槽頂部1、循環水槽底部4和循環水槽側壁面10本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統，其特征在于，包括循環水槽、多普勒流速儀、固定桿和水下航行器；所述循環水槽用于制造深度、速度穩定的來流；所述多普勒流速儀用于采集所述水下航行器表面不同位置的瞬時速度；所述固定桿用于將所述水下航行器固定在所述循環水槽中。2.根據權利要求1所述的基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統，其特征在于，所述水下航行器在循環水槽中水平居中。3.根據權利要求1所述的基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統，其特征在于，所述固定桿采用翼型剖面。4.根據權利要求1所述的基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統，其特征在于，根據所述水下航行器表面的曲度設置所述多普勒流速儀探頭的密度。5.根據權利要求1所述的基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量系統，其特征在于，所述多普勒流速儀的空間分辨率為1cm3，時間分辨率200Hz。6.一種基于多普勒流速儀的水下航行器湍流動能測量方法，其特征在于，包括：通過固定桿將水下航行器水平居中的固定在循環水槽中；將多普勒流速儀固定在循環水槽中，并使所述多普勒流速儀探頭的正方向與來流方向平行；開啟所述循環水槽，并設置水位高度和來流速度；利用所述多普勒流速儀測量所述水下航行器表面的流速；將所述流速分解為xyz三個方向的平均速度；根據所述三個方向的平均速度確定三個方向的波動速度；根據所述三個...

【專利技術屬性】
技術研發人員：林淵，郭進，王熒，葛勇強，林佩雯，陳家旺，陳鷹，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：