CN103759919B - 仿生射流表面流体摩擦阻力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置及方法，包括旋转圆盘测试模型、多孔射流器、传力杆、测力元件、步进电机、伺服混合式步进电机驱动器、弹性膜片联轴器、螺旋桨、密闭水箱、空心水轴、轴承、支架、泵、溢流阀、球阀、流量计、水箱；其中伺服混合式步进电机驱动器与步进电机相连，步进电机与螺旋桨接，螺旋桨带动密闭水箱中的液体旋转，为主流速度提供动力；传力杆与空心水轴相连，旋转圆盘测试模型安装在空心水轴的末端；所述的步进电机、泵和密闭水箱都固定在支架上。本发明采用步进电机带动螺旋桨旋转为密闭水箱中的主流旋转提供动力，测试原理简单直观，测试结果可靠。

Description

仿生射流表面流体摩擦阻力测试方法

技术领域

本发明涉及的是一种一种试验装置及方法，具体地说是测试流体对不同表面结构摩擦阻力的试验装置及方法。

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。为了评估仿生射流表面的减阻特性，在旋转圆盘测试模型上应用仿生射流减阻技术，加工出仿生射流表面旋转圆盘测试模型，通过与光滑表面旋转圆盘测试模型进行对比来衡量仿生射流表面的减阻效果。

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结构简单、操作容易、测试准确的仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置，其特征是：包括支架、步进电机、密封水箱、水池、第一空心水轴、第二空心水轴、水泵，步进电机、密封水箱、水池、水泵安装在支架上，步进电机位于密封水箱的下方，密封水箱里设置螺旋桨，步进电机连接螺旋桨，第一空心水轴通过配水环与第二空心水轴相连通，第二空心水轴连通水泵，水泵与水池通过第一管路相连通，水池与密封水箱通过第二管路相连通，密封水箱和水池里均充有液体，第一空心水轴上安装传力杆，传力杆的端部安装测力元件，第一空心水轴与配水环相连处安装动密封装置，配水环为空心结构，第一空心水轴位于配水环内的部分包含十字通孔结构，来自水泵的水通过第二空心水轴进入配水环，进而通过十字通孔结构进入第一空心水轴，通过第一空心水轴的端部悬空和在第一空心水轴的端部安装光滑表面旋转圆盘测试模型、仿生射流表面旋转圆盘模型从而测试仿生射流表面旋转圆盘模型的减阻性能。

本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置还可以包括：

1、当第一空心水轴的端部安装仿生射流表面旋转圆盘模型时，仿生射流表面旋转圆盘模型上安装多孔射流器，仿生射流表面旋转圆盘模型即为在光滑表面旋转圆盘测试模型上设置射流孔，来自水泵的水首先进入多孔射流器，然后通过仿生射流表面旋转圆盘模型的射流孔喷出。

2、多孔射流器里安装栅格整流板。

3、第一管路上安装溢流阀，第二空心水轴上安装球阀和流量计。

本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试方法，其特征是：采用如下测试装置：包括支架、步进电机、密封水箱、水池、第一空心水轴、第二空心水轴、水泵，步进电机、密封水箱、水池、水泵安装在支架上，步进电机位于密封水箱的下方，密封水箱里设置螺旋桨，步进电机连接螺旋桨，第一空心水轴通过配水环与第二空心水轴相连通，第二空心水轴连通水泵，水泵与水池通过第一管路相连通，水池与密封水箱通过第二管路相连通，密封水箱和水池里均充有液体，第一空心水轴上安装传力杆，传力杆的端部安装测力元件，第一空心水轴与配水环相连处安装动密封装置，配水环为空心结构，第一空心水轴位于配水环内的部分包含十字通孔结构，来自水泵的水通过第二空心水轴进入配水环，进而通过十字通孔结构进入第一空心水轴，通过第一空心水轴的端部悬空和在第一空心水轴的端部安装光滑表面旋转圆盘测试模型、仿生射流表面旋转圆盘模型从而测试仿生射流表面旋转圆盘模型的减阻性能；当第一空心水轴的端部安装仿生射流表面旋转圆盘模型时，仿生射流表面旋转圆盘模型上安装多孔射流器，仿生射流表面旋转圆盘模型即为在光滑表面旋转圆盘测试模型上设置射流孔，来自水泵的水首先进入多孔射流器，然后通过仿生射流表面旋转圆盘模型的射流孔喷出；

（1）在第一空心水轴上安装光滑表面旋转圆盘测试模型，步进电机开始工作，带动螺旋桨旋转，通过与第一空心水轴固连的传力杆和测力元件测量光滑表面旋转圆盘测试模型的阻力F₁，随后将光滑表面旋转圆盘测试模型拆除，测量第一空心水轴悬空时的阻力F₂，测量测力元件与第一空心水轴之间的距离L，则光滑表面旋转圆盘测试模型引起的摩擦力矩M_s为

M_s=(F₁-F₂)L；

（2）在第一空心水轴上安装仿生射流表面旋转圆盘模型并在上仿生射流表面旋转圆盘模型安装多孔射流器，启动泵，调节球阀、溢流阀来调节泵的出口压力和流量计的流量，进而控制射流孔的射流速度，启动步进电机，保持在与步骤（1）步进电机转速相等采集此时的力信号，将此时测得的力和步骤（1）空转时的力之差与L相乘为该射流速度时仿生射流表面旋转圆盘模型引起的摩擦力矩M_j；

（3）用减阻率DR来评价仿生射流表面的减阻效果，则：

$\mathrm{DR}=\frac{M_s-M_j}{M_s}\×100\%.$

本发明的优势在于：本发明实现对仿生射流表面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；测试圆盘表面可根据需要加工出不同的射流孔直径和射流孔个数，以检测不同射流参数对减阻特性的影响规律；本发明通过对比光滑表面测试圆盘和仿生射流表面测试圆盘引起的力矩来衡量仿生射流表面的减阻效果，通过对比光滑表面旋转圆盘测试模型和表面涂层旋转圆盘测试模型引起的力矩来衡量表面涂层结构的减阻效果。评估仿生射流表面结构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；

图2为本发明的摩擦力矩测量原理示意图。

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，本发明由步进电机2，弹性膜片联轴器3，螺旋桨4，传力杆13，测力元件14，支架1，密闭水箱6，旋转圆盘测试模型5，多孔射流器7，伺服混合式步进电机驱动器20和射流供给系统组成。其中，多孔射流器7和旋转圆盘测试模型5固连，多孔射流器7内部装有栅格整流板8，可以稳定射流速度，旋转圆盘测试模型5上开有射流孔，射流孔的直径和射流孔个数可根据需要自行设计；步进电机2、水泵19和密闭水箱6都固定在支架1上。步进电机2通过伺服混合式步进电机驱动器20来控制，步进电机2通过弹性膜片联轴器3带动螺旋桨4旋转，为主流速度提供动力；扭测力元件14通过传力杆13与安装有旋转圆盘测试模型5的空心水轴12相连接，测量流体对旋转圆盘测试模型5的摩擦力矩。

如图2所示，射流供给系统包括泵19、溢流阀17、球阀16、流量计15和必要的管路连接件，其中溢流阀17的作用是调节泵19的出口压力，通过调节溢流阀17和球阀16来改变流量计15的流量，继而控制射流孔9的射流速度。

本发明的工作原理为：

本发明通过泵19、溢流阀17、球阀16和流量计15来调节射流孔9的射流速度，伺服混合式步进电机驱动器20驱动步进电机2运动，步进电机2与螺旋桨3相连接，为主流速度提供动力，空心水轴12与旋转圆盘测试模型5相联接，测力元件14通过传力杆13与空心水轴12相连，密闭水箱6内的旋转流体对旋转圆盘测试模型5产生摩擦阻力，通过测力元件14测得阻力值，测量空心水轴12与测力元件14之间的距离，二者的乘积即为空心水轴12所受到的摩擦阻力矩。

本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置，包括旋转圆盘测试模型、多孔射流器、步进电机、伺服混合式步进电机驱动器、弹性膜片联轴器、空心水轴、传力杆、测力元件、滚动轴承、密闭水箱、螺旋桨、支架和射流供给系统。其中，射流供给系统包括泵、溢流阀、球阀、流量计和水箱，溢流阀的作用是调节泵的出口压力，通过球阀和流量计来控制射流流量，进而控制射流速度。多孔射流器与旋转圆盘测试模型固连，多孔射流器内部装有栅格整流板，可以稳定射流速度，旋转圆盘测试模型开有射流孔，射流孔的直径和个数可根据需要自行设定。步进电机、泵和密闭水箱固定在支架上。步进电机的转速通过伺服混合式步进电机驱动器控制，步进电机通过弹性膜片联轴器与螺旋桨相联接，为主流速度提供动力，测力元件通过传力杆与空心水轴相联接，水轴的末端安装有旋转圆盘测试模型。

本发明仿生射流表面结构减阻效果的评价方法，将流体对旋转圆盘测试模型的摩擦阻力作用到空心水轴上，产生扭矩信号，通过测力元件测量旋转圆盘测试模型所受到的扭转力，测量测力元件与空心水轴之间的距离，二者的乘积即为旋转圆盘测试模型所受到的摩擦力矩，拆除圆盘后测量相同转速时的扭矩信号，两者之差即为旋转圆盘测试模型引起的力矩，改变射流速度，测量相同主流速度不同射流速度时的扭矩信号。将光滑表面测试圆盘引起的摩擦力矩与某一射流速度时仿生射流表面测试圆盘引起的摩擦力矩相减，所得的差值与光滑表面测试圆盘引起的摩擦力矩的比值即为该射流速度时仿生射流表面的减阻率。

所述的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测试模型5，步进电机2开始工作，带动螺旋桨4旋转，在密闭水箱6内形成稳定的流场，测量旋转圆盘测试模型5的阻力F₁，随后将圆盘拆除，测量空转时的阻力F₂，测量测力元件与空心水轴之间的距离L，则光滑表面旋转圆盘测试模型引起的摩擦力矩M_s为

M_s=(F₁-F₂)L

b、更换仿生射流表面旋转圆盘测试模型5，将其安装在空心水轴12上，启动泵19，调节球阀16、溢流阀17来调节泵19的出口压力和流量计15的流量，进而控制射流孔9的射流速度，启动电机2，保持在与步骤a电机转速相等采集此时的力信号，将此时测得的力和上一步空转时的力之差与L相乘就是该射流速度时仿生射流表面旋转圆盘测试模型引起的摩擦力矩M_j。

c、用减阻率DR来评价仿生射流表面的减阻效果

$\mathrm{DR}=\frac{M_s-M_j}{M_s}\×100;$

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射流表面结构的减阻效果，本发明安装方便、结构简单、检测效果好，适用于对仿生射流表面结构流体摩擦阻力进行检测并评价其减阻效果。

本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置，该装置包括旋转圆盘测试模型5、多孔射流器7、传力杆13、测力元件14、步进电机2、伺服混合式步进电机驱动器20、弹性膜片联轴器3、螺旋桨4、密闭水箱6、空心水轴12、轴承10、支架1、泵19、溢流阀17、球阀16、流量计15、水箱18；其中伺服混合式步进电机驱动器20与步进电机2相连，步进电机2通过弹性膜片联轴器3与螺旋桨4连接，螺旋桨4带动密闭水箱6中的液体旋转，为主流速度提供动力；传力杆13与空心水轴12相连，旋转圆盘测试模型5安装在空心水轴12的末端；所述的步进电机2、泵19和密闭水箱6都固定在支架1上。

多孔射流器7与旋转圆盘测试模型5固连，多孔模型内部装有栅格整流板8，旋转圆盘测试模型5上开有射流孔9，射流孔的直径和个数可以根据需要进行加工。

进水管与空心水轴12之间通过旋转接头11相连接，减小进水管对空心水轴12的阻力。

水箱6为密闭水箱，水箱侧面有出水管接口，水箱盖上有空心水轴12入口，水箱盖上水轴入口处装有滚动轴承10，减小密封水箱盖对空心水轴12的摩擦阻力。

射流供给系统包括泵19、溢流阀17、球阀16、流量计15和水箱18，溢流阀17的作用是调节泵19的出口压力，调节球阀16的开度，通过控制射流流量来控制射流速度。

通过泵19向空心水轴12供水，水轴中的水进入多孔射流器7经由栅格整流板8在旋转圆盘测试模型4上的射流孔9流出形成射流。

螺旋桨4由步进电机2驱动，采用三相伺服混合式步进电机驱动器20控制，步进电机2带动螺旋桨4在密闭水箱5内产生稳定的旋转流场。

本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置的减阻效果评价方法，步进电机2带动螺旋桨4发生旋转，密闭水箱6内的旋转流体对旋转圆盘测试模型5产生摩擦阻力，空心水轴12受到的摩擦阻力矩通过传力杆13传递到测力元件14中，将测得的力与测力元件14和空心水轴12之间的距离的乘积即为旋转圆盘测试模型5的摩擦阻力矩，通过对比相同电机转速时光滑表面旋转圆盘和仿生射流表面旋转圆盘受到的摩擦力矩来评估仿生射流表面的减阻效果。

Claims (1)

1.仿生射流表面流体摩擦阻力测试方法，其特征是：采用如下测试装置：包括支架、步进电机、密封水箱、水池、第一空心水轴、第二空心水轴、水泵，步进电机、密封水箱、水池、水泵安装在支架上，步进电机位于密封水箱的下方，密封水箱里设置螺旋桨，步进电机连接螺旋桨，第一空心水轴通过配水环与第二空心水轴相连通，第二空心水轴连通水泵，水泵与水池通过第一管路相连通，水池与密封水箱通过第二管路相连通，密封水箱和水池里均充有液体，第一空心水轴上安装传力杆，传力杆的端部安装测力元件，第一空心水轴与配水环相连处安装动密封装置，配水环为空心结构，第一空心水轴位于配水环内的部分包含十字通孔结构，来自水泵的水通过第二空心水轴进入配水环，进而通过十字通孔结构进入第一空心水轴，通过第一空心水轴的端部悬空和在第一空心水轴的端部安装光滑表面旋转圆盘测试模型、仿生射流表面旋转圆盘模型从而测试仿生射流表面旋转圆盘模型的减阻性能；当第一空心水轴的端部安装仿生射流表面旋转圆盘模型时，仿生射流表面旋转圆盘模型上安装多孔射流器，仿生射流表面旋转圆盘模型即为在光滑表面旋转圆盘测试模型上设置射流孔，来自水泵的水首先进入多孔射流器，然后通过仿生射流表面旋转圆盘模型的射流孔喷出；

(1)在第一空心水轴上安装光滑表面旋转圆盘测试模型，步进电机开始工作，带动螺旋桨旋转，通过与第一空心水轴固连的传力杆和测力元件测量光滑表面旋转圆盘测试模型的阻力F₁，随后将光滑表面旋转圆盘测试模型拆除，测量第一空心水轴悬空时的阻力F₂，测量测力元件与第一空心水轴之间的距离L，则光滑表面旋转圆盘测试模型引起的摩擦力矩M_s为

M_s＝(F₁-F₂)L；

(2)在第一空心水轴上安装仿生射流表面旋转圆盘模型并在仿生射流表面旋转圆盘模型上安装多孔射流器，启动水泵，调节球阀、溢流阀来调节水泵的出口压力和流量计的流量，进而控制射流孔的射流速度，启动步进电机，保持在与步骤(1)步进电机转速相等采集此时的力信号，将此时测得的力和步骤(1)空转时的力之差与L相乘为该射流速度时仿生射流表面旋转圆盘模型引起的摩擦力矩M_j；

(3)用减阻率DR来评价仿生射流表面的减阻效果，则：

$DR=\frac{M_s-M_j}{M_s}\×100\%.$