CN103674480B - 评估仿生非光滑表面旋转圆盘减阻效果的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供评估仿生非光滑表面旋转圆盘减阻效果的试验装置及试验方法，包括支架、步进电机、扭矩信号耦合器、密闭水箱，扭矩信号耦合器、密闭水箱、步进电机均固定在支架上，密闭水箱里设置螺旋桨和旋转圆盘，螺旋桨通过第一连杆连接步进电机，旋转圆盘通过第二连杆连接扭矩信号耦合器，螺旋桨与旋转圆盘相对布置。本发明采用步进电机带动螺旋桨为主流场速度提供动力，通过扭矩信号耦合器测量旋转圆盘的摩擦力矩，将仿生非光滑表面旋转圆盘的摩擦力矩与光滑表面圆盘进行对比来评估仿生非光滑表面旋转圆盘的减阻效果。

Description

评估仿生非光滑表面旋转圆盘减阻效果的试验方法

技术领域

本发明涉及的是一种试验装置及试验方法，具体地说是仿生非光滑表面结构和表面涂层结构流体摩擦阻力的试验装置及试验方法。

背景技术

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，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。仿生非光滑表面能够减小流体与固体之间的摩擦阻力，减阻效果明显，是一种新的减阻技术，为了对其进行深入的机理分析，亟需进行大量的科学实验。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，因此，研究设计一台成本低廉、结构简单、试验方便的评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置显得尤为重要。

目前，非光滑表面和射流表面的减阻测试装置多集中在旋转射流测试方法，消耗了更多的湍动能。如专利申请号为：201110089369.0，名称为“评估仿生非光滑表面及仿生射流表面减阻效果的试验装置”和专利申请号为：201120070969.8，名称为“一种对摩擦阻力测试的试验装置”。

发明内容

本发明的目的在于提供能够准确测试出仿生非光滑表面旋转圆盘结构和表面涂层结构的流体摩擦阻力的评估仿生非光滑表面旋转圆盘减阻效果的试验装置及试验方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明评估仿生非光滑表面旋转圆盘减阻效果的试验装置，其特征是：包括支架、步进电机、扭矩信号耦合器、密闭水箱，扭矩信号耦合器、密闭水箱、步进电机均固定在支架上，密闭水箱里设置螺旋桨和旋转圆盘，螺旋桨通过第一连杆连接步进电机，旋转圆盘通过第二连杆连接扭矩信号耦合器，螺旋桨与旋转圆盘相对布置。

本发明评估仿生非光滑表面旋转圆盘减阻效果的试验装置还可以包括：

1、还包括伺服混合式步进电机驱动器，伺服混合式步进电机驱动器连接并控制步进电机；所述的旋转圆盘包括光滑表面旋转圆盘和仿生非光滑表面圆盘。

本发明评估仿生非光滑表面旋转圆盘减阻效果的试验方法，其特征是：采用如下试验装置：包括支架、步进电机、扭矩信号耦合器、密闭水箱，扭矩信号耦合器、密闭水箱、步进电机均固定在支架上，密闭水箱里设置螺旋桨和旋转圆盘，螺旋桨通过第一连杆连接步进电机，旋转圆盘通过第二连杆连接扭矩信号耦合器，螺旋桨与旋转圆盘相对布置；所述的旋转圆盘包括光滑表面旋转圆盘和仿生非光滑表面圆盘；

(1)安装光滑表面旋转圆盘，步进电机开始工作，带动螺旋桨旋转，转速为v，在密闭水箱内形成流场，通过扭矩信号耦合器测量旋转圆盘总力矩，随后将圆盘拆除，通过扭矩信号耦合器测量空转时的扭矩，两者之差为光滑表面圆盘引起的摩擦力矩f_s；

(2)在光滑表面旋转圆盘表面上加工出仿生非光滑表面形状，将加工后的仿生非光滑表面圆盘安装在旋转轴上，启动步进电机，保持螺旋桨转速为v时采集仿生非光滑表面圆盘此时的扭矩信号，此时测得的扭矩和上一步空转时的扭矩之差为仿生非光滑表面圆盘引起的摩擦力矩f_n；

(3)用减阻率DR来评价仿生非光滑表面旋转圆盘的减阻效果，则：

$DR=\frac{f_s-f_n}{f_s}\×100\%.$

本发明评估仿生非光滑表面旋转圆盘减阻效果的试验方法还可以包括：

1、所述的仿生非光滑表面形状包括V型槽、U型槽、凹坑、凸包或/和涂覆表面涂层。

本发明的优势在于：本发明采用步进电机带动螺旋桨为主流场速度提供动力，通过扭矩信号耦合器测量旋转圆盘的摩擦力矩，将仿生非光滑表面旋转圆盘的摩擦力矩与光滑表面圆盘进行对比来评估仿生非光滑表面旋转圆盘的减阻效果。实现对仿生非光滑表面旋转圆盘结构减阻效果测试及表面涂层减阻结构效果测试，信号采集系统结构简单，操作容易，测试准确；旋转圆盘表面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)；本发明通过对比光滑表面旋转圆盘和非光滑表面旋转圆盘引起的力矩来衡量凹坑、凸包等仿生非光滑表面的减阻效果，通过对比光滑表面旋转圆盘和表面涂层旋转圆盘引起的力矩来衡量表面涂层结构的减阻效果。评估仿生非光滑表面及表面涂层结构减阻效果的方法简单直观，结果可靠。

附图说明

图1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，本发明试验装置由步进电机1，弹性膜片联轴器2，螺旋桨3，扭矩信号耦合器8，支架6，密闭水箱5，旋转圆盘4，计算机，伺服混合式步进电机驱动器10组成。步进电机1、扭矩信号耦合器8和密闭水箱5都固定在支架6上。步进电机1通过伺服混合式步进电机驱动器10来控制，步进电机1通过弹性膜片联轴器2带动螺旋桨3旋转，为主流速度提供动力；扭矩信号耦合器8通过弹性膜片联轴器7与安装有旋转圆盘4的旋转轴相连接，测量流体对旋转圆盘4的摩擦力矩。旋转轴的末端安装有旋转圆盘，旋转圆盘深入到水箱的内部。水箱为密闭水箱，水箱中充满水，水箱盖上开有进水管口和出水口，旋转轴通过滚动轴承安装在水箱盖上。

扭矩信号耦合器8将采集到的扭矩、功率、转速信号传入到计算机中，并通过Labview8.2软件所编制的程序将采集到的信号进行实时显示并存储在计算机中。

本发明的工作原理为：

本发明通过伺服混合式步进电机驱动器10驱动步进电机1运动，步进电机1的输出轴通过弹性膜片联轴器2与螺旋桨3相连接，为主流速度提供动力，扭矩信号耦合器8通过弹性膜片联轴器7与旋转轴相联接，旋转圆盘4安装在旋转轴的末端，密闭水箱5内的旋转流体对旋转圆盘4产生摩擦阻力，扭矩信号耦合器8将采集到的摩擦力矩信号传入到计算机中。

所述的仿生非光滑表面流体摩擦阻力测试装置减阻效果的评价方法具体步骤为：

a、安装光滑表面旋转圆盘4，步进电机1开始工作，带动螺旋桨3旋转，在密闭水箱5内形成稳定的流场，测量旋转圆盘4总力矩，随后将圆盘拆除，测量空转时的扭矩，两者之差就是光滑表面圆盘引起的摩擦力矩f_s。

b、在旋转圆盘4表面上加工出仿生非光滑表面形状，将加工后的仿生非光滑表面圆盘安装在旋转轴上，启动步进电机1，保持在与上一步相同转速采集此时的扭矩信号，此时测得的扭矩和上一步空转时的扭矩之差就是仿生非光滑表面圆盘引起的摩擦力矩f_n。

c、用减阻率DR来评价仿生非光滑表面旋转圆盘的减阻效果

$DR=\frac{f_s-f_n}{f_s}\×100\%;$

减阻率越大，减阻效果越好。

本发明通过对检测到的信息接收、处理，可以方便地评价仿生非光滑表面旋转圆盘结构和表面涂层结构减阻效果，本发明安装方便、结构简单、检测效果好，适用于对仿生非光滑表面结构和涂层表面结构流体摩擦阻力进行检测并评价其减阻效果。

Claims (2)

1.评估仿生非光滑表面旋转圆盘减阻效果的试验方法，其特征是：采用如下试验装置：包括支架、步进电机、扭矩信号耦合器、密闭水箱，扭矩信号耦合器、密闭水箱、步进电机均固定在支架上，密闭水箱里设置螺旋桨和旋转圆盘，螺旋桨通过第一连杆连接步进电机，旋转圆盘通过第二连杆连接扭矩信号耦合器，螺旋桨与旋转圆盘相对布置；所述的旋转圆盘包括光滑表面旋转圆盘和仿生非光滑表面旋转圆盘；

(1)安装光滑表面旋转圆盘，步进电机开始工作，带动螺旋桨旋转，转速为v，在密闭水箱内形成流场，通过扭矩信号耦合器测量旋转圆盘总力矩，随后将旋转圆盘拆除，通过扭矩信号耦合器测量空转时的扭矩，两者之差为光滑表面旋转圆盘引起的摩擦力矩f_s；

(2)在光滑表面旋转圆盘表面上加工出仿生非光滑表面形状，将加工后的仿生非光滑表面旋转圆盘安装在旋转轴上，启动步进电机，保持螺旋桨转速为v时采集仿生非光滑表面旋转圆盘此时的扭矩信号，此时测得的扭矩和上一步空转时的扭矩之差为仿生非光滑表面旋转圆盘引起的摩擦力矩f_n；

(3)用减阻率DR来评价仿生非光滑表面旋转圆盘的减阻效果，则：

$DR=\frac{f_s-f_n}{f_s}\×100\%.$

2.根据权利要求1所述的评估仿生非光滑表面旋转圆盘减阻效果的试验方法，其特征是：所述的仿生非光滑表面形状包括V型槽、U型槽、凹坑、凸包或/和涂覆表面涂层。