CN103759918A

CN103759918A - 评估仿生射流表面平板减阻效果的试验装置及方法

Info

Publication number: CN103759918A
Application number: CN201410027016.1A
Authority: CN
Inventors: 赵刚; 李芳�; 刘维新; 孙壮志; 李照远; 刘文博
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: CN103759918B

Abstract

本发明的目的在于提供评估仿生射流表面平板减阻效果的试验装置及方法，包括水洞、悬垂钢丝、激光测振仪、泵，水洞里充有液体，悬垂钢丝的顶端均固定在水洞上方的支架上，悬垂钢丝的底端均连接光滑表面平板测试模型或仿生射流表面测试平板模型，悬垂钢丝的底端均且位于水洞里的液面以下，悬垂钢丝的顶端均位于同一平面上，激光测振仪设置在最右端的悬垂钢丝的右侧。本发明采用步进电机带动丝杠螺母机构为测试模型提供动力，测试原理简单直观，测试结果可靠。

Description

评估仿生射流表面平板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，具体地说是测量流体摩擦阻力的试验装置及试验方法。

背景技术

运输工具在水中行进时的主要能耗是用来克服行进阻力，因此进行阻力分析和减小阻力，对于节约能源、改善工作状况，提高工作效能具有重要意义。运输工具行进阻力主要由摩擦阻力和压差阻力组成，其中摩擦阻力占总阻力的绝大部分，因此进行摩擦阻力的分析和测量是进行阻力分析的关键。

目前，评估仿生射流表面减阻效果的试验装置较少，且多集中在旋转射流测试方法，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”，通过筒体的旋转为主流场速度提供动力，流速不好控制。

发明内容

本发明的目的在于提供能够测量不同流速时光滑表面和仿生射流表面平板的流体摩擦阻力的评估仿生射流表面平板减阻效果的试验装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明评估仿生射流表面平板减阻效果的试验装置，其特征是：包括水洞、悬垂钢丝、激光测振仪、泵，水洞里充有液体，悬垂钢丝的顶端均固定在水洞上方的支架上，悬垂钢丝的底端均连接光滑表面平板测试模型或仿生射流表面测试平板模型，悬垂钢丝的底端均且位于水洞里的液面以下，悬垂钢丝的顶端均位于同一平面上，激光测振仪设置在最右端的悬垂钢丝的右侧，当液体静止时，悬垂钢丝的底端位均于一个平面上，当液体流动时，光滑表面平板测试模型或仿生射流表面测试平板模型在液体作用下带动悬垂钢丝在竖直方向上产生偏角，激光测振仪可测得最右端悬垂钢丝的位移，当悬垂钢丝的底端连接仿生射流表面测试平板模型时，仿生射流表面测试平板模型上安装多孔射流器，泵通过第一管路连通水洞，泵通过第二管路连通多孔射流器，仿生射流表面测试平板模型上设置通孔，通孔与多孔射流器的孔相对应设置，泵将水洞里的液体通过第一管路和第二管路引入多孔射流器进而从仿生射流表面测试平板模型的通孔射出。

本发明评估仿生射流表面平板减阻效果的试验装置还可以包括：

1、泵还通过第三管路连通水洞，第三管路上安装溢流阀，第二管路上安装流量计和球阀。

2、所述的多孔射流器上安装栅格整流板。

本发明评估仿生射流表面平板减阻效果的试验方法，其特征是：采用如下试验装置：包括水洞、悬垂钢丝、激光测振仪、泵，水洞里充有液体，悬垂钢丝的顶端均固定在水洞上方的支架上，悬垂钢丝的底端均连接光滑表面平板测试模型或仿生射流表面测试平板模型，悬垂钢丝的底端均且位于水洞里的液面以下，悬垂钢丝的顶端均位于同一平面上，激光测振仪设置在最右端的悬垂钢丝的右侧，当液体静止时，悬垂钢丝均为竖直状态，悬垂钢丝的底端位均于一个平面上，当液体流动时，光滑表面平板测试模型或仿生射流表面测试平板模型在液体作用下带动悬垂钢丝在竖直方向上产生偏角，激光测振仪可测得最右端悬垂钢丝的位移，当悬垂钢丝的底端连接仿生射流表面测试平板模型时，仿生射流表面测试平板模型上安装多孔射流器，泵通过第一管路连通水洞，泵通过第二管路连通多孔射流器，仿生射流表面测试平板模型上设置通孔，通孔与多孔射流器的孔相对应设置，泵将水洞里的液体通过第一管路和第二管路引入多孔射流器进而从仿生射流表面测试平板模型的通孔射出；泵还通过第三管路连通水洞，第三管路上安装溢流阀，第二管路上安装流量计和球阀；

（1）将悬垂钢丝的底端安装光滑表面平板测试模型，测量悬垂钢丝顶端到激光测振仪的铅垂距离H和光滑表面平板测试模型在水中的重力Gs；

（2）改变水洞中的液体流速并保持恒定流速状态；

（3）通过激光测振仪检测最右端的悬垂钢丝的移动距离D_s，所述的移动距离D_s是指最右端的悬垂钢丝在激光测振仪所发出的光路上的水平移动距离，再根据下式计算光滑表面平板测试模型的流体摩擦阻力f_s：

f_{s} = G_{s} \frac{D_{s}}{H};

（4）将光滑表面平板测试模型替换成仿生射流表面测试平板模型，测量仿生射流表面测试平板模型在水中的重力G_j，启动泵，调节球阀的开度来调节流量计的流量，通过流量的变化来调节多孔射流器的射流速度；

（5）重复步骤（2）和（3）得到仿生射流表面平板测试模型的摩擦阻力f_j：

f_{j} = G_{j} \frac{D_{j}}{H};

（6）仿生射流表面测试平板模型的减阻效果用减阻率DR来表示，则：DR=100%×(f_s-f_j)/f_s。

本发明评估仿生射流表面平板减阻效果的试验方法还可以包括：

1、所述的多孔射流器上安装栅格整流板。

本发明的优势在于：本发明实现对仿生射流表面平板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；可在射流表面模型平板上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)，用于测量仿生射流表面与非光滑表面耦合减阻效果的测试，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，不同于其它评估仿生射流表面减阻效果的装置，可以直接给出测试平板模型的流体摩擦阻力，测试结果可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明悬垂钢丝受力示意图。

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、测试平板模型4、多孔射流器5、射流软管7、悬挂钢丝8、激光测振仪11、泵15、溢流阀14、球阀13、流量计12和必要的管路连接件，所述悬挂钢丝8与测试平板模型4相互连接。

初始状态水流静止时，悬垂钢丝8与竖直方向的角度为0，此时激光测振仪11的激光光路10与悬垂钢丝8垂直；悬垂钢丝8的上端点固定在支架上，且各根钢丝的固定点在同一水平面上，保持各个钢丝的长度相等；射流供给系统包括泵15、溢流阀14、球阀13、流量计12和必要的管路连接件，其中溢流阀14的作用是调节泵15的出口压力，调节球阀13的开度和流量计12的流量来提供稳定的射流速度。

如图1、2所示，测试平板模型4受到流体摩擦阻力的作用发生移动，悬垂钢丝8产生一定的偏转角度，通过激光测振仪11检测悬垂钢丝8发生偏转前后的位移差来计算出测试平板模型4的流体摩擦阻力。图2中f为摩擦阻力，G为重力。

所述的仿生射流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的流体摩擦阻力，先将光滑表面平板测试模型4与悬垂钢丝8连接在一起，测量悬垂钢丝8固定点到激光测振仪11的铅垂距离H和光滑表面平板测试模型4在水中的重力Gs；

b、改变水洞1中的水流速度并保持恒定流速状态；

c、通过激光测振仪11检测悬垂钢丝8的移动距离D_s，再根据下式计算光滑表面平板4的流体摩擦阻力f_s

f_{s} = G_{s} \tan α \approx G_{s} \frac{D_{s}}{H},

α为悬垂钢丝与竖直方向所成角；

d、将仿生射流表面测试平板模型与悬垂钢丝8相连接，启动泵15，调节球阀13的开度来调节流量计12的流量，通过流量的变化来调节射流孔的射流速度；

e、采用相同的测量和计算方法，重复步骤b和c得到仿生射流表面平板测试模型4的摩擦阻力f_j

f_{j} = G_{j} \tan α \approx G_{j} \frac{D_{j}}{H};

f、仿生射流表面的减阻效果用减阻率DR来表示，计算方法为

DR=100%×(f_s-f_j)/f_s；

减阻率DR越大，仿生射流表面的减阻效果越好。

本发明的工作原理为：

本发明一方面通过激光测振仪11测量悬垂钢丝8的偏移距离计算出测试平板模型4的流体摩擦阻力，通过减阻率来衡量仿生射流表面的减阻效果。该装置结构简单，操作容易，测试准确；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，不同于其它评估仿生射流表面减阻效果的装置，可以直接给出仿生射流表面的流体摩擦阻力，测试结果可靠。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明包括水洞、测试平板模型、多孔射流器、射流软管、泵、溢流阀、球阀、流量计、悬挂钢丝和激光测振仪，所述悬垂钢丝与测试平板模型相连接，承担测试平板模型在水中的重力；多孔射流器内部装有栅格整流板，可以使射流孔的射流速度更加稳定；射流供给系统包括泵、溢流阀、球阀、流量计和必要的管路连接件，其中溢流阀、泵和水洞构成一个闭合回路，通过溢流阀来调节泵的出口压力，调节球阀的开度来调节流量计的流量值，通过改变射流管路的流量来调节孔的射流速度。

其中：在水流静止时，悬垂钢丝与竖直方向的角度为0，此时激光测振仪的光路与悬垂钢丝垂直；悬垂钢丝的上端点固定在支架上，且各根钢丝的固定点在同一水平面上，保持各个钢丝的长度相等；测试平板模型受到流体摩擦阻力的作用发生移动，悬垂钢丝产生一定的偏转角度，通过激光测振仪检测悬垂钢丝发生偏转前后的位移差来计算出测试平板模型的流体摩擦阻力。

本发明的仿生射流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的流体摩擦阻力，先将光滑表面平板测试模型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和光滑表面平板测试模型在水中的重力Gs；

b、改变水洞中的水流速度并保持恒定流速状态；

c、通过激光测振仪检测悬垂钢丝的移动距离D_s，再根据下式计算光滑表面平板的流体摩擦阻力f_s

f_{s} = G_{s} \tan α \approx G_{s} \frac{D_{s}}{H};

d、将仿生射流表面测试平板模型与悬垂钢丝相连接，启动泵，调节球阀的开度来调节流量计的流量，通过流量的变化来调节射流孔的射流速度；

e、采用相同的测量和计算方法，重复步骤b和c得到仿生射流表面平板测试模型的摩擦阻力f_j

f_{j} = G_{j} \tan α \approx G_{j} \frac{D_{j}}{H};

f、仿生射流表面的减阻效果用减阻率DR来表示，计算方法为

DR=100%×(f_s-f_j)/f_s；

减阻率DR越大，仿生射流表面的减阻效果越好。

本发明评估仿生射流表面平板减阻效果的试验装置，它包括水洞1、测试平板模型4、多孔射流器5、射流软管7、泵15、溢流阀14、球阀13、流量计12、悬挂钢丝8和激光测振仪11，所述的多孔射流器5与测试平板模型4通过螺钉相连接。在水流静止时，悬垂钢丝8与竖直方向的角度为0，此时激光测振仪11的光路与悬垂钢丝8垂直。多孔射流器5内部装有栅格整流板6，减小射流管入口对流体的冲击，使得射流速度更加稳定。所述的泵15、水洞1和溢流阀14形成一个闭合回路，溢流阀14用于调节泵15的出口压力。通过调节球阀13的开度来调节流量计12的流量，通过流量的变化来调节射流速度。悬垂钢丝8的上端点固定在支架上，且各根钢丝的固定点在同一水平面上，保持各个钢丝的长度相等。

本发明评估仿生射流表面平板减阻效果的试验方法：测试平板模型4受到流体摩擦阻力的作用发生移动，悬垂钢丝8产生一定的偏转角度，通过激光测振仪11检测悬垂钢丝8发生偏转前后的位移差来计算出测试平板模型4受到的流体摩擦阻力。

其具体步骤为：

b、改变水洞1中的水流速度并保持恒定流速状态；

f_{s} = G_{s} \tan α \approx G_{s} \frac{D_{s}}{H};

f_{j} = G_{j} \tan α \approx G_{j} \frac{D_{j}}{H};

f、仿生射流表面的减阻效果用减阻率DR来表示，计算方法为

DR=100%×(f_s-f_j)/f_s；

减阻率DR越大，仿生射流表面的减阻效果越好。

Claims

1.评估仿生射流表面平板减阻效果的试验装置，其特征是：包括水洞、悬垂钢丝、激光测振仪、泵，水洞里充有液体，悬垂钢丝的顶端均固定在水洞上方的支架上，悬垂钢丝的底端均连接光滑表面平板测试模型或仿生射流表面测试平板模型，悬垂钢丝的底端均且位于水洞里的液面以下，悬垂钢丝的顶端均位于同一平面上，激光测振仪设置在最右端的悬垂钢丝的右侧，当液体静止时，悬垂钢丝的底端位均于一个平面上，当液体流动时，光滑表面平板测试模型或仿生射流表面测试平板模型在液体作用下带动悬垂钢丝在竖直方向上产生偏角，激光测振仪可测得最右端悬垂钢丝的位移，当悬垂钢丝的底端连接仿生射流表面测试平板模型时，仿生射流表面测试平板模型上安装多孔射流器，泵通过第一管路连通水洞，泵通过第二管路连通多孔射流器，仿生射流表面测试平板模型上设置通孔，通孔与多孔射流器的孔相对应设置，泵将水洞里的液体通过第一管路和第二管路引入多孔射流器进而从仿生射流表面测试平板模型的通孔射出。

2.根据权利要求1所述的评估仿生射流表面平板减阻效果的试验装置，其特征是：泵还通过第三管路连通水洞，第三管路上安装溢流阀，第二管路上安装流量计和球阀。

3.根据权利要求1或2所述的评估仿生射流表面平板减阻效果的试验装置，其特征是：所述的多孔射流器上安装栅格整流板。

4.评估仿生射流表面平板减阻效果的试验方法，其特征是：采用如下试验装置：包括水洞、悬垂钢丝、激光测振仪、泵，水洞里充有液体，悬垂钢丝的顶端均固定在水洞上方的支架上，悬垂钢丝的底端均连接光滑表面平板测试模型或仿生射流表面测试平板模型，悬垂钢丝的底端均且位于水洞里的液面以下，悬垂钢丝的顶端均位于同一平面上，激光测振仪设置在最右端的悬垂钢丝的右侧，当液体静止时，悬垂钢丝均为竖直状态，悬垂钢丝的底端位均于一个平面上，当液体流动时，光滑表面平板测试模型或仿生射流表面测试平板模型在液体作用下带动悬垂钢丝在竖直方向上产生偏角，激光测振仪可测得最右端悬垂钢丝的位移，当悬垂钢丝的底端连接仿生射流表面测试平板模型时，仿生射流表面测试平板模型上安装多孔射流器，泵通过第一管路连通水洞，泵通过第二管路连通多孔射流器，仿生射流表面测试平板模型上设置通孔，通孔与多孔射流器的孔相对应设置，泵将水洞里的液体通过第一管路和第二管路引入多孔射流器进而从仿生射流表面测试平板模型的通孔射出；泵还通过第三管路连通水洞，第三管路上安装溢流阀，第二管路上安装流量计和球阀；

（2）改变水洞中的液体流速并保持恒定流速状态；

f_{s} = G_{s} \frac{D_{s}}{H};

f_{j} = G_{j} \frac{D_{j}}{H};

5.根据权利要求4所述的评估仿生射流表面平板减阻效果的试验装置，其特征是：所述的多孔射流器上安装栅格整流板。