本發(fā)明涉及一種波動水翼實驗裝置及方法，具體涉及一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置及方法，屬于仿生工程。

背景技術：

1、仿生機器魚在水下資源勘探、海洋環(huán)境保護和軍事偵察等領域中一直發(fā)揮著獨特的作用。近年來，隨著工程需求的不斷提升，單條機器魚往往難以完成復雜的系統(tǒng)性任務。在這種情況下，雙機器魚編隊協(xié)同作業(yè)的方式體現(xiàn)出無法替代的優(yōu)勢。對于機器魚隊形設計而言，進行雙模型魚水動力響應測量試驗是其中的關鍵和基礎。目前，成熟的技術方案多采用俯仰沉浮的翼型或者薄板來代替波動的機器魚體，這種俯仰沉浮的動作與機器魚體的波狀擺動仍有較大的差異，難以精準模擬機器魚的波動運動。此外，傳統(tǒng)的粒子圖像測速裝置雖然能提供高精度的流場信息，但是依賴于后處理程序，無法實時地可視化波動水翼的尾流場。并且，波動水翼周圍的流動具有三維效應，傳統(tǒng)的二維粒子圖像測速裝置難以充分捕捉到三維的流場信息，而三維粒子圖像測速裝置在目前仍造價昂貴。在現(xiàn)階段，一種基于脈線的尾跡可視化裝置可以在試驗中便捷地提供實時三維流動顯示，并能保證較低的試驗成本。針對上述問題和需求，就需要設計一種雙波動水翼的水動力干擾測量及流場可視化實驗裝置及其試驗方法，既滿足實際的工程需求，又具有重要的應用價值。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術中的上述缺點進行改進，進而提出一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置及方法，可精準模擬機器魚的波動運動，不依賴于后處理程序，可以在試驗中便捷地提供實時三維流動顯示，能夠快速進行大量雙仿魚波動水翼動力學試驗，便于進行雙仿生魚推進機理研究，試驗成本低、效率高，在短時間內獲取大量試驗數(shù)據(jù)。

2、本發(fā)明采取的技術方案如下：

3、一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置，包括循環(huán)水槽、兩個水翼位置調節(jié)結構、兩個波動水翼、兩個六分量力傳感器和高速攝像機，兩個所述水翼位置調節(jié)結構并排平行可拆卸安裝在所述循環(huán)水槽上，所述高速攝像機安裝在所述循環(huán)水槽外側，所述水翼位置調節(jié)結構包括水平滑動梁、豎直升降桿和連接滑塊，所述水平滑動梁與所述豎直升降桿通過所述連接滑塊連接，所述水平滑動梁位于所述循環(huán)水槽的頂部，所述豎直升降桿位于所述循環(huán)水槽內部，所述六分量力傳感器安裝在所述豎直升降桿上，所述波動水翼安裝在所述豎直升降桿的底部。

4、進一步的，所述波動水翼包括剛性水翼頭部，柔性水翼翼身，剛性水翼尾部，水翼內部桁架，舵機，染料噴管，所述剛性水翼頭部、柔性水翼翼身和剛性水翼尾部由所述波動水翼的頭部至尾部依次連接，所述水翼內部桁架安裝在所述波動水翼內部，所述舵機安裝在所述剛性水翼頭部內，所述染料噴管安裝在所述剛性水翼尾部的尾部，所述剛性水翼頭部與所述豎直升降桿相連接。

5、進一步的，所述循環(huán)水槽包括水槽容器、彎頭導流板、蜂窩整流器和水平導軌，所述水槽容器為所述循環(huán)水槽的框架呈長方體狀，所述彎頭導流板設于所述水槽容器的轉角處，所述蜂窩整流器設于所述水槽容器內部，所述水平導軌開設于所述水槽容器的側壁上部。

6、進一步的，所述彎頭導流板的數(shù)量為兩個，兩個所述彎頭導流板分別設于所述水槽容器內兩側的轉角處。

7、進一步的，所述水翼位置調節(jié)結構還包含水平滑塊和鎖緊裝置，所述水平滑塊安裝在所述水平導軌內，所述鎖緊裝置安裝在所述水平滑塊的外側。

8、進一步的，所述水翼位置調節(jié)結構還包含染料罐和染料管，所述染料罐固定安裝在所述連接滑塊上，所述染料管安裝于所述染料罐與所述染料噴管之間。

9、進一步的，所述鎖緊裝置為與所述水平滑動梁相適形的鎖緊螺母。

10、進一步的，所述六分量力傳感器用于測量所述波動水翼三個方向的合力和三個方向的轉矩，所述六分量力傳感器通信連接有遠程數(shù)據(jù)接收裝置。

11、進一步的，所述高速攝像機包括高分辨率的傳感器，可以在高幀率下提供清晰的畫面質量與所述遠程數(shù)據(jù)接收裝置通信連接。

12、進一步的，所述遠程數(shù)據(jù)接收裝置為電腦、手機和平板中的一種。

13、一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置的試驗方法，所述試驗方法是通過以下步驟實現(xiàn)的：

14、s1：在循環(huán)水槽上安裝兩個水翼位置調節(jié)結構；

15、s2：安裝六分量力傳感器和兩個波動水翼，并通過水翼位置調節(jié)結構調節(jié)兩個波動水翼的初始相對位置；

16、s3：控制兩個波動水翼做出周期性波狀擺動；

17、s4：通過水翼位置調節(jié)結構調整兩個波動水翼的水平相對位置dx、測向相對位置dy和豎直相對位置dz，探究兩個波動水翼之間相對位置對波動水翼推進性能的影響；

18、s5：調整兩個波動水翼周期擺動的相位差δφ，調整兩個波動水翼擺動的周期比γ，調整兩個波動水翼擺動的振幅比ψ，探究位差δφ、周期比γ、振幅比ψ對兩個波動水翼推進性能的影響；

19、s6：控制兩個波動水翼在的運動過程中形成脈線；

20、s7：使用六分量力傳感器記錄兩個波動水翼的載荷數(shù)據(jù)，并后處理得到水動力系數(shù)和水動力矩系數(shù)；

21、s8：根據(jù)循環(huán)水槽中控制的來流速度u、電機的消耗功率pin和六分量力傳感器的水平力載荷fx后處理得到波動水翼的推進效率η；

22、s9：用高速攝像機拍攝脈線在兩個波動水翼尾跡中的演化。

23、進一步的，s3中所述的周期性波狀擺動的表達式如下：

24、

25、式(1)中z1(t)和z2(t)分別是兩個波動水翼的尾部末端在t時刻的豎直位置，a1和a2分別是兩個波動水翼的振幅，ω1和ω2分別是兩個波動水翼的波動角頻率，ω1＝2π/t1，ω2＝2π/t2，其中t1和t2分別是兩個波動水翼的波動周期，φ1和φ2分別是兩個波動水翼波動的相位角。

26、進一步的，s7中所述的水動力系數(shù)和水動力矩系數(shù)表達式如下：

27、

28、式(2)和式(3)中，fx，fy和fz分別代表波動水翼三個方向上的受力；qx，qy和qz分別代表三個方向的力矩，ρ代表水的密度，u代表來流速度，l代表翼型的弦長。

29、進一步的，s8中所述的推進效率η表達式如下：

30、

31、本發(fā)明的有益效果是：

32、1、本發(fā)明基于染料噴管噴出染料來生成尾跡中的脈線，能夠便捷地實時顯示尾跡中的流動?？梢酝ㄟ^水翼位置調節(jié)結構控制兩個波動水翼之間的相對位置、周期比和振幅比等參數(shù)，便于進一步探究這些參數(shù)對雙仿生魚推進機理的影響，實現(xiàn)更接近仿生魚運動模式的波狀擺動。

33、2、本發(fā)明可通過六分量力傳感器輸出載荷數(shù)據(jù)，結合高速攝像機捕捉到的尾跡脈線演化來分析仿生魚推進機理。

34、3、本發(fā)明雙波動水翼的水動力測量及流場顯示裝置具有較好的擴展性，很容易發(fā)展到多波動水翼的水動力測量及流場顯示裝置。試驗成本低、效率高，可以在短時間內獲取大量試驗數(shù)據(jù)，這些試驗數(shù)據(jù)有助于支撐仿生領域的科研工作。

技術特征：

1.一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置，其特征在于：包括循環(huán)水槽、兩個水翼位置調節(jié)結構、兩個波動水翼、兩個六分量力傳感器(15)和高速攝像機(19)，兩個所述水翼位置調節(jié)結構并排平行可拆卸安裝在所述循環(huán)水槽上，所述高速攝像機(19)安裝在所述循環(huán)水槽外側，所述水翼位置調節(jié)結構包括水平滑動梁(13)、豎直升降桿(14)和連接滑塊(16)，所述水平滑動梁(13)與所述豎直升降桿(14)通過所述連接滑塊(16)連接，所述水平滑動梁(13)位于所述循環(huán)水槽的頂部，所述豎直升降桿(14)位于所述循環(huán)水槽內部，所述六分量力傳感器(15)安裝在所述豎直升降桿(14)上，所述波動水翼安裝在所述豎直升降桿(14)的底部。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置，其特征在于：所述波動水翼包括剛性水翼頭部(1)，柔性水翼翼身(2)，剛性水翼尾部(3)，水翼內部桁架(4)，舵機(5)，染料噴管(6)，所述剛性水翼頭部(1)、柔性水翼翼身(2)和剛性水翼尾部(3)由所述波動水翼的頭部至尾部依次連接，所述水翼內部桁架(4)安裝在所述波動水翼內部，所述舵機(5)安裝在所述剛性水翼頭部(1)內，所述染料噴管(6)安裝在所述剛性水翼尾部(3)的尾部，所述剛性水翼頭部(1)與所述豎直升降桿(14)相連接。

3.根據(jù)權利要求2所述的一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置，其特征在于：所述循環(huán)水槽包括水槽容器(7)、彎頭導流板(8)、蜂窩整流器(9)和水平導軌(10)，所述水槽容器(7)為所述循環(huán)水槽的框架呈長方體狀，所述彎頭導流板(8)設于所述水槽容器(7)的轉角處，所述蜂窩整流器(9)設于所述水槽容器(7)內部，所述水平導軌(10)開設于所述水槽容器(7)的側壁上部。

4.根據(jù)權利要求3所述的一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置，其特征在于：所述水翼位置調節(jié)結構還包含水平滑塊(11)、鎖緊裝置(12)、染料罐(17)和染料管(18)，所述水平滑塊(11)安裝在所述水平導軌(10)內，所述鎖緊裝置(12)安裝在所述水平滑塊(11)的外側，所述染料罐(17)固定安裝在所述連接滑塊(16)上，所述染料管(18)安裝于所述染料罐(17)與所述染料噴管(6)之間。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置，其特征在于：所述六分量力傳感器(15)用于測量所述波動水翼三個方向的合力和三個方向的轉矩，所述六分量力傳感器(15)通信連接有遠程數(shù)據(jù)接收裝置。

6.根據(jù)權利要求5所述的一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置，其特征在于：所述高速攝像機(19)包括高分辨率的傳感器，可以在高幀率下提供清晰的畫面質量與所述遠程數(shù)據(jù)接收裝置通信連接。

7.一種根據(jù)權利要求1所述的雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置的試驗方法，其特征在于：所述試驗方法是通過以下步驟實現(xiàn)的：

8.根據(jù)權利要求7所述的一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置的試驗方法，其特征在于：s3中所述的周期性波狀擺動的表達式如下：

9.根據(jù)權利要求8所述的一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置的試驗方法，其特征在于：s7中所述的水動力系數(shù)和水動力矩系數(shù)表達式如下：

10.根據(jù)權利要求9所述的一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置的試驗方法，其特征在于：s8中所述的推進效率η表達式如下：

技術總結
本發(fā)明公開了一種雙波動水翼水動力干擾測量和流場可視化實驗裝置和方法，屬于仿生工程技術領域。所述實驗裝置的兩個所述水翼位置調節(jié)結構并排平行可拆卸安裝在所述循環(huán)水槽上，所述高速攝像機安裝在所述循環(huán)水槽外側，所述水翼位置調節(jié)結構包括水平滑動梁、豎直升降桿和連接滑塊，所述水平滑動梁與所述豎直升降桿通過所述連接滑塊連接，所述水平滑動梁位于所述循環(huán)水槽的頂部，所述豎直升降桿位于所述循環(huán)水槽內部，所述六分量力傳感器安裝在所述豎直升降桿上，所述波動水翼安裝在所述豎直升降桿的底部。可精準模擬機器魚的波動運動，不依賴于后處理程序，可以在試驗中便捷地提供實時三維流動顯示，能夠快速進行大量雙仿魚波動水翼動力學試驗。

技術研發(fā)人員：孫鵬楠,高天宇,吳睿麟,孟子飛,劉念念,彭玉祥,岳朝歡
受保護的技術使用者：中山大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/8