基于平板模型的柔性表皮减阻功效试验评估方法

技术领域

本发明涉及流体力学试验技术领域，尤其是一种基于平板模型的柔性表皮减阻功效试验评估方法。

背景技术

航行器在航行过程中受到的总的流体阻力包括摩擦阻力和粘压阻力。其中摩擦阻力是由于空气、水等流体介质具有粘性，航行器带动表面附近流体随同运动，在其表面产生的切向应力沿流动方向的投影，其量值大小主要与航速、接触表面积、表面状态有关，约占总阻力的60％～80％；粘压阻力是由于航行器首部和尾部存在压力差而产生的，即航行器表面所受压力沿运动方向的合力，其量值大小主要与航行器线型有关，约占总阻力的20％～40％。随着航行器线型设计的日益成熟，降低粘压阻力的空间和幅度越来越小，大幅降低占比高达60％～80％的摩擦阻力，是航行器减阻的重要突破口。

柔性表皮技术通过改变航行器的表面状态，能够延迟层流向湍流的转捩、降低湍流壁面剪切应力，实现大幅减阻，是航行器减阻研究的热点。由于柔性表皮减阻技术与湍流边界层流动、双向流固耦合、材料的力学性能等均有较强相关性，目前其减阻功效尚缺乏有效的理论分析与数值模拟方法，主要通过试验评估。平板模型具有摩擦阻力占比高、易于加工等特点，是柔性表皮减阻功效试验评估最常用的试验模型。

现有技术中，使用平板模型进行柔性表皮的减阻功效评估试验时，需要在平板模型表面开凹槽，然后将柔性表皮粘贴在凹槽内，以形成试验样平板模型；然后设置若干个与试验样平板模型厚度相同的、未粘贴柔性表皮的对照样平板模型，通过测量试验样平板模型与对照样平板模型的阻力值，从而计算得到柔性表皮的减阻功效。但是这种方法具有如下缺点：

(1)对凹槽与柔性表皮的尺寸配合要求极高，当柔性表皮尺寸偏小时，易在柔性表皮周围形成缝隙和凹台；当柔性表皮尺寸偏大时，易使柔性表皮产生鼓包和凸台；同时，由于柔性表皮易发生局部变形，在将其与凹槽底部及四周粘合后，难以保证其外表面的平整度；

上述的缝隙、台阶、鼓包、不平整等缺陷在评估试验时会引起乱流，严重影响阻力测量值，从而影响评估试验的精度；

(2)需要忽略加工误差引起的试验样平板模型与对照样平板模型的厚度的差异，但是模型的厚度参数对阻力测量值有较大影响，忽略厚度差值会导致测量结果精度不高；

(3)由于柔性表皮粘贴在凹槽内，柔性表皮在平板模型上实际可覆盖的面积占比较小，从而使得有效测量信号较小，不利于准确分辨柔性表皮的减阻功效。

因此，现有的基于平板模型进行柔性表皮的减阻功效评估试验，其存在试验样模型制作困难、制作缺陷多，柔性表皮面积占比小、未能考虑试验样与对照样平板厚度差异的问题，对柔性表皮减阻功效的评估精度存在较大影响。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的基于平板模型的柔性表皮减阻功效试验评估方法，通过设置五个步骤，不需要在平板模型表面开槽便可计算得到柔性表皮的减阻功效，其操作简单，对加工工艺要求不高；同时，将试验样与对照样的厚度参数纳入评估范围之中，能够有效提高评估精度和结果准确性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于平板模型的柔性表皮减阻功效试验评估方法，包括如下步骤：

S1.制作设计厚度为H

S2.制作设计厚度为H

制作设计厚度为H

所述对照样平板模型D

所述对照样平板模型D

S3.通过高速空泡水筒试验测量步骤S1.中得到试验样平板模型S的实际阻力f

通过高速空泡水筒试验，逐一测量步骤S2.中得到的对照样平板模型D

S4.设置对照样平板模型D

根据(式1)计算得到厚度为H

(式1)中，F

F

F

H

H

H

S5.根据(式2)计算试验样平板模型S的减阻功效η

(式2)中，η

F

f

作为上述技术方案的进一步改进：

所述试验样平板模型S的结构为：包括基板和柔性表皮，所述柔性表皮均匀粘贴在基板的表面，并将基板完全包裹。

所述基板采用一体式结构，基板包括依次衔接的呈椭圆状的首部、呈平板状的主体部、呈楔形的尾部。

所述对照样平板模型D

所述基板采用铝合金材质。

所述柔性表皮采用柔性硅胶板。

采用游标卡尺测量试验样平板模型S、对照样平板模型D

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过设置五大步骤，基于线性拟合和数据插值原理，能够精确计算出柔性表皮的减阻功效，从而有效提高柔性表皮减阻功效试验评估方法的精确度，实现柔性表皮减阻功效的精确试验评估。

本发明在试验模型制作方面，摒弃了传统评估试验中使用的在基板表面开设凹槽的方法，采用基板外围粘贴单张柔性表皮的方式，能够有效防止因凹槽与柔性表皮的尺寸不匹配导致的缝隙、台阶、鼓包、不平整等缺陷，从而防止在评估试验时产生乱流，避免了对测量结果产生影响，有效提高了评估试验的精度。

本发明中柔性表皮完全包裹基板的外表面，增大了柔性表皮在平板模型上的实际可覆盖面积，从而有效增大了高速空泡水筒试验中的有效测量信号，有助于准确分辨柔性表皮的减阻功效。

本发明通过(式1)计算得到与试验样平板模型S的实际厚度相同的对照样平板模型D

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明中试验样平板模型S的剖视图一。

图3为本发明中试验样平板模型S的剖视图二。

其中：1、基板；101、首部；102、主体部；103、尾部。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

实施例一：

如图1-图3所示，本实施例的基于平板模型的柔性表皮减阻功效试验评估方法，包括如下步骤：

S1.制作设计厚度为H

S2.制作设计厚度为H

制作设计厚度为H

对照样平板模型D

对照样平板模型D

S3.通过高速空泡水筒试验测量步骤S1.中得到试验样平板模型S的实际阻力f

通过高速空泡水筒试验，逐一测量步骤S2.中得到的对照样平板模型D

S4.设置对照样平板模型D

根据(式1)计算得到厚度为H

(式1)中，F

F

F

H

H

H

S5.根据(式2)计算试验样平板模型S的减阻功效η

(式2)中，η

F

f

试验样平板模型S的结构为：包括基板1和柔性表皮，柔性表皮均匀粘贴在基板1的表面，并将基板1完全包裹。

基板1采用一体式结构，基板1包括依次衔接的呈椭圆状的首部101、呈平板状的主体部102、呈楔形的尾部103。

对照样平板模型D

基板1采用铝合金材质。

柔性表皮采用柔性硅胶板。

采用游标卡尺测量试验样平板模型S、对照样平板模型D

本实施例提供一种基于平板模型的柔性表皮减阻功效试验评估方法，基于当平板模型厚度少量变化时，其厚度值与阻力值呈近似线性的关系的原理，从而得到(式1)，根据(式1)计算得到相同厚度下不带有柔性表皮对照样平板模型D

实施例二：

本实施例与实施例一的不同之处在于：本实施例以尺寸为800mm×200mm×14mm的基板1，基板1上覆盖厚度为2.27mm柔性表皮的试验样平板模型S为例，同时额外增加了对照样平板模型D

从而提供一种基于平板模型的柔性表皮减阻功效试验评估方法，包括如下步骤：

S1.制作设计厚度为H

S1.1.试验样平板模型S的结构为：包括基板1和柔性表皮，柔性表皮均匀粘贴在基板1的表面，并将基板1完全包裹；

S1.2.基板1采用一体式结构，基板1包括依次衔接的呈椭圆状的首部101、呈平板状的主体部102、呈楔形的尾部103；

S1.3.在基板1的外表面粘贴柔性表皮时，将单张柔性表皮粘贴在基板1的上表面，随后绕过首部101，并与基板1的下表面进行粘贴，随后裁去柔性表皮的多余部分，使得柔性表皮仅在基板1的尾部103处留下一条接缝；

S1.4.本实施例中采用的铝合金材质的基板1，其尺寸为800mm×200mm×14mm(长L×宽W×厚H)，其首部的短轴与长轴之比为1:5，其尾部的短轴与长轴之比为1:5；

所述柔性表皮采用柔性硅胶板，其厚度为2.27mm，密度为1105.6Kg/m3，邵氏硬度A为33.1度，弹性模量为0.4MPa，泊松比为0.24；

S1.5.采用游标卡尺测量试验样平板模型S的实际厚度H

由步骤S1.4.可知，试验样平板模型S的设计厚度H

S2.制作设计厚度为H

制作设计厚度为H

制作设计厚度为H

对照样平板模型D

对照样平板模型D

对照样平板模型D

S2.1.由步骤S1.4.可知，试验样平板模型S的设计厚度H

其中，对照样平板模型D

S2.2.对照样平板模型D

S2.3.对于对照样平板模型D

对于对照样平板模型D

从而制作得到三件不同厚度的对照样平板模型D

S2.4.采用游标卡尺测量对照样平板模型D

S3.通过高速空泡水筒试验测量步骤S1.中得到的试验样平板模型S的实际阻力f

通过高速空泡水筒试验，逐一测量步骤S2.中得到的对照样平板模型D

S3.1.在阻力测量过程中，需要保持平板模型的攻角、漂角等姿态角为0；

S3.2.试验水速分别设置为2m/s、3m/s、4m/s、6m/s、8m/s、10m/s、12m/s；

S3.3.本实施例中不同试验水速下，测量获得的阻力数据如表1所示，

表1各平板模型阻力测量数据

S4.设置对照样平板模型D

根据(式1)计算得到厚度为H

(式1)中，F

F

F

H

H

H

S4.1.对照样平板模型D

S4.2.本实施例中，根据(式1)计算得到不同试验水速下厚度为H

表2厚度为H

S5.根据(式2)计算试验样平板模型S的减阻功效η

(式2)中，η

F

f

S5.1.本实施例中，根据(式2)计算得到的不同试验水速下试验样平板模型S的减阻功效η

表3柔性表皮减阻功效平板试验结果

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。