CN103512724A - 评估非光滑表面减阻效果的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供评估非光滑表面减阻效果的试验装置及方法，包括平板模型、应变式天平支撑传力杆、测力元件、激光测振仪，平板模型通过钢丝绳吊于由水洞侧壁和水洞底壁组成的水洞内，所有钢丝绳的长度相等、顶部位于同一高度上，应变式天平支撑传力杆竖直设置在水洞里，水洞里装有液体，平板模型前端与应变式天平支撑传力杆相接触，测力元件安装在应变式天平支撑传力杆上，液体静止时，测力元件的示数为0，激光测振仪面向钢丝绳布置，激光测振仪产生的激光光路与平板模型相平行，所述的平板模型包括光滑表面平板或待评估非光滑表面平板。本发明测试原理简单、评价方法直观、测试结果可靠，操作方便。

Description

评估非光滑表面减阻效果的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于测量不同流速时光滑表面和非光滑表面的流体摩擦阻力的装置，以及评估非光滑表面的减阻效果的方法。

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。但是测量流体对固定表面摩擦阻力的装置研究尚不成熟，评估非光滑表面减阻效果的试验装置较少，因此，研究设计一台结构简单、试验方便、测试准确的非光滑表面流体摩擦阻力测试试验装置显得尤为重要。

目前，非光滑表面和表面涂层结构流体摩擦阻力测试装置多集中在压差流阻测试方法，如申请号为：201110112635.7，名称为“一种测试管道摩擦阻力系数的方法及其装置”和申请号为：CN202013316U，名称为“差压型流阻测试仪”的专利申请，适合于管道流阻测试，而不适用于非光滑表面平板流阻测试。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、操作容易、测试准确的评估非光滑表面减阻效果的试验装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明评估非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是：包括平板模型、应变式天平支撑传力杆、测力元件、激光测振仪，平板模型通过钢丝绳吊于由水洞侧壁和水洞底壁组成的水洞内，所有钢丝绳的长度相等、顶部位于同一高度上，应变式天平支撑传力杆竖直设置在水洞里，水洞里装有液体，平板模型前端与应变式天平支撑传力杆相接触，测力元件安装在应变式天平支撑传力杆上，液体静止时，测力元件的示数为0，激光测振仪面向钢丝绳布置，激光测振仪产生的激光光路与平板模型相平行，所述的平板模型包括光滑表面平板或待评估非光滑表面平板。

本发明评估非光滑表面减阻效果的试验装置还可以包括：

1、平板模型距离液面的距离大于液体高度的一半，平板模型的宽度小于水洞的宽度。

2、所述的待评估非光滑表面平板包括V型槽、U型槽、凹坑、凸包和/或涂覆表面涂层；所述的液体包括水或聚合物添加剂溶液。

本发明评估非光滑表面减阻效果的方法，其特征是：采用如下试验装置：包括平板模型、应变式天平支撑传力杆、测力元件、激光测振仪，平板模型通过钢丝绳吊于由水洞侧壁和水洞底壁组成的水洞内，所有钢丝绳的长度相等、顶部位于同一高度上，应变式天平支撑传力杆竖直设置在水洞里，水洞里装有液体，平板模型前端与应变式天平支撑传力杆相接触，测力元件安装在应变式天平支撑传力杆上，液体静止时，测力元件的示数为0，激光测振仪面向钢丝绳布置，激光测振仪产生的激光光路与平板模型相平行，所述的平板模型包括光滑表面平板或待评估非光滑表面平板；

（1）将平板模型设置为光滑表面平板，测量光滑表面平板的摩擦阻力，先将光滑表面平板与悬垂钢丝连接在一起，测量悬垂钢丝固定点到激光测振仪的铅垂距离H和光滑表面平板在水中的重力G₁；

（2）改变水洞中的液体速度并保持恒定流速状态；

（3）通过应变式天平支撑传力杆和测力元件测出光滑表面平板的摩擦阻力f₁₁；

（4）通过激光测振仪检测钢丝绳的移动距离D₁，再根据下式计算光滑表面平板的流体摩擦阻力f₁₂：

$f_{11}=G_1\tan \mathrm{\α}\≈G_1\frac{D_1}{H};$

（5）将测力元件测量的摩擦阻力f₁₁和激光测振仪求得的摩擦阻力f₁₂取平均值作为光滑表面平板的摩擦阻力f₁：

f₁=(f₁₁+f₁₂)2；

（6）将光滑表面换成待评估非光滑表面平板，采用与测量光滑表面平板的摩擦阻力相同的方法，得到待评估非光滑表面平板的摩擦阻力f₂；

（7）待评估非光滑表面平板的减阻效果用减阻率DR来表示，则：

DR=100%×（f₁-f₂）/f₁。

本发明的优势在于：本发明实现对非光滑表面平板结构及表面涂层结构流体摩擦阻力的测试及减阻效果的评价，该装置结构简单，操作容易，测试准确；非光滑表面平板可根据需要加工出不同的非光滑表面结构(如V型、U型、凹坑、凸包或涂覆表面涂层等)，本发明还适用于聚合物添加剂溶液的减阻效果测试。本发明测试原理简单、直观，不同于其它评估非光滑表面减阻效果的装置，可以直接给出非光滑表面的摩擦阻力，测试结果可靠。

附图说明

图1a为本发明包括应变式天平支撑传力杆和测力元件部分的结构示意图a，图1b为本发明包括应变式天平支撑传力杆和测力元件部分的结构示意图b；

图2为本发明包括激光测振仪部分的机构示意图。

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1～2，本发明包括水洞(1)、非光滑表面平板(3)、应变式天平支撑传力杆(6)、测力元件(5)、悬挂钢丝(4)和激光测振仪(10)，所述应变式天平支撑传力杆(6)与测力元件(5)相互连接，所述悬挂钢丝(4)与非光滑表面平板(3)相互连接。

初始状态水流静止时，悬垂钢丝(4)与竖直方向的角度为0，此时激光测振仪(10)的激光光路(9)与悬垂钢丝(4)垂直；非光滑表面平板(3)静止位置大于位于水深一半的深度，平板的宽度小于水洞的宽度，减小水洞(1)壁面对平板(3)附近流体的影响；非光滑表面平板(3)的厚度远小于宽度和长度，相对于宽度和长度来说可以忽略不计；应变式天平支撑传力杆(6)与非光滑表面平板(3)的前端接触，在水流静止时，调整测力元件(5)使之示数为0；悬垂钢丝(4)的上端点固定在支架上，且各个钢丝的固定点在同一水平面上，保持各个钢丝的长度相等；非光滑表面平板(3)的前端与应变式天平支撑传力杆(6)相接触，平板(3)所受到的流体摩擦阻力通过应变式天平支撑传力杆(6)传递到测力元件(5)，测量出非光滑表面平板(3)的流体摩擦阻力。

如图2所示，平板(3)受到流体摩擦阻力的作用发生移动，悬垂钢丝(4)产生一定的偏转角度，通过激光测振仪(10)检测悬垂钢丝(4)发生偏转前后的位移差来计算出非光滑表面的流体摩擦阻力。

所述的非光滑表面减阻效果的评价方法具体步骤为：

a、首先测量光滑表面平板(3)的摩擦阻力，先将光滑表面平板(3)与悬垂钢丝(4)连接在一起，测量悬垂钢丝(4)固定点到激光测振仪(10)的铅垂距离H和光滑表面平板(3)在水中的重力G₁；

b、改变水洞(1)中的水流速度并保持恒定流速状态；

c、通过应变式天平支撑传力杆(6)和测力元件(5)测出光滑表面的摩擦阻力f₁₁；

d、通过激光测振仪(10)检测悬垂钢丝(4)的移动距离D₁，再根据下式计算光滑表面的流体摩擦阻力f₁₂

$f_{11}=G_1\tan \mathrm{\α}\≈G_1\frac{D_1}{H};$

e、将测力元件(5)测量的摩擦阻力f₁₁和激光测振仪(10)求得的摩擦阻力f₁₂取平均值作为光滑表面的摩擦阻力f₁

f₁=(f₁₁+f₁₂)2；

f、将光滑表面换成非光滑表面，采用相同的测量和计算方法，重复步骤a～e得到非光滑表面的摩擦阻力f₂；

g、非光滑表面的减阻效果用减阻率DR来表示，计算方法为

DR=100%×（f₁-f₂）/f₁；

减阻率DR越大，非光滑表面的减阻效果越好。

本发明的工作原理为：

本发明一方面通过与应变式天平支撑传力杆(6)相连接的测力元件(5)测量出流体的摩擦阻力，另一方面通过激光测振仪(10)测量悬垂钢丝(4)的偏移距离计算出流体的摩擦阻力，对上述两种方法得到的摩擦阻力取平均值即为本发明的流体摩擦阻力值；通过非光滑表面的减阻率来衡量非光滑表面的减阻效果。该装置结构简单，操作容易，测试准确；非光滑表面平板可根据需要加工出不同的非光滑表面结构(如V型、U型、凹坑、凸包或涂覆表面涂层等)，本发明还适用于聚合物添加剂溶液的减阻效果测试。本发明测试原理简单、直观，不同于其它评估非光滑表面减阻效果的装置，可以直接给出非光滑表面的摩擦阻力，测试结果可靠。

Claims (4)

1.评估非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是：包括平板模型、应变式天平支撑传力杆、测力元件、激光测振仪，平板模型通过钢丝绳吊于由水洞侧壁和水洞底壁组成的水洞内，所有钢丝绳的长度相等、顶部位于同一高度上，应变式天平支撑传力杆竖直设置在水洞里，水洞里装有液体，平板模型前端与应变式天平支撑传力杆相接触，测力元件安装在应变式天平支撑传力杆上，液体静止时，测力元件的示数为0，激光测振仪面向钢丝绳布置，激光测振仪产生的激光光路与平板模型相平行，所述的平板模型包括光滑表面平板或待评估非光滑表面平板。

2.根据权利要求1所述的评估非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是：平板模型距离液面的距离大于液体高度的一半，平板模型的宽度小于水洞的宽度。

3.根据权利要求1或2所述的评估非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是：所述的待评估非光滑表面平板包括V型槽、U型槽、凹坑、凸包和/或涂覆表面涂层；所述的液体包括水或聚合物添加剂溶液。

4.评估非光滑表面减阻效果的方法，其特征是：采用如下试验装置：包括平板模型、应变式天平支撑传力杆、测力元件、激光测振仪，平板模型通过钢丝绳吊于由水洞侧壁和水洞底壁组成的水洞内，所有钢丝绳的长度相等、顶部位于同一高度上，应变式天平支撑传力杆竖直设置在水洞里，水洞里装有液体，平板模型前端与应变式天平支撑传力杆相接触，测力元件安装在应变式天平支撑传力杆上，液体静止时，测力元件的示数为0，激光测振仪面向钢丝绳布置，激光测振仪产生的激光光路与平板模型相平行，所述的平板模型包括光滑表面平板或待评估非光滑表面平板；

（1）将平板模型设置为光滑表面平板，测量光滑表面平板的摩擦阻力，先将光滑表面平板与悬垂钢丝连接在一起，测量悬垂钢丝固定点到激光测振仪的铅垂距离H和光滑表面平板在水中的重力G₁；

（2）改变水洞中的液体速度并保持恒定流速状态；

（3）通过应变式天平支撑传力杆和测力元件测出光滑表面平板的摩擦阻力f₁₁；

（4）通过激光测振仪检测钢丝绳的移动距离D₁，再根据下式计算光滑表面平板的流体摩擦阻力f₁₂：

$f_{11}=G_1\tan \mathrm{\α}\≈G_1\frac{D_1}{H};$

（5）将测力元件测量的摩擦阻力f₁₁和激光测振仪求得的摩擦阻力f₁₂取平均值作为光滑表面平板的摩擦阻力f₁：

f₁=(f₁₁+f₁₂)2；

（6）将光滑表面换成待评估非光滑表面平板，采用与测量光滑表面平板的摩擦阻力相同的方法，得到待评估非光滑表面平板的摩擦阻力f₂；

（7）待评估非光滑表面平板的减阻效果用减阻率DR来表示，则：

DR=100%×（f₁-f₂）/f₁。

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