CN103743541A - 评估仿生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仿生非光滑表面减阻效果的试验装置及方法，包括水箱、泵、测试管道、压差计，水箱里充有液体，水箱通过第一管路连通泵，泵通过第二管路连通测试管道的入口，测试管道的出口通过第三管路连通水箱，测试管道里设置槽道，测试管道的下壁设置槽道盖板，槽道盖板上沿测试管道内流体流动方向设置两个测压孔，压差计连接两个测压孔。本发明结构紧凑、体积小、日常维护方便、噪声低；试验装置能够实现对仿生非光滑表面减阻效果的测试，亦能进行常规流体力学试验；供水部分通过协调离心泵、阀、流量计等元器件，可以精确的控制矩形测试管道的入口速度，模拟多种主流环境；试验过程中实现了水的循环利用，环保节能，无污染。

Description

评估仿生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试验装置及试验方法，具体地说是用于测试流体对不同结构表面摩擦阻力的试验装置及试验方法。

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，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用于测试流体对不同结构表面摩擦阻力的评估仿生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：

本发明评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是：包括水箱、泵、测试管道、压差计，水箱里充有液体，水箱通过第一管路连通泵，泵通过第二管路连通测试管道的入口，测试管道的出口通过第三管路连通水箱，测试管道里设置槽道，测试管道的下壁设置槽道盖板，槽道盖板上沿测试管道内流体流动方向设置两个测压孔，压差计连接两个测压孔。

本发明评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置还可以包括：

1、第二管路上引出第四管路，第四管路连通水箱，第二管路上安装调速阀、流量计、压力表，第四管路上安装溢流阀。

2、所述的测试管道为矩形，测试管道的入口处安装测试槽道入口联接管，测试管道的出口处安装测试槽道出口联接管。

本发明评估仿生非光滑表面减阻效果的试验方法，其特征是：采用如下试验装置：包括水箱、泵、测试管道、压差计，水箱里充有液体，水箱通过第一管路连通泵，泵通过第二管路连通测试管道的入口，测试管道的出口通过第三管路连通水箱，测试管道里设置槽道，测试管道的下壁设置槽道盖板，槽道盖板上沿测试管道内流体流动方向设置两个测压孔，压差计连接两个测压孔；

第二管路上引出第四管路，第四管路连通水箱，第二管路上安装调速阀、流量计、压力表，第四管路上安装溢流阀；

（1）启动泵，通过调节溢流阀来调节泵的出口压力，通过调速阀来调节测试管道内的流体速度即主流速度，同时记录压差计测得的压力差p_s；

（2）在测试管道内壁面铺覆需要测量的仿生非光滑表面薄膜或加工出仿生非光滑表面形状，调节流量计使得测试管道的入口速度与步骤（1）的入口速度相等，同时记录压差计的压力差p_n；

（3）仿生非光滑表面的减阻效果用减阻率DR来表示，则：

$\mathrm{DR}=100\%\×\frac{p_s-p_n}{p_s}.$

本发明的优势在于：本发明造价低、结构紧凑、体积小、日常维护方便、噪声低；试验装置能够实现对仿生非光滑表面减阻效果的测试，亦能进行常规流体力学试验；供水部分通过协调离心泵、阀、流量计等元器件，可以精确的控制矩形测试管道的入口速度，模拟多种主流环境；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为本发明的结构示意图；

图2a为本发明的矩形槽道结构示意图a，图2b为本发明的矩形槽道结构示意图b，图2c为本发明的矩形槽道结构示意图c；

图3为本发明的槽道盖板示意图；

图4a为本发明的矩形测试槽道入口和出口联接处结构图a，图4b为本发明的矩形测试槽道入口和出口联接处结构图b。

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1～4，本发明包括水箱1、离心泵2、矩形测试管道9、高精度差压计15、电磁流量计5、调速阀4、压力表6、溢流阀3和必要的回路连结件组成。其中，矩形测试管道9包括矩形槽道12和槽道盖板13两部分；在槽道盖板13上沿流动方向开设两个测压孔14，两个测压孔14在同一直线上，且两个测压孔14的直径相等，将该两点的压力引入高精度差压计15，以测取该两点间的压力差，通过对比光滑表面和仿生非光滑表面在相同主流速度时的压力差来评估仿生非光滑表面的减阻效果。

本发明的仿生非光滑表面减阻效果评价方法的具体步骤为：

a、启动离心泵2，通过调节溢流阀3来调节泵2的出口压力，调节调速阀4来调节矩形测试管道9的主流速度，同时记录高精度差压计15测得的压力差p_s；

b、在槽道盖板13上铺覆需要测量的仿生非光滑表面薄膜或加工出需要测试的仿生非光滑表面，调节流量计5使得矩形测试管道9入口速度与步骤a相等，同时记录高精度差压计15测得的压力差p_n；

c、仿生非光滑表面的减阻效果用减阻率DR来表示，计算方法为：

$\mathrm{DR}=100\%\×\frac{p_s-p_n}{p_s};$

减阻率DR越大，减阻效果越好。

本发明包括水箱1、离心泵2、溢流阀3、调速阀4、电磁流量计5、压力表6、矩形测试管道9、两个测压孔14、高精度差压计15和必要的回路连接件。其中，矩形测试管道9包括矩形槽道12和槽道盖板13，在槽道盖板13上沿流向方向开有两个测压孔14，且两个测压孔14与高精度差压计15相连接，用于测量两点的压力差，并通过对比相同矩形测试管道9入口速度时压力差的变化来评估仿生非光滑表面的减阻效果。

仿生非光滑表面减阻效果的评价方法的具体步骤为：

a、启动离心泵2，通过调节溢流阀3来调节泵2的出口压力，通过调速阀4来调节矩形测试管道9的主流速度，同时记录高精度差压计15测得的压力差p_s；

b、在测试管道9内壁面铺覆需要测量的仿生非光滑表面薄膜或加工出仿生非光滑表面形状，调节流量计使得矩形测试管道9的入口速度与步骤a的入口速度相等，同时记录高精度差压计15的压力差p_n；

c、仿生非光滑表面的减阻效果用减阻率DR来表示，计算方法为：

$\mathrm{DR}=100\%\×\frac{p_s-p_n}{p_s};$

减阻率DR越大，减阻效果越好。

本发明的工作原理为：

本发明通过驱动离心泵2给矩形测试管道9供水，通过溢流阀3调节离心泵2的出口压力。通过调节调速阀4来调节矩形测试管道9的入口速度。矩形测试管道9是可拆卸的，包括矩形槽道12和槽道盖板13两部分，在槽道盖板13上沿流动方向开设两个测压孔14，将这两点的压力值引入高精度差压计15，通过对相同矩形测试槽道9入口速度时光滑表面和仿生非光滑表面槽道盖板测得的压差值进行比较来检测仿生非光滑表面的减阻效果。

本发明评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置，它包括水箱1、离心泵2、溢流阀3、调速阀4、电磁流量计5、压力表6、矩形测试管道9、高精度差压计15和必要的回路连结件组成；其中，矩形测试管道9包括矩形槽道12和槽道盖板13两部分，在槽道盖板上沿流动方向开设两个测压孔14，将该两点的压力引入高精度差压计15，以测取该两点间的压差。

在离心泵2的出口处安装了溢流阀3，可以调节离心泵2的出口压力。

在主流管路上分别安装了调速阀4和压力表6，可以调节矩形测试管道9入口的压力。

在主流管路上分别安装了电磁流量计5，可以调节矩形测试管道9的入口速度。

本发明评估仿生非光滑表面减阻效果的方法：槽道盖板13的两个测压孔14开在同一直线上，且两个测压孔14的直径相等。

在槽道盖板13上铺覆需要测量的仿生非光滑表面薄膜，测压孔14的位置不变，测量两点的压差，通过对比相同主流速度时铺覆仿生非光滑表面薄膜前后的压差值来检测仿生非光滑表面的减阻效果。

在槽道盖板上加工出需要测量的仿生非光滑表面，通过对比相同主流速度时光滑表面和仿生非光滑表面的压力差来评估仿生非光滑表面的减阻效果。

具体步骤为：

a、启动离心泵，通过调节溢流阀3来调节泵2的出口压力，通过调速阀4和流量计5来调节矩形测试管道9的主流速度，同时记录高精度差压计15测得的压力差p_s；

b、在矩形测试管道9内壁面铺覆需要测量的仿生非光滑表面薄膜或加工出需要仿生非光滑表面形状，调节流量计使其与a步骤的主流速度相等，同时记录高精度差压计15测得的压力差p_n；

c、仿生非光滑表面的减阻效果用减阻率DR来表示，计算方法为：

$\mathrm{DR}=100\%\×\frac{p_s-p_n}{p_s};$

减阻率DR越大，减阻效果越好。

Claims (4)

1.评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是：包括水箱、泵、测试管道、压差计，水箱里充有液体，水箱通过第一管路连通泵，泵通过第二管路连通测试管道的入口，测试管道的出口通过第三管路连通水箱，测试管道里设置槽道，测试管道的下壁设置槽道盖板，槽道盖板上沿测试管道内流体流动方向设置两个测压孔，压差计连接两个测压孔。

2.根据权利要求1所述的评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是：第二管路上引出第四管路，第四管路连通水箱，第二管路上安装调速阀、流量计、压力表，第四管路上安装溢流阀。

3.根据权利要求1或2所述的评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是：所述的测试管道为矩形，测试管道的入口处安装测试槽道入口联接管，测试管道的出口处安装测试槽道出口联接管。

4.评估仿生非光滑表面减阻效果的试验方法，其特征是：采用如下试验装置：包括水箱、泵、测试管道、压差计，水箱里充有液体，水箱通过第一管路连通泵，泵通过第二管路连通测试管道的入口，测试管道的出口通过第三管路连通水箱，测试管道里设置槽道，测试管道的下壁设置槽道盖板，槽道盖板上沿测试管道内流体流动方向设置两个测压孔，压差计连接两个测压孔；

第二管路上引出第四管路，第四管路连通水箱，第二管路上安装调速阀、流量计、压力表，第四管路上安装溢流阀；

（1）启动泵，通过调节溢流阀来调节泵的出口压力，通过调速阀来调节测试管道内的流体速度即主流速度，同时记录压差计测得的压力差p_s；

（2）在测试管道内壁面铺覆需要测量的仿生非光滑表面薄膜或加工出仿生非光滑表面形状，调节流量计使得测试管道的入口速度与步骤（1）的入口速度相等，同时记录压差计的压力差p_n；

（3）仿生非光滑表面的减阻效果用减阻率DR来表示，则：

$\mathrm{DR}=100\%\×\frac{p_s-p_n}{p_s}.$

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