基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统及方法，属于动能测量领域，该系统包括循环水槽、多普勒流速仪、固定杆和水下航行器；所述循环水槽用于制造深度、速度稳定的来流；所述多普勒流速仪用于采集所述水下航行器表面不同位置的瞬时速度；所述固定杆用于将所述水下航行器固定在所述循环水槽中。本发明专利技术能够准确测量水下航行器的湍流动能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及动能测量领域，特别是涉及一种基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统及方法。

技术介绍

[0002]自主水下航行器(AUV)被广泛用于海洋环境监测、目标探测、特殊海域巡航等水下作业任务。鱼雷形AUV由于具有流线型轮廓而具有良好的直线性能。因此，它们适用于高速、远程和准单向研究。目前，计算流体软件由于其较低的人力物力成本已经被广泛应用于潜水器水动力的研究。但是由于仿真软件中使用的大部分流场描述方程都是经过简化的，所以所得到的流场信息是近似的数值解，而不是精确解。比如，在分析AUV外部流动分离现象时。这种流动分离会导致AUV阻力的增加，特别是由前后外表面之间的压力差引起的压力阻力。AUV设计中的一个关键设计考虑因素是尽量减少这种流动分离。然而，计算流体软件中二方程模型不适合预测这种流动分离的开始和程度，这是由于平均速度梯度的特征向量与雷诺应力的特征向量一致的涡粘假设。这一假设不适用于流动分离区域的研究，导致在这些区域中二方程模型的性能不令人满意。因此，为了精确了解AUV的水动力性能以及验证仿真结果的准确性，需要设计低成本的高效的准确的实验来获取流场的信息。其中湍流动能是湍流速度涨落方差与流体质量乘积的1/2，可以用来反应流场的稳定性。湍流动能越大，流场越不稳定。湍流是方向杂乱且内阻很大的流动方式，湍流力学性质复杂，且在流动过程中消耗动能很大。
[0003]基于上述问题，本专利技术拟针对水下航行器湍动能的测量提出简单高效准确的方法。<br/>
技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统及方法，能够准确测量水下航行器的湍流动能。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0006]一种基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统，包括循环水槽、多普勒流速仪、固定杆和水下航行器；
[0007]所述循环水槽用于制造深度、速度稳定的来流；所述多普勒流速仪用于采集所述水下航行器表面不同位置的瞬时速度；所述固定杆用于将所述水下航行器固定在所述循环水槽中。
[0008]可选的，所述水下航行器在循环水槽中水平居中。
[0009]可选的，所述固定杆采用翼型剖面。
[0010]可选的，根据所述水下航行器表面的曲度设置所述多普勒流速仪探头的密度。
[0011]可选的，所述多普勒流速仪的空间分辨率为1cm3，时间分辨率200Hz。
[0012]一种基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量方法，包括：
[0013]通过固定杆将水下航行器水平居中的固定在循环水槽中；
[0014]将多普勒流速仪固定在循环水槽中，并使所述多普勒流速仪探头的正方向与来流方向平行；
[0015]开启所述循环水槽，并设置水位高度和来流速度；
[0016]利用所述多普勒流速仪测量所述水下航行器表面的流速；
[0017]将所述流速分解为xyz三个方向的平均速度；
[0018]根据所述三个方向的平均速度确定三个方向的波动速度；
[0019]根据所述三个方向的波动速度确定湍流动能。
[0020]可选的，所述“开启所述循环水槽，并设置水位高度和来流速度”步骤之后，“利用所述多普勒流速仪测量所述水下航行器表面的流速”步骤之前，还包括：
[0021]获取所述多普勒流速仪测得流速数据的信噪比和相关度；
[0022]判断所述信噪比和相关度是否达到预设条件；
[0023]若是，则利用所述多普勒流速仪测量所述水下航行器表面的流速。
[0024]可选的，采用如下公式将所述流速分解为xyz三个方向的平均速度；
[0025][0026]其中，U为平均速度，U
i
为瞬时流速，n为多普勒流速仪在该测量点测量流速的次数。
[0027]可选的，采用如下公式确定三个方向的波动速度；
[0028][0029]其中，u为波动速度，U为平均速度，U
i
为瞬时流速，n为多普勒流速仪在该测量点测量流速的次数。
[0030]可选的，采用如下公式确定湍流动能；
[0031][0032]其中，k为湍流动能，u
x
为x方向的波动速度，u
y
为y方向的波动速度，u
z
为z方向的波动速度。
[0033]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0034](1)通过点式声学多普勒流速仪测量水下航行器表面的流速，并通过湍流动能公式换算得到航行器表面湍动能信息。
[0035](2)实验数据可以用来验证仿真结果的正确性，还可以用于对仿真程序中流场描述方程的完善。
[0036](3)采用翼型剖面的固定杆可以减小固定杆对AUV附近流场的扰动，保证流场信息的准确性。
[0037](4)试验装置简单，人力物力成本低。
附图说明
[0038]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]图1为本专利技术基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统的侧视图；
[0040]图2是本专利技术基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统的俯视图。
[0041]图中：1
‑
循环水槽顶部；2
‑
自由液面；3
‑
水下航行器(AUV)；4
‑
循环水槽底部；5
‑
来流；6
‑
测量点；7
‑
点式声学多普勒流速仪(ADV)；8
‑
ADV探头；9
‑
翼型固定杆；10
‑
循环水槽侧壁面。
具体实施方式
[0042]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0043]本专利技术的目的是提供一种基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统及方法，能够准确测量水下航行器的湍流动能。
[0044]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0045]如图1至图2所示，系统包括循环水槽、点式声学多普勒流速仪(ADV)7、翼型固定杆9和水下航行器(AUV)3等。
[0046]其中，循环水槽属于水动力实验中常用的装置，由图1和图2中可见循环水槽包括循环水槽顶部1、循环水槽底部4和循环水槽侧壁面10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统，其特征在于，包括循环水槽、多普勒流速仪、固定杆和水下航行器；所述循环水槽用于制造深度、速度稳定的来流；所述多普勒流速仪用于采集所述水下航行器表面不同位置的瞬时速度；所述固定杆用于将所述水下航行器固定在所述循环水槽中。2.根据权利要求1所述的基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统，其特征在于，所述水下航行器在循环水槽中水平居中。3.根据权利要求1所述的基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统，其特征在于，所述固定杆采用翼型剖面。4.根据权利要求1所述的基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统，其特征在于，根据所述水下航行器表面的曲度设置所述多普勒流速仪探头的密度。5.根据权利要求1所述的基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量系统，其特征在于，所述多普勒流速仪的空间分辨率为1cm3，时间分辨率200Hz。6.一种基于多普勒流速仪的水下航行器湍流动能测量方法，其特征在于，包括：通过固定杆将水下航行器水平居中的固定在循环水槽中；将多普勒流速仪固定在循环水槽中，并使所述多普勒流速仪探头的正方向与来流方向平行；开启所述循环水槽，并设置水位高度和来流速度；利用所述多普勒流速仪测量所述水下航行器表面的流速；将所述流速分解为xyz三个方向的平均速度；根据所述三个方向的平均速度确定三个方向的波动速度；根据所述三个...

【专利技术属性】
技术研发人员：林渊，郭进，王荧，葛勇强，林佩雯，陈家旺，陈鹰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：