CN103063404B - 一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置，包括动力及传动部分、试验部分、数据测量及采集部分，所述的试验部分包括外桶、配水空心轴、排水法兰、装置腔体、装置上盖、装置底板，外桶安装在由装置腔体、装置上盖、装置底板组成的封闭空间里，排水法兰安装在装置腔体上并与封闭空间相通，试验件设置在外桶里不与外桶相接触、并与配水空心轴相连且相连通，外桶底部连接花键槽，该花键槽与动力及传动部分相连，配水空心轴上设置小齿轮，小齿轮与数据测量及采集部分相连。本发明能够实现对射流表面及非光滑表面减阻效果的测试，亦能进行常规流体力学试验，不受试验条件限制、试验模型加工简单。

Description

一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种测试装置，具体地说是摩擦阻力测试装置。

背景技术

目前，国内外相关学者对流体与固体界面之间的运动减阻问题进行了广泛深入的理论探索及应用研究，并成功的在多方面取得了较为显著的进展。由于减阻问题能够直接影响到装备的能耗和力学性能，所以此问题的研究一直受到各国专家学者的关注，其研究方法主要从理论分析、数值模拟、模型试验等方面进行研究，最后通过比较试验装置中测试样件的减阻性能并得出所需结论，进而再投入到工程实际应用中。无论是理论分析，还是数值计算，都以模型试验获得的数据精度最高，更接近于实际，因此理论分析，数据模拟等最终也都需要试验的检验和验证。试验方法作为研究流体减阻的重要手段，对推进流体减阻理论的发展起到了非常重要的作用，流体力学新现象和新理论的提出，一般需要对流体进行大量测试试验。仿生射流表面能够减小流体与固体之间的摩擦阻力，减阻效果明显，是一种全新的减阻技术，当前对于此项技术的研究主要集中在理论分析与数值模拟阶段，因其还没有一套完整的射流表面测试试验装置，因此模型试验还无法完成。传统的减阻试验研究大多在水洞、水槽或水池拖曳等环境中进行，但是，由于其造价昂贵、耗资巨大、体积庞大、日常维护困难、噪声大、试验条件不易控制、试验模型复杂，在试验条件的各个方面都具有一定的局限性，并且以上所述装置均无法进行射流表面减阻试验的研究，因此，研究设计一台成本低廉、结构简单、试验方便的射流减阻测试试验装置显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供造价低、体积小、操作方便的一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置，其特征是：包括动力及传动部分、试验部分、数据测量及采集部分，所述的试验部分包括外桶、配水空心轴、排水法兰、装置腔体、装置上盖、装置底板，外桶安装在由装置腔体、装置上盖、装置底板组成的封闭空间里，排水法兰安装在装置腔体上并与封闭空间相通，试验件设置在外桶里不与外桶相接触、并与配水空心轴相连且相连通，外桶底部连接花键槽，该花键槽与动力及传动部分相连，配水空心轴上设置小齿轮，小齿轮与数据测量及采集部分相连。

本发明还可以包括：

1、还包括供水部分，供水部分包括泵、管，管连通泵和配水空心轴，泵从水槽中抽取液体通过管送入配水空心轴中，管上安装阀和流量计。

2、所述的动力及传动部分包括依次相连的调频电机、弹性柱销联轴器、转向箱、梅花型联轴器，梅花型联轴器上安装花键轴，花键轴与试验部分的花键槽相配合。

3、所述的数据测量及采集部分包括扭矩信号耦合器、大齿轮，扭矩信号耦合器通过直角座安装在试验部分上，扭矩信号耦合器还通过联轴器连接大齿轮，大齿轮与小齿轮相啮合。

4、所述的数据测量及采集部分包括扭矩信号耦合器、大齿轮，扭矩信号耦合器通过直角座安装在试验部分上，扭矩信号耦合器还通过联轴器连接大齿轮，大齿轮与小齿轮相啮合。

5、在进行非光滑表面试验时，直接向外桶内部注入流体，当流体完全充满外桶后，停止供水，使封闭空间封闭。

6、在进行射流表面试验时，试验件上设置射流孔，向试验件内部注入流体，继而流体沿试验件的射流孔流至外桶内部，当排水法兰处有均匀流体溢出时，停止供水。

7、试验件设置70个直径为3mm的射流孔，其排布规则如下：沿试验件周向方向，每排每间隔36°排布一个射流孔；沿试验件轴向方向，以距离试验件端面8mm处为基准，每隔14mm分布一排射流孔。

8、相邻两排射流孔在周向方向角度相错18°。

本发明的优势在于：造价低、体积小、日常维护方便、噪声低、不受试验条件限制、试验模型加工简单；试验装置能够实现对射流表面及非光滑表面减阻效果的测试，亦能进行常规流体力学试验；试验部分作为本装置的核心部分，具有方便拆装、试验样件易更换等特点；供水部分通过协调卧式离心泵、阀、涡轮流量计等元器件，可以精确的控制试验模型的射流速度，模拟多种射流环境；采用外桶旋转带动桶内流体做旋转运动的方式，实现施以内桶壁面来自运动流体摩擦扭矩的产生；试验过程中实现了水的循环利用，环保节能，无污染。

附图说明

图1为动力及传动部分结构图；

图2为供水部分结构图；

图3为试验部分结构图；

图4为数据测量及采集部分结构图；

图5为开有射流孔的试验件结构图；

图6为图5的A-A视图；

图7为图5的B-B视图；

图8为图5的C-C视图；

图9为具有非光滑表面的试验样件结构图一；

图10为具有非光滑表面的试验样件结构图二；

图11为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～11，动力及传动部分I主要由转向箱1、花键轴3、调频电机5、调频器6组成。调频电机5的输出轴与转向箱1的输入轴通过弹性柱销联轴器4联接，转向箱1与花键轴3通过梅花型联轴器2联接，进而将旋转运动由动力及传动部分I传递至试验部分III。为保证试验装置运行过程中的稳定性，进而将转向箱1及调频电机5均与地面通过地脚螺栓固结，并在下端铺设减振垫片，达到减振效果。试验开始前，需要对此部分进行相应的调试工作。调频器6对调频电机5进行控制，可以精确的设定调频电机5输出轴的转速，保证试验可行性的基础上减小电机启动时对装置内部元件的冲击，延长装置使用寿命。当装置运转呈稳定状态时，关闭电源，完成试验前的准备工作。试验过程中，当外桶内部充满水之后，启动调频电机5，通过调频器6使调频电机转速逐步增大到试验所需转速。此时，调频电机5的输出轴通过弹性柱销联轴器4带动转向箱1的输入轴旋转，经由一对相互啮合的锥齿轮，将转速传至转向箱1的输出轴，此旋转运动经由梅花型联轴器2传递给动力及传动部分I上端的花键轴3，进而实现试验装置外桶的旋转运动。

供水部分II主要由卧式离心泵7、阀8、涡轮流量计11、旋转接头12、水槽14组成。卧式离心泵7与阀8与之间采用法兰联接，其余部位采用圆锥管螺纹或热熔的方式联接，目的是保证供水部分II各管路之间的密封性及稳定性。管路采用PVC管10进行，在管路连接中，通过弯管接头13和弯管接头9来改变供水线路的角度，采用旋转接头12将供水管端部与试验部分III中配水空心轴26顶部相联接，避免供水过程中产生的振动对试验装置稳定性及数据准确性的影响。卧式离心泵7与地面之间铺设减振垫片，目的在于减振、增强系统稳定性的作用。在上端水平供水管路中通过圆锥管螺纹连有涡轮流量计11，通过阀8与涡轮流量计11的相互协调配合，进而精确计算出单位时间内卧式离心泵7的供水量，从而计算出单个射流孔的射流速度。装置调试工作结束后，需要保证水槽14盛有满足试验过程所需体积的水。射流试验前，通过控制阀8的开合程度，使卧式离心泵7沿PVC管及配水空心轴26向内桶34内部缓慢注水，继而流体沿内桶34外壁均布的射流孔缓慢溢出，流至外桶18内部。当排水口有均匀流体溢出时，表明水已完全充满外桶18，此时停止供水，完成试验前的准备工作。在射流试验过程中，流体经由管路中各个接头，传至试验部分III的配水空心轴26，并由配水空心轴26流至内桶34，最终由内桶34均布一定数量的射流孔喷射而出，完成射流。通过协调卧式离心泵7、阀8及涡轮流量计11，来控制水管中单位时间内水的流量，进而控制单个射流孔的射流速度，从而满足射流减阻试验研究的要求。做非光滑表面试验时，首先从装置外部直接向外桶18内部缓慢供水。当流体完全充满外桶18后，停止供水，盖上装置上盖21，做好试验前装置的密封工作。在非光滑表面试验过程中，关闭供水部分II，即不再向装置内部提供额外水源补给。

试验部分III主要由花键槽16、排水法兰19、挡水环22、压板23、压力调节板24、配水空心轴26、小圆柱直齿轮28、小齿轮腔体29、外桶18及内桶34组成。外桶底盖17与花键槽16通过六个螺钉联接，为保证外桶18均匀稳定的旋转，其下部采用角接触球轴承15进行轴向及周向的定位，而其上端采用深沟球轴承30进行周向定位。外桶18上端安装有缩口上盖20，目的是在合理的范围内尽量减小上端深沟球轴承30内外径尺寸，进而提高外桶18的旋转速度，满足所需的试验要求。同时，在外桶18上端增设压力调节板24，用以调节内桶34外壁的壁面压强。通过四块压板23将压力调节板24固定，当需要更换装置内部试验样件时，只需拧下装置上盖21上端六个螺钉，用工具敲开压板23，即可将样件整体部分取出，目的是在满足试验要求的基础上，实现装置结构的简易拆装与试验样件的更换。内桶34通过螺钉与内桶上盖31及内桶底盖35相联接，联接处采用密封垫片33进行密封，在内桶上盖31加工有螺纹孔，目的是在与配水空心轴26联接的前提下，保证联接过程中良好的可靠性与密封性。内桶34壁面均匀分布有70个直径为3mm的射流孔，其排布规则如下：沿内桶34周向方向，每排均布十个射流孔，即每间隔36°排布一个射流孔；沿内桶34轴向方向，以距离内桶34端面8mm处为基准，每隔14mm分布一排射流孔，共计七排射流孔，并且相邻两排射流孔在周向方向角度相错18°。配水空心轴26通过其上端小齿轮腔体29内部的一对轴承25、27对其进行轴向及周向的定位，保证配水空心轴26在受到外界扭矩作用的情况下，能够呈稳定状态，避免试验过程中产生的振动对试验结果的影响。外桶18与缩口上盖20通过螺栓联接，二者之间安装有密封垫片32，防止水流出外桶18。挡水环22作为轴承30的密封元件，与缩口上盖20通过螺栓联接，二者之间采用密封圈密封，挡水环22内圈与装置腔体36之间间隙采用填充黄油的方式，从而在密封的同时为轴承30提供润滑剂。排水方面，采用螺纹联合密封圈的联接方式，将排水法兰19与装置腔体36侧壁相联接，在保证无液体泄漏的情况下，完成排水工作。装置腔体36底部与装置底板37通过六个螺栓联接，充分保证其稳定性与密封性。

试验部分工作原理：

试验过程中，花键槽16受到动力及传动部分I中花键轴3的旋转驱动力，进而绕其自身轴线做旋转运动，从而带动外桶18及内部流体一同做等角速度的旋转运动。由于内部流体与内桶34壁面存在粘性摩擦阻力，进而对内桶34将产生一定的力矩，此力矩经由配水空心轴26传至上端小圆柱直齿轮28，通过半径比为1：2的一对圆柱直齿轮的啮合28、39，将扭矩进行等比例放大，传至数据测量及采集部分IV的扭矩信号耦合器41。在上述过程中，由供水部分II的卧式离心泵7不断地向装置内部等流量供水，完成试验样件的射流任务。而射流过程中产生的水经由压力调节板24的内孔溢流出去，通过排水法兰19回流入水槽14，实现装置中水的循环流动。当进行非光滑表面摩擦阻力测试试验时，则将带有射流孔的试验样件34更换为具有非光滑表面的试验样件47，此时试验部分水需全部放回水槽14中，并且供水部分无须工作，此部分亦可去掉，之后重复上述操作。

数据测量及采集部分IV主要由扭矩信号耦合器41、轴套40、轴38、直角座44、键槽板42及一对相互啮合半径比为1:2的圆柱直齿轮28、39组成。圆柱直齿轮39通过平键与轴38相联接，通过轴套40与轴肩进行轴向定位，并由底端一对角接触球轴承45、46进行周向定位。扭矩信号耦合器41下端通过梅花型联轴器43与轴38联接，上端通过平键与键槽板42固定，侧面通过螺钉与直角座44相联接，从而实现测量静扭矩的目的。为实现装置结构的紧凑性，数据测量及采集部分IV整体通过螺钉固定在试验部分III装置上盖21上。试验过程中，内桶所受摩擦扭矩经圆柱直齿轮28、39后传至到扭矩信号耦合器41，扭矩信号耦合器41将采集到的摩擦扭矩经由变送器后将此信号转化为电压信号，并通过数据采集模块的模数转换变为能被计算机存储的数字信号，再通过由LabVIEW编写的数据采集软件，将采集到的信号进行存储，完成试验的数据测量及采集工作。

Claims (7)

1.一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置，其特征是：包括动力及传动部分、供水部分、试验部分、数据测量及采集部分，所述的试验部分包括外桶、配水空心轴、排水法兰、装置腔体、装置上盖、装置底板，外桶安装在由装置腔体、装置上盖、装置底板组成的封闭空间里，排水法兰安装在装置腔体上并与封闭空间相通，试验件设置在外桶里不与外桶相接触、并与配水空心轴相连且相连通，外桶底部连接花键槽，该花键槽与动力及传动部分相连，配水空心轴上设置小齿轮，小齿轮与数据测量及采集部分相连；

供水部分包括泵、管，管连通泵和配水空心轴，泵从水槽中抽取液体通过管送入配水空心轴中，管上安装阀和流量计。

2.根据权利要求1所述的一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置，其特征是：所述的动力及传动部分包括依次相连的调频电机、弹性柱销联轴器、转向箱、梅花型联轴器，梅花型联轴器上安装花键轴，花键轴与试验部分的花键槽相配合。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置，其特征是：所述的数据测量及采集部分包括扭矩信号耦合器、大齿轮，扭矩信号耦合器通过直角座安装在试验部分上，扭矩信号耦合器还通过联轴器连接大齿轮，大齿轮与小齿轮相啮合。

4.根据权利要求1所述的一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置，其特征是：在进行非光滑表面试验时，直接向外桶内部注入流体，当流体完全充满外桶后，停止供水，使封闭空间封闭。

5.根据权利要求1所述的一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置，其特征是：在进行射流表面试验时，试验件上设置射流孔，向试验件内部注入流体，继而流体沿试验件的射流孔流至外桶内部，当排水法兰处有均匀流体溢出时，停止供水。

6.根据权利要求5所述的一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置，其特征是：试验件设置70个直径为3mm的射流孔，其排布规则如下：沿试验件周向方向，每排每间隔36°排布一个射流孔；沿试验件轴向方向，以距离试验件端面8mm处为基准，每隔14mm分布一排射流孔。

7.根据权利要求6所述的一种应用于射流表面及非光滑表面减阻测试的试验装置，其特征是：相邻两排射流孔在周向方向角度相错18°。