CN102607803B

CN102607803B - 一种具有增压装置的流体驱动结构高速转动试验装置

Info

Publication number: CN102607803B
Application number: CN201110442413.1A
Authority: CN
Inventors: 孙凌玉; 李伟; 姚京宁
Original assignee: Beihang University
Current assignee: BEIJING HANGSHU VEHICLE DATA INSTITUTE Co.,Ltd.
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: CN102607803A

Abstract

一种具有增压装置的流体驱动结构高速转动试验装置，它包括增压系统、流体机械系统和信号采集分析系统；其间关系是：增压系统驱动流体在流体机械系统中高速运动，信号采集分析系统的传感器布置在流体机械系统内部；本发明主要用于研究高速运动流体和机械结构的流固耦合机理，验证仿真算法的准确性和适用性；它能够部分代替复杂、昂贵的水洞试验设备，用于研究机械结构的动态响应与流体运动参数的关系。该试验装置能够为流体机械结构设计提供理论依据，通过分析试验数据，可以深入地探索流固耦合机理与尺度律等问题。它在水利水电工程、海洋船舶工程和武器工业工程技术领域里具有较好的实用和参考价值。

Description

一种具有增压装置的流体驱动结构高速转动试验装置

(一)技术领域

本发明涉及一种具有增压装置的流体驱动结构高速转动试验装置，它是一种由增压装置促使流体高速流动，流体驱动机械结构高速转动的试验装置。它主要用于研究高速运动流体和机械结构的流固耦合机理，验证仿真算法的准确性和适用性；它能够部分代替复杂、昂贵的水洞试验设备，用于研究机械结构的动态响应与流体运动参数的关系。通过分析试验数据，可以深入地探索流固耦合机理与尺度律等问题。该试验装置能够为流体机械结构设计提供理论依据，属于水利水电工程、海洋船舶工程和武器工业工程技术领域。

(二)背景技术

薄板是流体机械结构的基本单元。由于受到高速流体的冲击，薄板会高速转动，并且发生变形。薄板在流体中高速转动将会影响流场分布，流体将会导致薄板变形，这是流体-固体相互作用的复杂过程。具体的过程是：由于薄板的运动和变形，导致流体域的边界发生改变，进而影响流体域的压强分布，特别是流体作用在薄板表面的压强分布；同时，流体压强的作用也会影响薄板的变形趋势。

薄板受到流体冲击，绕转轴高速转动，是大位移、非线性和弹(塑)性变形的瞬态过程，即典型的流固耦合过程。在水力发电机等工作时，都会发生这种流固耦合过程。国内外对这类问题的理论和仿真分析正在逐步完善，但是基本没有涉及试验验证。对该问题进行试验分析，有助于准确地掌握流固耦合现象，并且可以评估仿真方法的准确性和适用性，还可以进一步地指导仿真模型修正工作，得到更加准确的仿真结果。运用试验装置进行试验的验证，是研究流固耦合问题的重要组成部分。

一般情况下，涉及到流体力学的试验研究，包括流固耦合试验研究，大多应用水洞试验装置。水洞试验装置虽然是流体力学试验研究的通用装置，但是有设备尺寸比较大，空间占用比较大，推动水流动的动力系统功率很大，能源消耗和试验费用很大等劣势。如果试验器件按照1∶1制作，制作周期较长，制作成本很高，试验过程中测量元件的安装和测试也不够方便。

因此，特别需要设计一个满足这一类问题研究需求的流固耦合试验装置，它既满足试验的基本要求，可以高效、快捷地完成试验，获取数据；又可以不过多地占用空间资源，减少成本，节约能源。

(三)发明内容

1、目的：

本发明的目的是提供一种具有增压装置的流体驱动结构高速转动试验装置。它针对水下高速转动机构，为仿真方法提供试验参考依据，从而评估仿真方法的准确性和适用性。通过试验，可以从系统的角度掌握转动速度、转动加速度等对于薄板上应力、应变分布的影响。通过采用不同尺寸的水下结构进行试验，然后分析对比，可以探索如何利用小尺度缩比实验的结果还原出原型系统的响应特性，为水下大尺度结构设计提供理论指导。同时，还可以研究水下结构运动学控制与限位机构碰撞吸能。

2、技术方案：

见图1，本发明一种具有增压装置的流体驱动结构高速转动试验装置，它包括增压系统、流体机械系统和信号采集分析系统。系统之间的相互关系是：增压系统驱动流体在流体机械系统中高速运动，信号采集分析系统的传感器布置在流体机械系统内部。

所述增压系统由波纹管和气泵组成，其位置和连接关系是：气泵放置在水平地面；波纹管的一端连接气泵的排气口，另一端与高压储水箱的侧壁上部相通。该波纹管是耐高压金属树脂复合波纹管，是市购标准件；该气泵是市购件。

所述流体机械系统由支架、高压储水箱、PVC管、蝶阀、排水阀、水箱、转轴、刚性联轴器、轴承、轴承座、薄板、和档杆组成，其位置和连接关系是：支架通过螺栓固定在墙壁上；高压储水箱通过螺栓固定在支架顶端；高压储水箱侧壁上端连接着波纹管；PVC管的直管部分连接在高压储水箱的底部，弯管部分连接着蝶阀一端；水箱放置在水平地面；蝶阀另一端安装在水箱侧壁；排水阀安装在相邻水箱侧壁的下端；在临近蝶阀的水箱侧壁附近竖直安装转轴，转轴两端分别通过轴承和轴承座与水箱上、下端面连接；刚性联轴器连接转轴的上半轴、中间轴和下半轴三部分；薄板安装在转轴中段的通槽中，用垫片和螺栓固定；档杆从水箱上端面通孔处竖直插入到水箱下底面的圆形槽座中进行安装，在转轴附近。该支架是金属结构三角形支架，由角钢弯折、连接制成，用于支撑高压储水箱。该高压储水箱由高强度钢板制成的箱体结构，经过密封处理，用于储存流体，进行冲击试验。该PVC管由直管和弯管连接组成，是市购标准件，用于引导流体运动。该蝶阀是市购标准件，用于控制流体进入水箱。该排水阀是市购标准件，用于排出水箱里的水。该水箱是钢板制成的盒式结构，上端面约有2/3敞开，在四个侧壁的下边缘处焊接把手，用于提供流体域的试验环境。该转轴是钢制材料，分为上半轴、中间轴和下半轴三部分。上半轴和下半轴分别通过轴承和轴承座与水箱上、下面端面进行连接；中间轴在中间位置开有通槽，用于插入和固定薄板，中间轴侧面开有4个通孔，用于插入螺栓固定薄板；中间轴分别与上半轴和下半轴用刚性联轴器相连。该刚性联轴器是钢制的定制件，连接转轴的上半轴、中间轴和下半轴，提供刚性连接。该轴承是角接触轴承，是市购标准件，用于转轴定位。该轴承座是市购标准件，与角接触轴承的型号配套，用于安装轴承。该薄板是钢制矩形板料，用于扰动流体域，实现流固耦合。该档杆是钢制圆柱体直杆，用于阻挡薄板，防止转动角度超过额定值。

所述信号采集分析系统由应变片、靶式流量计、角位移传感器、动态应变仪、智能信号采集分析仪和计算机组成，其位置和连接关系是：在薄板表面的关键点(根据试验目的和需求选择关键点)处粘贴应变片；在蝶阀顶端，靠近水箱的位置，安装靶式流量计；角位移传感器连接在转轴的上半轴顶端；应变片、靶式流量计和角位移传感器引出的数据线连接到动态应变仪；动态应变仪通过数据线连接智能信号采集分析仪；智能信号采集分析仪通过数据线连接计算机；动态应变仪、智能信号采集分析仪和计算机水平放置在操作平台上。该应变片为市购标准件，用于测量薄板的动态应变。该靶式流量计用于测量流体的流速，由靶杆、靶杆套筒和靶杆支座构成；靶杆固定在靶杆支座上，靶杆套筒包裹着靶杆，靶杆端部露在靶杆套筒外面。该靶杆是片状工字结构，在靠近靶杆支座处，正反两面贴有应变片；该靶杆套筒为圆管结构；该靶杆支座是圆柱结构，端部和表面设置有沟槽，用于安装靶杆、布置数据线。该角位移传感器是市购件，通过抱紧式弹性联轴器与转轴柔性连接，用于测量转轴的转角变化。该动态应变仪和智能信号采集分析仪是市购件，用于采集和分析应变片产生的动态应变信号。该计算机是市购件。

其中，该气泵的型号是W-5.0/12.5；

其中，该蝶阀的型号是D71X-16；

其中，该排水阀的型号是P20S；

其中，该轴承的型号是7207B；

其中，该应变片的型号是：BX120-3CA；

其中，该该动态应变仪的型号是SDY2102；

其中，该智能信号采集分析仪的型号是INV306G(H)

其中，该该计算机的型号是Vostro 260。

本发明工作流程如下：

试验前，关闭蝶阀和排水阀；高压储水箱中注水3/4，PVC管中注满水，水箱中注水4/5；安装试验要求的尺度的薄板，薄板处于试验要求的位置；接通动态应变仪、智能信号采集分析仪和计算机的电源。试验开始，启动动态应变仪、智能信号数据采集分析仪、计算机，打开蝶阀。试验过程中，流体冲击薄板，实现高速转动，动态应变仪和智能信号采集分析仪采集应变片和靶式流量计测出的动态数据，计算机实时地显示数据并且存储数据。

3、本发明一种具有增压装置的流体驱动结构高速转动试验装置，它的优点是：

①试验装置结构紧凑、节省空间，易于移动、拆卸，造价低、经济实用；

②试验装置相对于水洞试验设备，节省水资源，耗电量低、节约能源；

③可以精确地控制薄板的转速，或者作用在薄板上的驱动力矩；

④可以灵活地更换不同尺度的薄板，为研究流固耦合的尺度率规律提供方便；

⑤测量元件安装联接方便，易于实施测量。

(四)附图说明

图1a本发明的薄板在水下受流体驱动的流固耦合试验装置结构立体示意图

图1b本发明的薄板在水下受流体驱动的流固耦合试验装置结构正视图

图2a靶式流量计的结构爆炸图

图2b靶式流量计的结构示意图

图3转轴的结构示意图

图中符号说明如下：

1气泵；2波纹管；3高压储水箱；4支架；5PVC管；6蝶阀；7靶式流量计；8角位移传感器；9抱紧式弹性联轴器；10水箱；11排水阀；12轴承；13轴承座；14转轴；15薄板；16档杆；17应变片；18动态应变仪；19智能信号采集分析仪；20计算机；21靶杆支座；22靶杆套筒；23靶杆；24上半轴；25中间轴；26下半轴；27刚性联轴器。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：

见图1a，图1b，图2a，图2b和图3，本发明一种具有增压装置的流体驱动结构高速转动试验装置，它包括增压系统、流体机械系统和信号采集分析系统。系统之间的相互关系是：增压系统驱动流体在流体机械系统中高速运动，信号采集分析系统的传感器布置在流体机械系统内部。

所述增压系统由波纹管2和气泵1组成，其位置和连接关系是：气泵1放置在水平地面；波纹管2的一端连接气泵的排气口，另一端与高压储水箱3的侧壁上部相通。该波纹管2是耐高压金属树脂复合波纹管，是市购标准件；该气泵是W-5.0/12.5型高压气泵。

所述流体机械系统由支架4、高压储水箱3、PVC管5、蝶阀6、排水阀11、水箱10、转轴、刚性联轴器27、轴承12、轴承座13、薄板15和档杆16组成，其位置和连接关系是：支架4通过螺栓固定在墙壁上；高压储水箱3通过螺栓固定在支架4顶端；高压储水箱3侧壁上端连接着波纹管2；PVC管5的直管部分连接在高压储水箱3的底部，弯管部分连接着蝶阀6一端；水箱10放置在水平地面；蝶阀6另一端安装在水箱10侧壁；排水阀11安装在相邻水箱10侧壁的下端；在临近蝶阀6的水箱10侧壁附近竖直安装转轴，转轴两端分别通过轴承12和轴承座13与水箱10上、下端面连接；刚性联轴器27连接转轴的上半轴24、中间轴25和下半轴26三部分；薄板15安装在转轴中段的通槽中，用垫片和螺栓固定；档杆16从水箱10上端面通孔处竖直插入到水箱10下底面的圆形槽座中进行安装，在转轴附近。该支架4是金属结构三角形支架，由角钢弯折、焊接制成，用于支撑高压储水箱。该高压储水箱3由高强度钢板制成的箱体结构，经过密封处理，用于储存流体，进行冲击试验。该PVC管5由直管和弯管连接组成，是市购标准件，用于引导流体运动。该蝶阀6是市购标准件，型号是D71X-16，用于控制流体进入水箱。该排水阀11是市购标准件，型号是P20S，用于排出水箱里的水。该水箱10是钢板制成的盒式结构，上端面有约2/3敞开，在四个侧壁的下边缘处焊接把手，用于提供流体域的试验环境。该转轴是钢制材料，分为上半轴24、中间轴25和下半轴26三部分。上半轴24和下半轴26分别通过轴承12和轴承座13与水箱10上、下面端面进行连接；中间轴25在中间位置开有通槽，用于插入和固定薄板15，中间轴25侧面开有4个通孔，用于插入螺栓固定薄板15；中间轴25分别与上半轴24和下半轴26用刚性联轴器27相连。该刚性联轴器27是钢制的定制件，连接转轴的上半轴24、中间轴25和下半轴26，提供刚性连接。该轴承12是角接触轴承，是市购标准件，型号是7207B，用于转轴定位。该轴承座13是市购标准件，与角接触轴承的型号配套，用于安装轴承12。该薄板15是钢制矩形板料，用于扰动流体域，实现流固耦合。该档杆16是钢制圆柱体直杆，用于阻挡薄板15，防止转动角度超过额定值。

所述信号采集分析系统由应变片17、靶式流量计7、角位移传感器8、动态应变仪18、智能信号采集分析仪19和计算机20组成，其位置和连接关系是：在薄板15表面的关键点(根据试验目的和需求选择关键点)处粘贴应变片17；在蝶阀6顶端靠近水箱10的位置，安装靶式流量计7；角位移传感器8连接在转轴的上半轴24顶端；应变片17、靶式流量计7和角位移传感器8引出的数据线连接到动态应变仪18；动态应变仪18通过数据线连接智能信号采集分析仪19；智能信号采集分析仪19通过数据线连接计算机20；动态应变仪18、智能信号采集分析仪19和计算机20水平放置在操作平台上。该应变片17为市购标准件，型号规格是：BX120-3CA，用于测量薄板15的动态应变。该靶式流量计7用于测量流体的流速，由靶杆支座21、靶杆套筒22和靶杆23构成；靶杆23固定在靶杆支座21上，靶杆套筒22包裹着靶杆23，靶杆23端部露在靶杆套筒22外面。该靶杆23是片状工字结构，在靠近靶杆支座21处，正反两面贴有应变片17；该靶杆套筒22为圆管结构；该靶杆支座21是圆柱结构，端部和表面设置有沟槽，用于安装靶杆23、布置数据线。该角位移传感器8是市购件，通过抱紧式弹性联轴器9与转轴柔性连接，用于测量转轴的转角变化。该动态应变仪18和智能信号采集分析仪19是市购件，型号分别是SDY2102、INV306G(H)，用于采集和分析应变片17产生的动态应变信号。该计算机20是市购件，型号是Vostro 260。

Claims

1.一种具有增压装置的流体驱动结构高速转动试验装置，其特征在于：它包括增压系统、流体机械系统和信号采集分析系统；增压系统驱动流体在流体机械系统中高速运动，信号采集分析系统的传感器布置在流体机械系统内部；

所述增压系统由波纹管和气泵组成，气泵放置在水平地面，波纹管的一端连接气泵的排气口，另一端与高压储水箱的侧壁上部相通；该波纹管是耐高压金属树脂复合波纹管，该气泵是按需选购件；

所述流体机械系统由支架、高压储水箱、PVC管、蝶阀、排水阀、水箱、转轴、刚性联轴器、轴承、轴承座、薄板和档杆组成；支架通过螺栓固定在墙壁上，高压储水箱通过螺栓固定在支架顶端，高压储水箱侧壁上端连接着波纹管；该PVC管由直管和弯管连接组成，用于引导流体运动；该PVC管的直管部分连接在高压储水箱的底部，弯管部分连接着蝶阀一端；水箱放置在水平地面，蝶阀另一端安装在水箱侧壁；排水阀安装在相邻水箱侧壁的下端，在临近蝶阀的水箱侧壁附近竖直安装转轴，转轴两端分别通过轴承和轴承座与水箱上、下端面连接；刚性联轴器连接转轴的上半轴、中间轴和下半轴三部分；薄板安装在转轴中段的通槽中，用垫片和螺栓固定；档杆在转轴附近从水箱上端面通孔处竖直插入到水箱下底面的圆形槽座中进行安装；该支架是金属结构三角形支架，由角钢弯折、连接制成，用于支撑高压储水箱；该高压储水箱由高强度钢板制成的箱体结构，经过密封处理，用于储存流体，进行冲击试验；该蝶阀用于控制流体进入水箱，该排水阀用于排出水箱里的水；该水箱是钢板制成的盒式结构，上端面有2/3敞开，在四个侧壁的下边缘处焊接把手，用于提供流体域的试验环境；该转轴是钢制材料，分为上半轴、中间轴和下半轴三部分；上半轴和下半轴分别通过轴承和轴承座与水箱上、下面端面进行连接；中间轴在中间位置开有通槽，用于插入和固定薄板，中间轴侧面开有4个通孔，用于插入螺栓固定薄板；中间轴分别与上半轴和下半轴用刚性联轴器相连；该刚性联轴器是钢制的定制件，连接转轴的上半轴、中间轴和下半轴，提供刚性连接；该轴承是标准角接触轴承，用于转轴定位；该轴承座与角接触轴承的型号配套，用于安装轴承；该薄板是钢制矩形板料，用于扰动流体域，实现流固耦合；该档杆是钢制圆柱体直杆，用于阻挡薄板，防止转动角度超过额定值；

所述信号采集分析系统由应变片、靶式流量计、角位移传感器、动态应变仪、智能信号采集分析仪和计算机组成；在薄板表面的关键点处粘贴应变片；在蝶阀顶端靠近水箱的位置，安装靶式流量计；角位移传感器连接在转轴的上半轴顶端；应变片、靶式流量计和角位移传感器引出的数据线连接到动态应变仪；动态应变仪通过数据线连接智能信号采集分析仪；智能信号采集分析仪通过数据线连接计算机；动态应变仪、智能信号采集分析仪和计算机水平放置在操作平台上；该应变片用于测量薄板的动态应变，该靶式流量计用于测量流体的流速，它由靶杆、靶杆套筒和靶杆支座构成；靶杆固定在靶杆支座上，靶杆套筒包裹着靶杆，靶杆端部露在靶杆套筒外面；该靶杆是片状工字结构，在靠近靶杆支座处，正反两面贴有应变片；该靶杆套筒为圆管结构；该靶杆支座是圆柱结构，端部和表面设置有沟槽，用于安装靶杆、布置数据线；该角位移传感器是按需选购的传感器，通过抱紧式弹性联轴器与转轴柔性连接，用于测量转轴的转角变化；该动态应变仪和智能信号采集分析仪是按需选购的仪器，用于采集和分析应变片产生的动态应变信号；该计算机是按需选购的计算机。