CN103776613A - 评估仿生射流表面减阻性能的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供评估仿生射流表面减阻性能的试验装置及方法，包括支架、密封水箱、水池、步进电机、扭矩信号耦合器、水泵、第一空心水轴、第二空心水轴，密封水箱和水池均安装在支架里，第一空心水轴安装在密封水箱上，第一空心水轴与扭矩信号耦合器相连，步进电机连接扭矩信号耦合器，步进电机驱动第一空心水轴旋转，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。本发明采用步进电机带动旋转圆盘测试模型旋转，利用扭矩信号耦合器测量旋转圆盘测试模型所受到的流体摩擦阻力，测试原理简单直观，测试结果可靠。

Description

评估仿生射流表面减阻性能的试验装置及方法

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、测试准确的评估仿生射流表面减阻性能的试验装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明评估仿生射流表面减阻性能的试验装置，其特征是：包括支架、密封水箱、水池、步进电机、扭矩信号耦合器、水泵、第一空心水轴、第二空心水轴，密封水箱和水池均安装在支架里，第一空心水轴通过滚动轴承安装在密封水箱上，第一空心水轴与扭矩信号耦合器通过弹性模片联轴器相连，步进电机连接扭矩信号耦合器，步进电机驱动第一空心水轴旋转，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，通过第一空心水轴空转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旋转从而测试仿生射流表面旋转圆盘模型的减阻性能。

本发明评估仿生射流表面减阻性能的试验装置还可以包括：

1、第一空心水轴上、配水环的上下两侧安装动密封装置，配水环为空心结构，第一空心水轴与配水环相连处为十字通孔结构，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。

2、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。

3、多孔射流器里安装栅格整流板。

4、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。

本发明评估仿生射流表面减阻性能的试验方法，其特征是：采用如下试验装置：包括支架、密封水箱、水池、步进电机、扭矩信号耦合器、水泵、第一空心水轴、第二空心水轴，密封水箱和水池均安装在支架里，第一空心水轴通过滚动轴承安装在密封水箱上，第一空心水轴与扭矩信号耦合器通过弹性模片联轴器相连，步进电机连接扭矩信号耦合器，步进电机驱动第一空心水轴旋转，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，第一空心水轴空转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旋转；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）在第一空心水轴端部安装光滑表面旋转圆盘测试模型，步进电机开始工作，带动光滑表面旋转圆盘测试模型旋转，测量光滑表面旋转圆盘测试模型受到的总力矩，随后将光滑表面旋转圆盘测试模型拆除，测量空转时的扭矩，两者之差就是光滑表面旋转圆盘测试模型引起的摩擦力矩M_s；

（2）将光滑表面旋转圆盘测试模型替换为仿生射流表面旋转圆盘模型，启动泵，通过调节球阀、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扭矩信号，此时测得的扭矩和步骤（1）空转时的扭矩之差就是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旋转圆盘模型的减阻效果：

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

本发明的优势在于：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性能的影响规律；本发明通过对比光滑表面旋转圆盘和仿生射流表面旋转圆盘引起的力矩来衡量仿生射流表面的减阻效果，通过对比光滑表面测试圆盘模型和表面涂层测试圆盘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为本发明的配水环处结构示意图。

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1～2，本发明装置由步进电机15，步进电机驱动器16，弹性膜片联轴器13，扭矩信号耦合器12，空心水轴6，多孔射流器4，旋转圆盘测试模型2，支架17，密闭水箱1，计算机14和射流供给系统组成。步进电机15、扭矩信号耦合器12都固定在支架17上。步进电机15通过步进电机驱动器16来控制，步进电机15通过弹性膜片联轴器13带动空心水轴6旋转，旋转圆盘测试模型2安装在空心水轴6的末端，测量流体对旋转圆盘测试模型2的摩擦力矩。

如图1～2所示，射流供给系统包括泵23、溢流阀20、球阀22、流量计21和必要的管路连接件，其中溢流阀20的作用是调节泵23的出口压力，通过调节溢流阀20和球阀22来改变流量计的流量，继而控制射流孔3的射流速度。配水环与空心水轴间隙配合，配水环固定不动，进水管与空心水轴通过螺纹连接。扭矩信号耦合器12将采集到的扭矩、功率、转速信号传入到计算机14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11中。

本发明的工作原理为：

本发明通过泵23、溢流阀20、球阀22和流量计21来调节射流孔3的射流速度，步进电机驱动器16驱动步进电机15运动，步进电机15通过扭矩信号耦合器12与空心水轴6相连接，带动旋转圆盘测试模型2转动，密闭水箱1内的流体对旋转圆盘测试模型2产生摩擦阻力，扭矩信号耦合器12将采集到的摩擦力矩信号传入到计算机14中。通过对比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衡量仿生射流表面的减阻效果。

所述的仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置减阻性能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，步进电机15开始工作，带动旋转圆盘2旋转，测量旋转圆盘测试模型2受到的总力矩，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测试圆盘模型引起的摩擦力矩M_s。

b、在旋转圆盘测试模型上加工出射流孔，将加工后的仿生射流表面旋转圆盘测试模型2安装在空心水轴6上，启动泵23，调节球阀22、溢流阀20来调节泵23的出口压力和流量计21的流量，进而控制射流孔3的射流速度，启动步进电机15，保持在与上一步电机转速相等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旋转圆盘模型的减阻效果

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

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，适用于对仿生射流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。

本发明一种仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置，该装置包括密闭水箱1、旋转圆盘测试模型2、多孔射流器4、空心水轴6、弹性膜片联轴器11和13、扭矩信号耦合器12、步进电机15、步进电机驱动器16、支架17、泵23、溢流阀20、球阀22、流量计21、水箱19和计算机14；其中步进电机15的输出轴与扭矩信号耦合器12的输入轴相连接，扭矩信号耦合器12的输出轴通过弹性膜片联轴器11与空心水轴6相连接，旋转圆盘测试模型2安装在空心水轴6的末端。

所述的多孔射流器4与旋转圆盘测试模型2固连，仿生射流表面旋转圆盘上开有射流孔3，射流孔的个数和射流孔直径可根据需要进行设计，多孔射流器4的内部装有栅格整流板5，使得射流孔3的射流速度更加稳定。

所述的扭矩信号耦合器12将采集的扭矩、功率、转速信号传入到计算机14中，运用Labview8.2软件编程，将采集到的信号进行实时显示并存储在计算机14中。

步进电机15和扭矩信号耦合器12固定在支架17上，使得整个测试系统更加稳定。

射流供给系统包括泵23、溢流阀20、球阀22、流量计21和水箱19，溢流阀20的作用是调节泵23的出口压力，调节球阀22的开度，通过控制射流流量来控制射流速度。

通过泵23向进水管18供水，进水管18与配水环9螺纹连接，配水环9与空心水轴6间隙配合，配水环9固定不动，在配水环9的两端通过动密封装置8和10进行动密封，进水管中的水经配水环向空心水轴6供水，水轴中的水进入多孔射流器4，经由栅格整流板5在旋转圆盘2表面形成射流。

所述的步进电机15的旋转速度由步进电机驱动器16控制，步进电机15通过空心水轴6带动旋转圆盘测试模型2旋转。

本发明一种采用权利要求1所述的仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置的减阻性能评价方法，利用扭矩信号耦合器12测量旋转圆盘测试模型2所受到的流体摩擦力矩，利用射流管路中的泵23、溢流阀20和流量计21来调节射流流量，继而调节射流速度，通过对比光滑表面旋转圆盘测试模型和仿生射流表面旋转圆盘测试模型的摩擦力矩来评估仿生射流表面的减阻效果。

本发明发明具体步骤为：

a、安装光滑表面旋转圆盘测试模型，步进电机15开始工作，带动旋转圆盘2旋转，测量旋转圆盘测试模型2受到的总力矩，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测试圆盘模型引起的摩擦力矩M_s。

b、在旋转圆盘测试模型上加工出射流孔，将加工后的仿生射流表面旋转圆盘测试模型2安装在空心水轴6上，启动泵23，调节球阀22、溢流阀20来调节泵23的出口压力和流量计21的流量，进而控制射流孔3的射流速度，启动步进电机15，保持在与上一步电机转速相等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旋转圆盘模型的减阻效果

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

减阻率越大，减阻效果越好。

Claims (8)

1.评估仿生射流表面减阻性能的试验装置，其特征是：包括支架、密封水箱、水池、步进电机、扭矩信号耦合器、水泵、第一空心水轴、第二空心水轴，密封水箱和水池均安装在支架里，第一空心水轴通过滚动轴承安装在密封水箱上，第一空心水轴与扭矩信号耦合器通过弹性模片联轴器相连，步进电机连接扭矩信号耦合器，步进电机驱动第一空心水轴旋转，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，通过第一空心水轴空转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旋转从而测试仿生射流表面旋转圆盘模型的减阻性能。

2.根据权利要求1所述的评估仿生射流表面减阻性能的试验装置，其特征是：第一空心水轴上、配水环的上下两侧安装动密封装置，配水环为空心结构，第一空心水轴与配水环相连处为十字通孔结构，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。

3.根据权利要求1或2所述的评估仿生射流表面减阻性能的试验装置，其特征是：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。

4.根据权利要求3所述的评估仿生射流表面减阻性能的试验装置，其特征是：多孔射流器里安装栅格整流板。

5.根据权利要求1或2所述的评估仿生射流表面减阻性能的试验装置，其特征是：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。

6.根据权利要求3所述的评估仿生射流表面减阻性能的试验装置，其特征是：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。

7.根据权利要求4所述的评估仿生射流表面减阻性能的试验装置，其特征是：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。

8.评估仿生射流表面减阻性能的试验方法，其特征是：采用如下试验装置：包括支架、密封水箱、水池、步进电机、扭矩信号耦合器、水泵、第一空心水轴、第二空心水轴，密封水箱和水池均安装在支架里，第一空心水轴通过滚动轴承安装在密封水箱上，第一空心水轴与扭矩信号耦合器通过弹性模片联轴器相连，步进电机连接扭矩信号耦合器，步进电机驱动第一空心水轴旋转，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，第一空心水轴空转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旋转；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）在第一空心水轴端部安装光滑表面旋转圆盘测试模型，步进电机开始工作，带动光滑表面旋转圆盘测试模型旋转，测量光滑表面旋转圆盘测试模型受到的总力矩，随后将光滑表面旋转圆盘测试模型拆除，测量空转时的扭矩，两者之差就是光滑表面旋转圆盘测试模型引起的摩擦力矩M_s；

（2）将光滑表面旋转圆盘测试模型替换为仿生射流表面旋转圆盘模型，启动泵，通过调节球阀、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扭矩信号，此时测得的扭矩和步骤（1）空转时的扭矩之差就是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旋转圆盘模型的减阻效果：

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

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