单片蹼的水动力性能试验研究

　　国内对蹼板的水动力性能进行的理论和试验研究比较多[1～4],但是文中这种对真实柔性摆动物体的水动力进行动态采集的试验研究,在国内尚属首次.笔者以3个有代表性的国内外冠军蹼原型为试验对象,以武汉理工大学交通学院流体力学研究所的循环水槽为实验场所,动态采集蹼运动过程中的6个自由度的力和力矩,角加速度传感器同时采集蹼的角位移,获得了大量可靠的资料.

　　从采集的试验曲线的重复性和稳定性来看,试验相当成功.本次试验研究对后续的试验研究,蹼形的设计以及蹼泳运动员的训练等均提供了有价值的参考.

　　1　试验仪器设备

　　1.1　试验对象

　　直接对3个冠军蹼原型进行试验,它们的平面形状及参数如图1所示.

　　1号蹼为薄板型男蹼,其平面面积S=0.3064 m2,展弦比λ=b2/S=1.7,后掠角α=23.25°,是较早期的中国男冠军蹼.

　　2号为立体型男蹼,平面面积S=0.307 m2,展弦比λ=1.83,后掠角α=27.11°,是俄国男冠军蹼.

　　3号为立体型女蹼,平面面积S=0.288 m2,展弦比λ=1.79,后掠角α=27.36°,是俄国女冠军蹼.

　　1.2　试验仪器设备

　　试验是在武汉理工大学交通学院流体力学研究所的大型循环水槽实验室完成的.循环水槽实验段尺寸:长6 m、宽1.8 m、试验水深0.9 m,最大水速1.8 m/s,水槽两侧壁设置透明玻璃观察窗.

　　数码相机架设在观察窗处,对蹼的水下运动姿态进行全过程摄影.

　　在距水槽试验段前端1 m左右处,放置一套由直流电机驱动的、能使蹼摆动的装置,由直流调速器、直流电机、平面运动机构、3根连杆组成,摆机构与天平和蹼的装配示意图如图2所示.该机构能够调整蹼的水下深度,以及改变蹼的摆动幅度和摆动频率.其中,由连杆1和3做竖直的上下往复移动,带动杆2绕某点往返摆动,同时带动蹼板绕相同的点上下摆动.杆2可在节点1和节点2处作微小的移动,以保证蹼绕转动顶点的半径不变.

　　采用角加速度传感器采集蹼的角位移;六分力应变天平采用防水设计,测量作用于蹼的6个自由度的水动力;数据采集卡动态采集水动力在蹼运动过程中随时间变化的数据,同时在计算机屏幕上显示水动力随时间的变化曲线以及角加速度传感器采集的角位移曲线,并且显示曲线的个数可按需要选取.

　　2　试验内容

　　对3个蹼分别进行了如下内容的试验.

　　1号蹼:在绕节点1的小摆幅运动下,改变5种来流速度进行试验;在每一种来流速度下,又改变4～6种蹼的摆动频率来进行系列试验.

　　2号蹼:分别在绕节点1的小摆幅运动和在绕节点2的大摆幅运动下,进行了5种来流速度、每一来流速度又改变4～6种摆动频率的试验.