阅读说明：本技术 冰桨碰撞螺旋桨水动力性能同步测试装置及测试方法 (Device and method for synchronously testing hydrodynamic performance of ice propeller colliding propeller ) 是由 武珅 刘玉文 徐良浩 宋明太 芮伟 周剑 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：一种冰桨碰撞螺旋桨水动力性能同步测试装置及测试方法,包括空泡水筒试验段,空泡水筒试验段横向布置,空泡水筒试验段的上部设置有空泡水筒上盖板,空泡水筒上盖板处通过定位装置安装有布放装置,布放装置的中心线与空泡水筒上盖板垂直,布放装置穿过空泡水筒上盖板伸入至空泡水筒试验段内部,并在布放装置的下端夹持试验模型冰；空泡水筒试验段内部还安装有长轴动力仪,长轴动力仪的端部安装有桨模；空泡水筒试验段的一侧壁安装有观察窗；测试方便,能够实时同步采集冰块运动位置、冰桨碰撞作用过程和螺旋桨的水动力性能,为分析不同冰桨碰撞过程对螺旋桨水动力性能影响提供可靠依据。(A synchronous testing device and a testing method for hydrodynamic performance of an ice propeller collision propeller comprise a cavitation water cylinder testing section, wherein the cavitation water cylinder testing section is transversely arranged, the upper part of the cavitation water cylinder testing section is provided with a cavitation water cylinder upper cover plate, a distributing device is arranged at the position of the cavitation water cylinder upper cover plate through a positioning device, the central line of the distributing device is perpendicular to the cavitation water cylinder upper cover plate, the distributing device penetrates through the cavitation water cylinder upper cover plate and extends into the cavitation water cylinder testing section, and test model ice is clamped at the lower end of the distributing device; a long shaft power instrument is also arranged in the test section of the cavitation water cylinder, and a paddle die is arranged at the end part of the long shaft power instrument; an observation window is arranged on one side wall of the test section of the cavitation water cylinder; the test is convenient, can gather ice-cube motion position, ice oar collision effect process and the hydrodynamic performance of screw in real time in step, provides reliable foundation for the analysis different ice oar collision processes influence the propeller hydrodynamic performance.)

冰桨碰撞螺旋桨水动力性能同步测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及测试平台技术领域，尤其是一种冰桨碰撞螺旋桨水动力性能同步测试装置及测试方法。

背景技术

船舶在冰区航行时，破碎冰块沿船侧和船底滑动至船尾，与螺旋桨发生冰桨碰撞切削作用，对螺旋桨性能产生影响。

冰块在螺旋桨旋转抽吸力、重力和浮力等综合作用下，存在平动和转动的多自由度，与螺旋桨碰撞作用过程具有瞬态、随机和不确定性等特点，使得螺旋桨水动力性能随时间和空间非定常变化。

在冰桨碰撞螺旋桨性能模型试验中，如果仅采集螺旋桨水动力而不辅以冰桨碰撞的实时作用过程图像，难以对不同时刻的螺旋桨水动力曲线变化进行准确解释，不能达到分析冰桨碰撞过程对螺旋桨性能影响的目的。

由于冰桨碰撞是个瞬态的作用过程，捕捉冰块运动和冰桨碰撞的细节信息需要借助于高速摄影技术，且需保证高速摄影和螺旋桨水动力性能的采集实现实时同步。因此，为满足冰桨碰撞对螺旋桨水动力性能影响模型试验的测试和分析要求，需要建立一种冰桨碰撞螺旋桨水动力性能同步测试平台。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种冰桨碰撞螺旋桨水动力性能同步测试装置及测试方法，从而能够实时同步采集冰块运动位置、冰桨碰撞作用过程和螺旋桨的水动力性能，为分析不同冰桨碰撞过程对螺旋桨水动力性能影响提供可靠依据。

本发明所采用的技术方案如下：

一种冰桨碰撞螺旋桨水动力性能同步测试装置，包括空泡水筒试验段，所述空泡水筒试验段横向布置，所述空泡水筒试验段的上部设置有空泡水筒上盖板，所述空泡水筒上盖板处通过定位装置安装有布放装置，所述布放装置的中心线与空泡水筒上盖板垂直，所述布放装置穿过空泡水筒上盖板伸入至空泡水筒试验段内部，并在布放装置的下端夹持试验模型冰；所述空泡水筒试验段内部还安装有长轴动力仪，所述长轴动力仪的端部安装有桨模；所述空泡水筒试验段的一侧壁安装有观察窗；

位于空泡水筒试验段的外部设置有桨模水动力采集卡，所述桨模水动力采集卡与长轴动力仪通过第一数据线连接，观察窗的外部还设置有高速相机，所述高速相机与图像采集控制器连接，高速相机的一旁还设置有照明光源，满足高速相机的光量。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述布放装置通过定位装置实现轴向、垂向和侧向定位。

所述布放装置位于试验螺旋桨模型的来流前方上部。

所述长轴动力仪位于空泡水筒试验段的来流上游出轴，长轴动力仪通过支撑架与空泡水筒试验段的内壁螺栓固定。

所述高速相机包括有第一相机和第二相机，第一相机和第二相机之间通过第二数据线连接，第一相机通过第三数据线与图像采集控制器连接，在试验模型冰释放时由图像采集控制器给出触发信号，控制第一相机和第二相机开始同步进行图像拍摄；第一相机通过第四数据线与桨模水动力采集卡相连接，在桨模推扭水动力的时历变化采集过程中，桨模水动力采集卡可通过第四数据线获取到高速相机开始和结束图像采集的信号。

一种冰桨碰撞螺旋桨水动力性能同步测试装置的测试方法，包括如下操作步骤：

首先选择空泡水筒某一段为空泡水筒试验段；

空泡水筒试验段横向布置，在空泡水筒试验段的顶部安装空泡水筒上盖板，然后在空泡水筒上盖板上垂直安装布放装置，布放装置伸入空泡水筒试验段内部；

然后安装好长轴动力仪和桨模；

空泡水筒试验段外部的桨模水动力采集卡、照明光源、高速相机和图像采集控制器；

启动空泡水筒的水速和螺旋桨转速至指定工况运行，由长轴动力仪测量桨模的推力和扭矩时历变化，并记录于桨模水动力采集卡上；

待桨模水动力曲线采集稳定后，由布放装置释放试验模型冰，然后图像采集控制器给出触发信号，控制高速相机从不同视角开始对冰块运动和冰桨碰撞作用过程进行同步拍摄；

桨模水动力采集卡在记录桨模水动力的同时收到高速相机开始和结束图像拍摄的时刻信号；

结合高速相机的图像采集与桨模水动力采集卡的时刻对应关系，以及高速相机的图像采集帧数，可获得不同时刻的冰块运动、冰桨碰撞作用状态和对应桨模水动力性能结果。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，船舶在冰区航行时，破碎冰块沿船侧和船底滑动至船尾，与螺旋桨发生冰桨碰撞切削作用，对螺旋桨性能产生影响。冰块在螺旋桨旋转抽吸力、重力和浮力等综合作用下，存在平动和转动的多自由度，与螺旋桨碰撞作用过程具有瞬态、随机和不确定性等特点，使得螺旋桨水动力性能随时间和空间非定常变化。在冰桨碰撞螺旋桨性能模型试验中，如果仅采集螺旋桨水动力而不辅以冰桨碰撞的实时作用过程图像，难以对不同时刻的螺旋桨水动力曲线变化进行准确解释，不能达到分析冰桨碰撞过程对螺旋桨性能影响的目的。现通过测试装置，可以方便的对试验模型冰的运动状态进行捕捉，然后通过同步测试方法可以得到冰桨碰撞的时空多特征变化信息，为综合分析冰桨碰撞对螺旋桨水动力性能影响提供可靠依据。

附图说明

图1为本发明冰桨碰撞螺旋桨水动力性能同步测试装置的结构示意图。

图2为本发明的螺旋桨水动力和高速相机的同步信号曲线示意图。

图3为本发明典型冰桨碰撞过程和螺旋桨水动力性能同步测试结果示意图

(实施例一)。

图4为本发明典型冰桨碰撞过程和螺旋桨水动力性能同步测试结果示意图

(实施例二)。

其中：1、桨模水动力采集卡；2、空泡水筒上盖板；3、空泡水筒试验段；4、观察窗；5、布放装置；6、试验模型冰；7、长轴动力仪；8、桨模；9、图像采集控制器；10、高速相机；11、照明光源。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的冰桨碰撞螺旋桨水动力性能同步测试装置，包括空泡水筒试验段3，空泡水筒试验段3横向布置，空泡水筒试验段3的上部设置有空泡水筒上盖板2，空泡水筒上盖板2处通过定位装置安装有布放装置5，布放装置5的中心线与空泡水筒上盖板2垂直，布放装置5穿过空泡水筒上盖板2伸入至空泡水筒试验段3内部，并在布放装置5的下端夹持试验模型冰6；空泡水筒试验段3内部还安装有长轴动力仪7，长轴动力仪7的端部安装有桨模8；空泡水筒试验段3的一侧壁安装有观察窗4；

位于空泡水筒试验段3的外部设置有桨模水动力采集卡1，桨模水动力采集卡1与长轴动力仪7通过第一数据线连接，观察窗4的外部还设置有高速相机10，高速相机10与图像采集控制器9连接，高速相机10的一旁还设置有照明光源11，满足高速相机10的光量。

布放装置5通过定位装置实现轴向、垂向和侧向定位。

布放装置5位于试验螺旋桨模型的来流前方上部。

长轴动力仪7位于空泡水筒试验段3的来流上游出轴，长轴动力仪7通过支撑架与空泡水筒试验段3的内壁螺栓固定。

高速相机10包括有第一相机和第二相机，第一相机和第二相机之间通过第二数据线连接，第一相机通过第三数据线与图像采集控制器9连接，在试验模型冰6释放时由图像采集控制器9给出触发信号，控制第一相机和第二相机开始同步进行图像拍摄；第一相机通过第四数据线与桨模水动力采集卡1相连接，在桨模推扭水动力的时历变化采集过程中，桨模水动力采集卡1可通过第四数据线获取到高速相机10开始和结束图像采集的信号。

本实施例的冰桨碰撞螺旋桨水动力性能同步测试装置的测试方法，包括如下操作步骤：

首先选择空泡水筒某一段为空泡水筒试验段3；

空泡水筒试验段3横向布置，在空泡水筒试验段3的顶部安装空泡水筒上盖板2，然后在空泡水筒上盖板2上垂直安装布放装置5，布放装置5伸入空泡水筒试验段3内部；

然后安装好长轴动力仪7和桨模8；

空泡水筒试验段3外部的桨模水动力采集卡1、照明光源11、高速相机10和图像采集控制器9；

启动空泡水筒的水速和螺旋桨转速至指定工况运行，由长轴动力仪7测量桨模8的推力和扭矩时历变化，并记录于桨模水动力采集卡1上；

待桨模水动力曲线采集稳定后，由布放装置5释放试验模型冰6，然后图像采集控制器9给出触发信号，控制高速相机10从不同视角开始对冰块运动和冰桨碰撞作用过程进行同步拍摄；

桨模水动力采集卡1在记录桨模水动力的同时收到高速相机10开始和结束图像拍摄的时刻信号；

结合高速相机10的图像采集与桨模水动力采集卡1的时刻对应关系，以及高速相机10的图像采集帧数，可获得不同时刻的冰块运动、冰桨碰撞作用状态和对应桨模水动力性能结果。

本发明的具体结构和功能如下：

布放装置5固定在空泡水筒试验段3的空泡水筒上盖板2上，布放装置5经轴向、垂向和侧向定位后，位于试验螺旋桨模型的来流前方上部，试验模型冰6夹持固定于布放装置5的下端，实现试验模型冰6的初始位置定位和布放，试验模型冰6释放后在螺旋桨旋转抽吸力、浮力和重力等作用下向空泡水筒下游自由运动。

长轴动力仪7由空泡水筒的来流上游出轴，通过支撑架与空泡水筒内壁螺栓固定，试验螺旋桨模型(桨模8)固定于长轴端部，长轴中空内置桨模驱动装置和推力扭矩天平，可测量桨模在旋转过程中推力和扭矩的时历变化。

桨模水动力采集卡1位于空泡水筒的外部，与长轴动力仪7通过第一数据线连接。

两台高速相机10位于空泡水筒侧面的透明的观察窗4的外部，由第一相机和第二相机组成，第一相机的视角较大用于记录模型冰运动轨迹和冰桨碰撞切削的整体作用效果，第二相机则聚焦捕捉模型冰与桨叶的碰撞破坏过程。

两台高速相机10通过第二数据线连接，保证两台相机的图像采集同步。

第一相机通过第三数据线与图像采集控制器9相连接，在模型冰释放时由图像采集控制器9给出触发信号，控制高速相机10开始同步进行图像拍摄。

第一相机通过第四数据线与桨模水动力采集卡1相连接，在桨模推扭水动力的时历变化采集过程中，桨模水动力采集卡1可通过第四数据线获取到两台相机开始和结束图像采集的信号，以保证采集图像和桨模水动力的实时对应，实现不同时刻冰块运动状态、冰桨碰撞过程和桨模水动力的同步采集。

照明光源11位于空泡水筒的透明的观察窗4外部，以满足高速相机10图像采集高帧率对进光量的要求。

完成平台装置部件的连接装配后，启动空泡水筒的水速和螺旋桨转速至指定工况运行，由长轴动力仪7测量桨模的推力和扭矩时历变化，并记录于桨模水动力采集卡1上。待桨模水动力曲线采集稳定后，由布放装置5释放试验模型冰6，然后图像采集控制器9给出触发信号，控制两台高速相机10从不同视角开始对冰块运动和冰桨碰撞作用过程进行同步拍摄，桨模水动力采集卡1在记录桨模水动力的同时收到高速相机10开始和结束图像拍摄的时刻信号。结合高速相机10图像采集与桨模水动力采集的时刻对应关系，以及高速相机10的图像采集帧数，可获得不同时刻的冰块运动、冰桨碰撞作用状态和对应桨模水动力性能结果。

如图2所示，为冰桨碰撞模型试验采集到的桨模推力时历变化和高速摄像的同步信号曲线示意图，实线为桨模推力的时历信号曲线，在曲线中的大幅波动段发生冰桨碰撞的作用过程，虚线为高速相机10的采集信号线。在试验模型冰6释放时由图像采集控制器9给出触发信号两台高速相机10开始图像采集，在桨模水动力采集卡1则收到上升沿电压信号作为图像采集的初始时刻记录。根据高速相机10的最大图像存储量和采集帧数要求计算得到图像的采集时长，作为下降沿信号结束同步采集。

如图3和图4所示，为两组典型冰桨碰撞过程和桨模推力的同步测试结果，两台高速相机10分别从整体和局部视角同步采集了试验模型冰6的运动和冰桨碰撞作用过程。不同冰块几何尺寸、释放条件和桨模运行工况下，冰块与桨叶存在单次、多次等不同的碰撞作用方式，桨模的推力变化曲线也存在较大差别。根据冰桨碰撞图像和桨模推力采集的时刻对应关系，通过所述同步测试方法可以得到冰桨碰撞的时空多特征变化信息，为综合分析冰桨碰撞对螺旋桨水动力性能影响提供可靠依据。

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。