CN103575501A - 一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置，包括测试模块、驱动模块、供水模块等，当运动流体与内筒壁产生粘性摩擦阻力时，此阻力将转化为扭矩传递至配水空心轴。利用悬臂杆与配水空心轴相配合，从而将摩擦阻力按照一定比例放大后转化推力输出，利用与悬臂杆端部相配合的感应杆传递至测力计底座上部的数显推拉力计，经由计算机记录并进行数据处理。本发明体积小、造价低、噪声弱、日常维护方便、不受实验环境条件限制、实验模型容易加工；实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实验。

Description

一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置

技术领域

本发明涉及的是一种测试摩擦阻力的装置，具体地说是一种能够用于测试流体对不同结构表面摩擦阻力的测试装置。

背景技术

目前，国内外对流、固之间的运动减阻问题进行了广泛研究，并且在多方面取得了很大的进展。流、固之间运动的摩擦阻力能够直接影响其能源的消耗和力学性能，因此针对于其减阻的问题一直受到各国专家学者的广泛关注。其研究方法主要包括理论分析、数值模拟和模型实验等方面，最终通过对比分析实验装置中的测试样件的减阻性能，得出实验结论，进而应用于工程实际中。对比其实验方法以模型实验所获得的实验结果精度最高，更贴切于实际，因此理论分析和数值模拟都需要模型实验来验证其所得结论。实验方法作为研究流、固之间减阻问题的重要手段，对推进流体减阻理论的发展起到了巨大的作用。很多流、固之间减阻现象以及相关理论的得出一般都需要对流体进行大量测试实验。仿生射流表面可以减小流、固之间的摩擦阻力，且其减阻效果明显，能够作为一种全新的减阻技术来研究。目前关于该技术的研究主要集中于理论分析与数值模拟阶段，模型实验方面涉猎较少，因而研究一套完整的射流表面减阻测试实验装置尤为重要。传统的流体动力学研究中大多采用水洞和水槽等装置，但其造价高昂，耗资巨大，实验条件不易控制，实验模型复杂，在实验的各个方面有具有一定的局限性，尤其是无法进行射流表面实验研究。因此，如何使所发明装置结构简单、可靠，实验方便，且能够用于评估不同表面减阻效果，为实际应用提供依据意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供造价低、体积小、操作方便的一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置，其特征是：测试模块、驱动模块，所述的测试模块包括装置外壳体、外筒体、内筒体，外壳体包括装置上盖、装置腔体、装置底座，装置腔体安装在装置上盖和装置底座之间，外筒体包括外筒壁、外筒底座，外筒壁安装在外筒底座上，外筒壁上安装调压板，调压板的中部为空心，内筒体包括内筒上盖、内筒壁、内筒底盖，内筒壁安装在内筒上盖和内筒底盖之间，内筒体设置在外筒体里，外筒体设置在外壳体里，内筒上盖上安装配水空心轴，配水空心轴穿过调压板的中部并伸出到装置上盖外部，装置腔体上部的侧面设置有排水管，内筒壁上设置射流孔，液体从配水空心轴进入内筒体后，可通过射流孔进入外筒体与内筒体之间的部分，在离心力的作用下，进入外筒体与内筒体之间部分的液体可从调压板与配水空心轴间的空隙进入外壳体与外筒体间的部分，并通过排水管中排出，外筒体下端部安装驱动轴，装置底座上设置角接触球轴承，驱动轴与角接触球轴承相配合，配水空心轴上部设置悬臂杆，悬臂杆通过平键与配水空心轴相配合，推拉力计安装在装置上盖上，推拉力计的测试端部为具有球面状的感应杆，悬臂杆上有球面凹坑，感应杆的球面设置在悬臂杆的球面凹坑内；所述的驱动模块包括电机，电机通过联轴器连接驱动轴并带动驱动轴转动。

本发明还可以包括：

1、还包括供水模块，供水模块包括水槽、水泵，水槽里安装整流板，整流板将水槽分隔成供水槽和储水槽，整流板上设置有孔，水泵分别连通第一管路和第二管路，第一管路连通供水槽，第二管路通过三通接头分别连通第三管路和第四管路，第三管路连通储水槽，第四管路通过旋转接头连通配水空心轴。

2、第三管路上安装分流调压阀，第四管路上依次安装流量调节阀、压力计、涡轮流量计。

3、装置腔体内壁伸出三个凸台，每个凸台上均安装有定位螺栓，三个定位螺栓通过各自的轴承与外筒壁相配合，从而限制住外筒壁旋转过程中的径向跳动。

4、三个定位螺栓在其所在圆周上，两两成120度夹角。

5、外筒壁外壁的上端安装环形的密封挡圈，密封挡圈的断面成U型，从调压板与配水空心轴间的空隙进入外壳体与外筒体间的液体在密封挡圈的作用下进入排水管。

本发明的优势在于：本发明体积小、造价低、噪声弱、日常维护方便、不受实验环境条件限制、实验模型容易加工；实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实验；测试模块作为本装置的核心部分，具有结构稳定可靠、拆装方便、实验样件易更换等特点；实验装置在供水过程中具有供水稳定、管路流体多参数可调等优点，能够通过协调多种元器件，实现实验模型射流速度的精确控制，模拟多种射流环境；整个实验过程实现了水的循环利用，环保节能，无污染。

附图说明

图1为本发明的供水模块结构示意图；

图2为本发明的驱动模块结构示意图；

图3为本发明的测试模块结构示意图；

图4为本发明三点定心结构示意图；

图5为本发明的结构示意图；

图6为本发明的俯视图。

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1～6，供水模块主要由水泵1、流量调节阀7、分流调压阀6、三通接头5、整流板15、储水槽16、供水槽4、过滤口2、压力计9、涡轮流量计10、旋转接头12、内丝接头13、水管11和弯管接头3、8、14等构成。为保证实验过程中，供水模块的稳定性，利用地脚螺栓将水泵1与地面相固结。水泵1入口处通过弯管接头3与过滤口2相连接，目的是防止在实验过程中流体中的杂质流经水泵1、涡轮流量计10等元器件时造成不利影响。水泵1上端通过法兰与水管11相连，水管11上端连有三通接头5，起分流作用。三通接头5上部连有流量调节阀7，目的是通过流量调节阀7开合程度控制流经上端主管道中的流体流量。上端主管道装有压力计9和涡轮流量计10，其末端连有旋转接头12，此种类型接头能够保证在上端保持静止状态时，下端可以随配水空心轴29自由转动。旋转接头12下部通过内丝接头13与测试模块中的配水空心轴29上端圆锥管螺纹相连，实现供水过程。三通接头5右侧连有分流调压阀6，目的是保证在水泵1正常工作情况下，通过控制分流调压阀6，对水泵1提供的流体进行分流处理，在保证水泵1出口压力一定的条件下控制主管道中水的流量。整流板15置于储水槽16和供水槽4之间，目的是在分流调压阀6和排水管21排水过程中，防止在整个水槽中产生局部漩涡，从而导致在水泵1抽吸过程中产生气泡等不稳定现象，影响实验结果。

供水模块工作原理：

在实验过程前，完全打开流量调节阀7，关闭分流调压阀6，为供水做准备。在实验过程中，水泵1通电后产生抽吸作用，将水经由过滤口2抽入，并由水泵1的出口处排出，经由三通接头5、流量调节阀7、弯管接头8、压力计9、涡轮流量计10、旋转接头12和内丝接头13向装置内部供水，当涡轮流量计10示数稳定后，逐渐改变流量调节阀7和分流调压阀6的开合角度，从而改变压力计9和涡轮流量计10的示数，并通过涡轮流量计10的示数间接计算出单个射流孔的射流速度，作为实验数据予以记录。改变分流调压阀6开合角度后，经由水泵1提供的其余流体将通过分流调压阀6、弯管接头14等回流至储水槽16，实现水的循环利用。装置内部的实验流体通过外筒旋转的离心作用，将流体通过排水法兰20和排水管21排至储水槽16，亦实现了水的循环利用。储水槽16的流体经由整流板15，流至供水槽4，此时，供水槽4内流体呈现出较为稳定的状态，以备水泵1继续使用。

结合图2和5，驱动模块主要由电机50、联轴器49、驱动轴18、支撑架48、底板51和地脚螺栓47构成。电机50通过四周均布的螺钉与带有地脚螺栓47的底板51相固结，其输出轴通过联轴器49与测试模块的驱动轴18相连接。对整台实验装置起到支撑作用的支撑架48由角钢焊接而成，并多处采用肋板结构，大幅度提高实验装置在实验过程中的刚度和稳定性。

驱动模块工作原理：

在实验过程中，电机50作为整台实验装置的动力源，为实验装置外筒旋转提供动力。电机50通电后，主轴开始旋转，通过联轴器49带动测试模块驱动轴18共同旋转，从而带动外筒与之以相同角速度旋转，最终为实验提供所需高速稳定流场。

结合图3、4和5，测试模块主要由内筒壁42、内筒上盖38、内筒底盖43、外筒壁39、外筒底座44、配水空心轴29、调压板26、轴承腔体35、轴套33、定位螺母32、悬臂杆30、装置上盖25、拆卸拨片24、密封挡圈22、排水法兰20、排水管21、驱动轴18、轴承端盖46、轴承密封盖27、装置底座17、装置腔体19、定位轴承40、定心螺栓23、定心螺母41和角接触球轴承28、34、45等组成。装置腔体19通过底部六个均布的螺栓固定于装置底座17上，装置底座17中部内置有一个角接触球轴承45，角接触球轴承45底端通过轴承端盖46密封；角接触球轴承46内圈与驱动轴18相配合，驱动轴18上端部有六个通孔，通过螺钉与装置底座17相固结。在确保外筒壁39强度和刚度的基础上，为尽量减小外筒壁39转动过程中的转动惯量，外筒壁39采用轻质的PVC材料，与装置底座17通过四周均布的六个螺钉连接，其上端通过螺钉与密封挡圈22相连，密封挡圈22断面呈U形结构，置于定位轴承40正上方，目的是防止在实验过程中，流体喷溅，浸入定位轴承40，影响定位轴承40内部润滑，产生振动及生锈。调压板26水平放置于密封挡圈22中心，其顶部与密封挡圈22平齐，上端通过螺钉压有拆卸拨片24，目的是在保证拆卸方便的基础上固定调压板26，使流体从外筒内腔外溢的过程中调压板26牢固可靠。定位轴承40沿外筒轴线每隔120°布置一个，即通过三点定位的方式限制住外筒壁39旋转过程中的径向跳动；此外，采用三点定位的方式能够极大的提高外筒的转速，避免由于单个轴承内径过大而造成极限转速较低的情况。定位轴承40内部通有定位螺栓23，螺栓中部与定位轴承40内圈过盈配合，末端通过定心螺母41锁紧，目的是确定定心轴承40的轴向和周向的位置，减小装配间隙，保证外筒在高速旋转过程中的稳定性。实验样件，即实验内筒置于外筒中部，其内筒上盖38和内筒底盖43均采用周向分布的六个螺钉与内筒壁42相连接；内筒壁42壁面分布有实验预先设计的按照一定规则排布的射流孔，内筒上盖38与配水空心轴29采用螺纹连接，目的是为了更换内筒时在保证密封的条件下，减少拆卸螺钉等繁琐操作，简化实验过程。配水空心轴29通过与之相配合的两个角接触球轴承28、34进行轴向和周向的定位，保证在实验过程中内筒运动的稳定性。下端角接触球轴承28被置于装置上盖25内部，下端装有轴承密封盖27，目的是在实验过程中，防止流体从外筒溢出时喷溅到角接触球轴承28上，主要起到密封及防尘的作用。上端角接触球轴承34置于轴承腔体35内部，轴承腔体35由均布的四个螺钉固定在装置上盖25。上端角接触球轴承34内圈上部顶有轴套33，利用配水空心轴29上端的定位螺母32与轴套33对悬臂杆30进行轴向限位。悬臂杆30与配水空心轴29采用平键连接，其端部为半球形凹槽，与数显推拉力计36的感应杆相接触。装置腔体19侧面通过均布的螺钉与排水法兰20连接，排水法兰20外缘套有排水管21，在实验过程中，流体自外筒溢出后，经由排水法兰20和排水管21回流入储水槽16，实现水的循环利用。

测试模块工作原理：

通过电机50主轴旋转，经由联轴器49、驱动轴18，将旋转动力传递至外筒。在外筒高速旋转的作用下，其内部流体将随之进行高速旋转运动。当流体加速运动达到稳定状态后，流体对内筒壁42壁面产生的粘性摩擦阻力将趋于恒定，此时供水模块开始提供射流水源。供水模块通过水泵1、流量调节阀7、分流调压阀6、压力计9和涡轮流量计10等元器件相互间协调，控制实验供水流量。流体经由配水空心轴29流至内筒腔内，通过内筒壁42上按照预设规则加工的射流孔喷射至外筒内部稳定流场，完成所需射流工作。此时，外筒内部的流体将不断增多，多余的流体将通过调压板26中心开孔处排到装置腔体19上部的凹槽中。由于在密封挡圈22的密封作用下，流体只能经由排水法兰20从排水管21回流至储水槽16，完成水的循环工作。当外筒内部流场在射流状态下再次恢复平衡后，将在内筒壁42壁面形成一定的粘性摩擦阻力，此阻力将以扭矩的形式传递至配水空心轴29；配水空心轴29在两个角接触球轴承28、34的限制作用下，将产生旋转趋势，而在悬臂杆30的反向作用力下保持平衡状态，此作用力最终将以推力的形式输出，并被数显推拉力计36测量、记录。当需要更换实验样件，即内筒壁42时，仅需要将装置上盖25提起，旋转拆卸拨片24，连同调压板26共同取出，完成内筒壁42更换工作。当进行对照性实验时，将内筒壁42更换为光滑壁面，并保证在实验前外筒内腔中充满流体，关闭水泵1等供水元器件，开启电机50，重复以上操作，数显推拉力计36将测量出一组新值，通过与此前射流情况下的推力大小进行比对，从而计算并评估减阻效果。当进行非光滑表面减阻测试实验时，则取下具有射流表面的内筒，更换为具有非光滑表面的内筒，关闭水泵1等供水元器件，重复以上操作，将此阻力值与具有光滑表面的内筒所受阻力值进行对比，并最终完成非光滑表面减阻测试实验的目的。

结合图3和5，数据测量采集模块主要由计算机、数显推拉力计36、悬臂杆30和测力计底座37构成。数显推拉力计36被固定于测力计底座37顶端，其测试端部为具有球面状的感应杆，其球面置于具有球面凹坑状的悬臂杆30端部凹坑内，悬臂杆30通过平键与配水空心轴29相配合。

数据测量采集模块工作原理：

在实验过程中，当运动流体与内筒壁42产生粘性摩擦阻力时，此阻力将转化为扭矩传递至配水空心轴29。利用悬臂杆30与配水空心轴29相配合，从而将摩擦阻力按照一定比例放大后转化推力输出，利用与悬臂杆30端部相配合的感应杆传递至测力计底座37上部的数显推拉力计36，经由计算机记录并进行数据处理。

本实验装置主要由供水模块、驱动模块、测试模块和数据测量采集模块构成。在实验过程中，由装置底端的电机50作为整台实验装置的动力源，为实验过程高速旋转运动提供持续动力。旋转运动通过电机50输出轴，经由联轴器49，与其上端驱动轴18端部相连，进而将动力传递至外筒39，使之带动其内部流体共同旋转，产生所需流场状态。此时，内部运动的流体将与保持静止的内筒壁42发生相对运动，从而产生粘性摩擦阻力，此阻力将作用于内筒壁42，转化为扭矩，传至配水空心轴29，并最终由配水空心轴29上端固定的悬臂杆30末端输出，由数显推拉力计36显示并记录压力数据。供水模块为整台实验装置提供水源补给，包括外筒39内部旋转流场及内筒壁42射流所需的流体。实验过程中，通过水泵1向实验装置内部供水，结合管路中安装的压力计9观察管路内部压力值，通过观察涡轮流量计10的示数来调节流量调节阀7的开合程度，从而控制单位时间内流经管路的流量，并最终控制内筒壁42单个射流孔的射流速度。实验测试过程是在相同初始条件下，测量实验装置在内筒壁42为光滑壁面与射流（非光滑）壁面经由悬臂杆30所输出的压力值，通过比对压力值的大小来评估射流（非光滑）表面的减阻效果。

Claims (7)

1.一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置，其特征是：测试模块、驱动模块，所述的测试模块包括装置外壳体、外筒体、内筒体，外壳体包括装置上盖、装置腔体、装置底座，装置腔体安装在装置上盖和装置底座之间，外筒体包括外筒壁、外筒底座，外筒壁安装在外筒底座上，外筒壁上安装调压板，调压板的中部为空心，内筒体包括内筒上盖、内筒壁、内筒底盖，内筒壁安装在内筒上盖和内筒底盖之间，内筒体设置在外筒体里，外筒体设置在外壳体里，内筒上盖上安装配水空心轴，配水空心轴穿过调压板的中部并伸出到装置上盖外部，装置腔体上部的侧面设置有排水管，内筒壁上设置射流孔，液体从配水空心轴进入内筒体后，可通过射流孔进入外筒体与内筒体之间的部分，在离心力的作用下，进入外筒体与内筒体之间部分的液体可从调压板与配水空心轴间的空隙进入外壳体与外筒体间的部分，并通过排水管中排出，外筒体下端部安装驱动轴，装置底座上设置角接触球轴承，驱动轴与角接触球轴承相配合，配水空心轴上部设置悬臂杆，悬臂杆通过平键与配水空心轴相配合，推拉力计安装在装置上盖上，推拉力计的测试端部为具有球面状的感应杆，悬臂杆上有球面凹坑，感应杆的球面设置在悬臂杆的球面凹坑内；所述的驱动模块包括电机，电机通过联轴器连接驱动轴并带动驱动轴转动。

2.根据权利要求1所述的一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置，其特征是：还包括供水模块，供水模块包括水槽、水泵，水槽里安装整流板，整流板将水槽分隔成供水槽和储水槽，整流板上设置有孔，水泵分别连通第一管路和第二管路，第一管路连通供水槽，第二管路通过三通接头分别连通第三管路和第四管路，第三管路连通储水槽，第四管路通过旋转接头连通配水空心轴。

3.根据权利要求2所述的一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置，其特征是：第三管路上安装分流调压阀，第四管路上依次安装流量调节阀、压力计、涡轮流量计。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置，其特征是：装置腔体内壁伸出三个凸台，每个凸台上均安装有定位螺栓，三个定位螺栓通过各自的轴承与外筒壁相配合，从而限制住外筒壁旋转过程中的径向跳动。

5.根据权利要求4所述的一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置，其特征是：三个定位螺栓在其所在圆周上，两两成120度夹角。

6.根据权利要求1-3任一所述的一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置，其特征是：外筒壁外壁的上端安装环形的密封挡圈，密封挡圈的断面成U型，从调压板与配水空心轴间的空隙进入外壳体与外筒体间的液体在密封挡圈的作用下进入排水管。

7.根据权利要求4所述的一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置，其特征是：外筒壁外壁的上端安装环形的密封挡圈，密封挡圈的断面成U型，从调压板与配水空心轴间的空隙进入外壳体与外筒体间的液体在密封挡圈的作用下进入排水管。

根据权利要求5任一所述的一种适用于测试射流及非光滑表面摩擦阻力的实验装置，其特征是：外筒壁外壁的上端安装环形的密封挡圈，密封挡圈的断面成U型，从调压板与配水空心轴间的空隙进入外壳体与外筒体间的液体在密封挡圈的作用下进入排水管。

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