专利名称：一种通气超空泡平衡点突变特性判定装置及其判定方法
技术领域：
本发明属于非线性动力学及传感器检测领域，具体涉及一种基于非线性动力学理论的确定超空泡平衡点突变特性的判定装置及其专用的判定方法。
背景技术：
超空泡技术的应用可以使水下或水面运动体的摩擦阻力大幅减小，提高航行速度，然而超空泡流动是一种非常复杂的流动问题，包含了非定常、可压缩、相变、湍动等流体动力学研究中比较复杂的流动现象，给空泡动力学特性的研究带来了困难。目前针对复杂空泡流特性的研究主要采用数值模拟和试验研究两种方法，研究内容主要集中在定常通气超空泡形态的数值模拟及通气规律的分析计算及试验验证上。其中数值模拟方法主要采用均质平衡流理论和势流理论中的边界元法研究二维和三维超空泡的流场特性、局部空泡的扰流问题以及计算空泡形态的新方法等，如非专利文献“通气超空泡形态稳定性的数值模拟研究” 一文，发表于《计算力学学报》，文中根据Logvinovich空泡截面独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常通气超空泡形态的计算方法，并运用该方法对通气超空泡形态稳定性进行了数值模拟研究。研究表明:模型速度，气体弹性，通气率，泄气率，流场压力、模型后体和空化器阻力系数都会对通气超空泡形态稳定性产生影响。不同类型和不同方式的扰动对通气空泡形态稳定性的影响不同，通气超空泡在收到扰动后表现出时间滞后性和振荡特性。该研究方法计算量大，运算周期长，需要高配置的计算机提供硬件条件；而试验研究方法如非专利文献“通气超空泡形态及其稳定性实验研究”，发表于《哈尔滨工程大学·学报》，文中通过在水洞中开展的系列实验对通气超空泡形态及其稳定性进行了研究。研究表明，重力对通气过程和关气过程所形成的通气超空泡影响不同，但通气超空泡轴线变量都以非线性方式增长。当重力影响较小时，在相同空泡数下，通气超空泡与自然超空泡在形态和尺度上基本相似。试验研究所需的准备工作繁重、成本高、可重复性差。

发明内容
本发明的目的是提供一种过程简单，操作便捷，不需要进行数值模拟的通气超空泡平衡点突变特性判定装置，本发明的目的还在于提供一种该装置专用的通气超空泡平衡点突变特性判定方法。本发明的目的是这样实现的:通气超空泡平衡点突变特性判定装置，由积分运算模块、摄动分析模块、传感器模块、数据采集模块、数据处理模块、比较运算模块组成，积分运算模块对已有的空泡截面扩展方程进行积分运算，将积分运算结果输入给摄动分析模块；摄动分析模块对通气空泡容积进行线性化处理，输出通气超空泡平衡点突变的敏感参数集；传感器模块测量通气空泡的敏感参数输入给数据采集模块；数据采集模块将采集到的数据进行A/D转换并输入给数据处理模块；数据处理模块对获得的敏感参数进行滤波、存储并绘制曲线；比较分析模块对摄动分析模块输出的敏感参数集与数据处理模块的实际测量值进行比较，判定通气超空泡平衡点发生突变特性的可能性。传感器模块包括测量压力的压力传感器和测量运动体加速度的加速度传感器；数据采集模块采用数据采集卡，数据处理模块采用单片机，积分运算模块采用单片机芯片、摄动分析模块采用单片机芯片，比较运算模块采用运算放大器芯片。敏感参数包括压力，运动体加速度。通气超空泡平衡点突变特性判定方法，包括如下步骤:(I)建立空泡截面扩展方程:
权利要求
1.一种通气超空泡平衡点突变特性判定装置，由积分运算模块、摄动分析模块、传感器模块、数据采集模块、数据处理模块、比较运算模块组成，其特征在于:积分运算模块对已有的空泡截面扩展方程进行积分运算，将积分运算结果输入给摄动分析模块；摄动分析模块对通气空泡容积进行线性化处理，输出通气超空泡平衡点突变的敏感参数集；传感器模块测量通气空泡的敏感参数输入给数据采集模块；数据采集模块将采集到的数据进行A/D转换并输入给数据处理模块；数据处理模块对获得的敏感参数进行滤波、存储并绘制曲线；比较分析模块对摄动分析模块输出的敏感参数集与数据处理模块的实际测量值进行比较，判定通气超空泡平衡点发生突变特性的可能性。
2.根据权利要求1所述的一种通气超空泡平衡点突变特性判定装置，其特征在于:所述的传感器模块包括测量压力的压力传感器和测量运动体加速度的加速度传感器；数据采集模块采用数据采集卡，数据处理模块采用单片机，积分运算模块采用单片机芯片、摄动分析模块采用单片机芯片，比较运算模块采用运算放大器芯片。
3.根据权利要求1所述的一种通气超空泡平衡点突变特性判定装置，其特征在于:所述的敏感参数包括压力，运动体加速度。
4.一种通气超空泡平衡点突变特性判定方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)建立空泡截面扩展方程: drp 式中Δρ( τ，O=P00 ( ξ HpJO-pJt),其中τ ^ t为截面ξ生成时间；x(t)为空泡发生器当前时刻t对应的绝对X坐标；Pl(t)为环境压力扰动；Ρεα)为空泡内压力；Ροο(ξ)为无穷远处的环境压力；l(t)为空泡长度；cx为空泡阻力系数；1^=4πΑ2，Α=2为经验常数，Dn为空化器直径，V为实时运动体速度； (2)对已有的空泡截面扩展方程进`行积分运算: 用初始空泡长度Itl和运动体速度V00作为标度，对空泡截面扩展方程进行无量纲化处理: d2S(tj) ka(t) ,、 dr2 w 其中σ (t)为空化数,空泡的闭合条件为: S (t, t) =S (t-1 (t)，t) — O 对无量纲化的空泡截面扩展方程进行两次积分得: It S(^rj)= l<7° t - τ - 2^t - ^σ (ii)du τ— 式中 (/) = σ⑴/(J0，σ。为自然空化数，u为积分变量， 结合空泡闭合条件获得联系通气超空泡长度及空化数的积分方程:
5.根据权利要求4所述的一种通气超空泡平衡点突变特性判定方法，其特征在于:所述的敏感参数包括压力，运动体加速度。
全文摘要
本发明属于非线性动力学及传感器检测领域，具体涉及一种基于非线性动力学理论的确定超空泡平衡点突变特性的判定装置及其专用的判定方法。通气超空泡平衡点突变特性判定装置，由积分运算模块、摄动分析模块、传感器模块、数据采集模块、数据处理模块、比较运算模块组成。本发明在超空泡航行体航行的过程中，能够根据航行体的航行状态更及时判断通气超空泡所处的状态，实时监测可能导致通气超空泡发生突变不稳定的敏感参数，一旦通气超空泡的敏感参数接近突变临界参数值，就采取相应的措施，使通气超空泡的敏感参数远离突变临界参数值，进而保证通气超空泡的稳定性，为超空泡航行体的稳定航行提供基本保障。
文档编号G01M10/00GK103245485SQ20131013191
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月16日 优先权日2013年4月16日
发明者赵新华, 孙尧, 安伟光, 赵国良, 韩云涛, 白涛 申请人:哈尔滨工程大学