一种流场同步拍摄测试平台及方法与流程

1.本发明属于航行器试验平台领域，具体涉及一种流场同步拍摄测试平台及方法。


背景技术：

2.我国是一个海洋大国，海域面积十分辽阔，要进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋，以推动我国海洋强国建设不断取得新成就。大规模的开发和利用海洋资源，是人类21世纪即将面对和亟待解决的现实问题，而水下航行器作为一种有效的水下载具，在军用和民用领域发挥着越来越重要的作用。仅仅通过数值模拟方法对水下航行器或是真实生物进行流场性能分析具有局限性，并不能很好地指导水下航行器设计，所以这也就促进了流场测试平台的发展。
3.流场性能测试主要是通过高速相机对实验对象(航行器或是真实生物)的流场及运动姿态进行拍摄然后将图片导入后处理软件进行分析从而得到能指导航行器设计的有用信息。但现有流场性能测试平台多针对静止实验对象，当涉及到对自主游动航行器或是真实生物的流场测试时，通常采用多机位拍摄然后进行图像耦合处理。采用多机位拍摄导致成本会大幅提高，并且通过图像耦合技术来还原流场图像会带来很大误差，影响实验结果可靠性。
4.现有技术中“一种基于piv和ptv技术的水力侵蚀细观机理观测装置及试验方法”中国专利cn202010512509.x，提供了一种拍摄水力侵蚀细观机理的装置和方法，高速相机是固定在水箱外部进行拍摄。目前，对真实生物拍摄或是自主游动的航行器样机进行拍摄时通常采用的多机位拍摄多组图像后再进行图像耦合求解或者是人为手持相机进行跟拍，但是无论是多图像耦合或是人为跟拍都会引入很多误差，并且会耗费大量人力物力。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题：
6.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种流场同步拍摄测试平台及方法，是基于循环水槽进行航行器或真实生物同步拍摄的流场测试平台，通过循环水槽、气浮导轨、高速相机、安装设备实现对航行器及真实生物的流场测试。
7.本发明的技术方案是：一种流场同步拍摄测试平台，与循环水槽配合使用实现测试；其特征在于：包括搭载框架、气浮系统、同步连杆、安装平台和高速相机；
8.所述搭载框架顶部和底部均安装有气浮系统，位于顶部的气浮系统通过安装平台固定航行器，位于底部的气浮系统通过安装平台固定高速相机；所述气浮系统包括光杆、光杆支撑座和气浮轴承，四个光杆分别通过光杆支撑座对称安装于搭载框架的顶部和底部，气浮轴承同轴安装于光杆上；安装平台的两端分别固定于两侧的气浮轴承上，航行器通过连杆固定于安装平台的正下方；通过空压机从气浮轴承的小孔向光杆充入压力空气，同时通过抽气机将多余压力空气抽出，保持气浮轴承和光杆之间气压饱和，使得航行器能够通过安装平台沿光杆的轴向进行自由运动；顶部气浮系统两侧的气浮轴承分别通过竖直设置
的同步连杆与底部气浮系统两侧的气浮轴承固定连接，实现顶部和底部的安装平台同步运动，进而实现航行器和高速相机的同步运动。
9.本发明的进一步技术方案是：所述循环水槽用于提供循环水流环境；包括回型水槽、叶轮和实验段，所述回型水槽包括四个拐角，第一拐角与第二拐角之间的连接管道为贴近地面的回流管道；
10.所述回流管道上壁面延伸至第二拐角处，在位于第二拐角处的回流管道上壁面上开有通孔；所述叶轮安装于第二拐角的通孔处，通过电机驱动叶轮旋转，将水从通孔中抽出，提高后端水位流向下游，使得水槽内水流方向为顺时针；
11.所述实验段为第一拐角与第四拐角之间的一段水槽，所述测试平台安装于实验段外侧，顶部气浮系统位于水槽上方，底部气浮系统位于槽底下方；航行器通过连杆伸入至水槽内。
12.本发明的进一步技术方案是：所述叶轮的数量为3个，均为直径0.6m的铝制叶轮。
13.本发明的进一步技术方案是：所述通孔的孔径大于叶轮直径。
14.本发明的进一步技术方案是：所述回型水槽包括框架和壁面，通过框架使得壁面具有侧向承压能力，壁面为透明亚克力板。
15.本发明的进一步技术方案是：所述实验段为1.2m
×
1.2m
×
1.2m的立方体结构，其中心区域流速为0.1m/s到0.8m/s连续可调，控制精度在0.01m/s，流速稳定时间2min。
16.本发明的进一步技术方案是：所述光杆的摩擦系数为0.0005。
17.一种流场同步拍摄测试平台进行实验方法，其特征在于具体步骤如下：
18.步骤1：固定实验对象和高速相机，并校准样机初始位置及高速相机安装水平度；所述实验对象为航行器或真实生物；
19.步骤2：接通测试平台的所有电源；
20.步骤3：开启循环水槽，设定水流速度为实验流速v；
21.步骤4：打开高速相机记录软件，确认高速相机和计算机建立通讯正常，然后进行相机光圈大小、拍摄频率、焦距的参数设置，确保在实验中能准确的记录及传输图像；
22.步骤5：当实验对象保持稳定运动时，开始记录实验数据，将高速相机记录下的流场及运动姿态图像保存并导出；
23.步骤6：在改变实验对象运动参数重新进行实验时，需关闭所有电源，等待循环水槽中液面平稳，再进行步骤1-6的重复实验；
24.步骤7：处理数据，通过后处理软件得到速度场、压力场、涡量场以及运动姿态信息。
25.本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中电源包括样机控制器电源、气浮系统供气装置电源、高速相机电源、循环水槽电源。
26.有益效果
27.本发明的有益效果在于：本发明中流场同步拍摄测试平台通过气浮系统及同步连杆实现高速相机和实验对象的同步运动，从而达到同步拍摄目的，仅借助一台高速相机即可实现流场拍摄降低了实验成本。气浮系统能够达到减阻效果实现同步随动(摩擦系数约为0.0005)，且自身不含有驱动装置，仅有空压机和抽气机来维持气浮轴承和光杆间的气压稳定；在保证了实验对象能自主游动精度的同时，实现实验对象和高速相机运动的同步性，
进一步提高实验测试的精确度。
28.该测试平台通过同步连杆和气浮系统协同作用可以实现航行器流场同步拍摄以及真实生物的运动姿态、流场的同步跟拍。通过本测试平台能测量出速度场、涡量场、压力场、真实生物运动姿态以及航行器关键位置的轨迹提取，从而可以为水下航行器的设计提供参考与指导，同时还可以为水下航行器流场特性的cfd数值模拟和理论研究提供实验验证。
附图说明
29.图1为循环水槽俯视图；
30.图2为流场同步拍摄测试平台布放图；
31.图3为流场同步拍摄测试平台图；
32.图4为测试方法流程图；
33.附图标记说明：1——循环水槽，2——实验段，3——第二拐角，4——第三拐角，5——第四拐角，6——第一拐角，7——叶轮，8——流场同步拍摄测试平台，9——光杆支撑座，10——光杆，11——同步连杆，12——气浮轴承，13——高速相机，14——安装平台。
具体实施方式
34.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.参照图2所示，本发明一种流场同步拍摄测试平台及方法基于循环水槽1搭建完成，包括搭载框架、气浮系统、同步连杆11、安装平台14和高速相机13；利用安装平台14固定高速相机及实验对象，通过同步连杆11和气浮系统保证高速相机和实验对象的同步运动从而进行流场同步拍摄。
37.参照图1所示，循环水槽1用于提供循环水流环境；包括回型水槽、叶轮7和循环水槽实验段2，所述回型水槽包括四个拐角，第一拐角6与第二拐角3之间的连接管道为贴近地面的回流管道；所述回流管道上壁面延伸至第二拐角3处，在位于第二拐角3处的回流管道上壁面上开有通孔；叶轮7安装于第二拐角的通孔处，通过电机驱动叶轮7旋转，将水从通孔中抽出，提高后端水位流向下游，使得水槽内水流方向为顺时针；实验段2为第一拐角6与第四拐角5之间的一段水槽，流场同步拍摄测试平台8安装于实验段2外侧。
38.参照图3所示，所述搭载框架顶部和底部均安装有气浮系统，位于顶部的气浮系统通过安装平台14固定航行器，位于底部的气浮系统通过安装平台14固定高速相机13；所述气浮系统包括光杆10、光杆支撑座9和气浮轴承12，四个光杆10分别通过光杆支撑座9对称安装于搭载框架的顶部和底部，气浮轴承12同轴安装于光杆10上；安装平台14的两端分别固定于两侧的气浮轴承12上，航行器通过连杆固定于安装平台14的正下方；通过空压机从
气浮轴承12的小孔向光杆10充入压力空气，同时通过抽气机将多余压力空气抽出，保持气浮轴承12和光杆10之间气压饱和，使得航行器能够通过安装平台14沿光杆10的轴向进行自由运动；顶部气浮系统两侧的气浮轴承12分别通过竖直设置的同步连杆11与底部气浮系统两侧的气浮轴承12固定连接，实现顶部和底部的安装平台14同步运动，进而实现航行器和高速相机13的同步运动。
39.实施例：
40.图1为循环水槽俯视图，试验段用透明亚克力板粘接而成，在其周围安装有约束张力的框架使其具有侧向承压能力，洞体主体其他部分用15mm厚pp板焊接而成。循环水槽动力由三个0.6m直径的铝制叶轮(8叶)10提供；第一拐角6与第二拐角3之间的连接管道为贴近地面的回流管道，且延伸至第二拐角3，其延伸至第二拐角3处的上表面有一直径微大于0.6m的圆洞，叶轮旋转时将水从中抽出，提高后端水位，使其流向下游，故水流方向为顺时针；实验段2为一1.2m
×
1.2m
×
1.2m立方体，其中心区域流速为0.1m/s到0.8m/s连续可调，控制精度在0.01m/s，流速稳定时间2min。
41.图2为流场同步拍摄测试平台布放图，流场同步拍摄测试平台8支架部分采用合金钢搭建而成，并固定在水平地面上。实验段2上方的安装平台14用于吊装实验对象；实验段2下方的安装平台14用于固定高速相机13。
42.图3为流场同步拍摄测试平台图，在流场同步拍摄测试平台8的上下两端固定有两套由光杆10、光杆支撑座9、气浮轴承12组成的气浮系统，再将两个安装平台14固定在气浮轴承上，用来固定实验对象及高速相机。同时通过同步连杆11将同侧上下两个气浮轴承连接起来，目的在于当实验对象在循环水槽中运动时带动上方安装平台14运动的同时带动下方安装平台14同步运动，从而实现高速相机对实验对象流场及姿态的同步拍摄。
43.测试方法的步骤为:
44.步骤一：固定实验对象(航行器或真实生物)以及高速相机，并校准样机初始位置及保证高速相机安装水平度；
45.步骤二：接通试验平台的所有电源，包括样机控制器电源、气浮系统供气装置电源、高速相机电源、循环水槽电源；
46.步骤三：开启循环水槽，设定水流速度为实验流速v；
47.步骤四：打开高速相机记录软件，确认高速相机和电脑建立通讯正常，确保相机的光圈大小、拍摄频率。焦距等调节妥当，确保在稍后的实验中能准确的记录及传输图像；
48.步骤五：当实验对象保持稳定运动时，开始记录实验数据，将高速相机记录下的流场及运动姿态图像保存并导出；
49.步骤六：在改变实验对象运动参数重新进行实验时应等待循环水槽中液面平稳，待所有实验结束后，关闭所有电源。
50.步骤七：处理数据，通过后处理软件得到速度场、压力场、涡量场以及运动姿态等信息。
51.注意事项：
52.(1)应选取刚度较大的材料来制作同步连杆11(为了避免进行实验时出现连杆受剪切力变形的情况)，并且在安装同步连杆11时应确保上下两个气浮轴承的端面处于同一平面。以上两个条件同时满足才能保证上下两个气浮轴承在实验时同步运动；
53.(2)实验开始前，同步开启上下两个气浮系统的空压机及抽气机，防止上下两个气浮轴承受力不同损坏实验装置；在关闭气浮系统时，应该调小空压机进气量，待到气压计示数接近外界气压时关掉空压机和抽气机，让气浮轴承内的剩余空气自然排出，避免过度抽气损坏实验装置；
54.(3)实验前应当根据实验环境调节好高速相机的光圈大小、焦距、拍照频率及分辨率，确保实验中能拍摄出清晰的照片。
55.将高速相机拍摄得到的图像文件导入后处理软件可以进行流场特性分析如前缘涡、尾涡、翼尖涡的产生、扩散及消散过程，流场内不同点的速度差异以及流场内各点的压力分布等，还可以通过后处理软件对航行器机身各个关键位置点进行轨迹追踪，或者是对真实生物在运动过程中身体及鳍的变形情况进行记录便于归纳总结出变形方程及运动方程。
56.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。