CN103776761A - 一种内旋立式仿生减阻测试实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种内旋立式仿生减阻测试实验平台，包括水池、扭矩信号耦合器、装置底座、装置框架、旋筒，水池里充有液体，装置框架安装在水池里，装置框架为非封闭结构，装置底座固定在装置框架上，装置框架上固定有配水密封腔和装置腔体，配水密封腔位于装置腔体里，调频电机固定在装置腔体上，扭矩信号耦合器通过信号耦合器底座安装在装置腔体内壁上，调频电机通过弹性柱销联轴器连接扭矩信号耦合器，配水密封腔里安装配水空心轴，配水空心轴上端通过梅花型联轴器连接扭矩信号耦合器，配水空心轴下端连接旋筒，旋筒设置在装置框架里，水泵通过第一水管连通水池，水泵通过第二水管连通配水密封腔。本发明体积小、结构简单、操作便捷。

Description

一种内旋立式仿生减阻测试实验平台

技术领域

本发明涉及的是一种实验平台，具体地说是减阻测试实验平台。

背景技术

随着能源消耗日趋严重，节能降耗迫在眉睫，其在节约能源、提高能源利用率等方面的地位不言而喻。目前，国内外相关学者对流、固界面之间的运动阻力问题进行了广泛深入的理论研究，并成功在诸多方面取得了较为显著的进展。然而，目前对于减阻技术的研究主要包括理论分析、数值模拟、模型实验等三种方法，但无论是理论分析，还是数值模拟，都以模型实验获得的数据精度最高，更接近于实际，因此理论分析、数据模拟等方法最终也都需要实验的检验和验证。通过实验的方法来研究流体摩擦阻力特性，获得了许多重要的湍流现象，对推进流体减阻理论的发展起到了尤为重要的作用。当前可应用于流、固界面之间摩擦阻力测试的实验方式主要包括水洞、风洞、和水槽拖曳等。但由于上述实验方式的准备过程繁琐，实验周期漫长，并且造价高昂，给减阻测试实验带来很多不便。此外，由于其均无法完成仿生射流表面的减阻测试实验。因此，针对仿生射流表面的特征，设计一个简单、可靠，且能够用于评估仿生射流表面减阻效果，为实际应用提供可靠依据的减阻测试实验平台显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供能够实现对射流表面及非光滑表面流体粘性摩擦阻力进行测试的一种内旋立式仿生减阻测试实验平台。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种内旋立式仿生减阻测试实验平台，其特征是：包括水泵、水池、调频电机、扭矩信号耦合器、装置底座、装置框架、旋筒，水池里充有液体，装置框架安装在水池里，装置框架为非封闭结构，装置底座固定在装置框架上，装置框架上固定有配水密封腔和装置腔体，配水密封腔位于装置腔体里，调频电机固定在装置腔体上，扭矩信号耦合器通过信号耦合器底座安装在装置腔体内壁上，调频电机通过弹性柱销联轴器连接扭矩信号耦合器，配水密封腔里安装配水空心轴，配水空心轴上端通过梅花型联轴器连接扭矩信号耦合器，配水空心轴下端连接旋筒，旋筒设置在装置框架里，水泵通过第一水管连通水池，水泵通过第二水管连通配水密封腔。

本发明还可以包括：

1、所述的配水空心轴为中空结构，配水空心轴位于配水密封腔里的部分设置渗水孔，来自第二水管的液体进入配水密封腔后通过渗水孔进入配水空心轴的中空结构，从而进入旋筒里。

2、所述的旋筒包括旋筒上盖、旋筒下盖、旋筒壁，旋筒壁安装在旋筒上盖和旋筒下盖之间形成旋转体，旋筒壁上设置喷孔，配水空心轴与旋筒上盖相连并与旋转体相连通。

3、配水密封腔上设置供水轴，供水轴与配水密封腔相连通，第二水管与供水轴相连通；配水空心轴通过第一角接触球轴承与配水密封腔上壁相连，配水空心轴通过第二角接触球轴承与装置底座相连，第一角接触球轴承上安装轴承上端盖实现配水空心轴与配水密封腔的密封，第一角接触球轴承下方安装O型橡胶密封圈实现第一角接触球轴承与配水密封腔的隔离，第二角接触球轴承下方安装轴承下端盖实现配水空心轴与装置底座的密封，第二角接触球轴承上方安装密封压盖实现第二角接触球轴承与配水密封腔之间的隔离；第二水管上安装有流量调节阀、压力表、流量计。

本发明的优势在于：本发明具有体积小、造价低、噪声弱、日常使用维护方便、受外界实验环境条件限制轻、实验模型容易加工等优点；实验平台能够实现对仿生射流表面及仿生非光滑表面减阻效果的测试，亦能进行常规流体力学实验；实验部分作为本装置的核心部分，具有结构稳定可靠、拆装方便、实验样件易更换等特点；实验平台在供水方面具有供水稳定、管路流体多参数可调等优点，能够通过协调多种元器件，实现实验模型射流速度的精确控制，模拟多种射流环境；整个实验过程实现了水的循环利用，环保节能，无污染；在测试原理方面，实验样件处于无限大的流场之中，避免了射流对样件表面压强产生的干扰，消除了不必要的影响因素，更加贴近实际工况环境，并且本装置采用内旋立式结构，其旋筒表面流场速度能够较为容易的控制，保证了数据的可靠性。

附图说明

图1为本发明的平台供水部分结构图；

图2为本发明减阻实验平台局部结构图；

图3为本发明实验部分配水模块(a)结构图；

图4为本发明实验部分测试模块(b)结构图；

图5为本发明工作流程图；

图6为本发明总体结构示意图。

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1～6，本实验平台主要由供水部分I、驱动部分II、实验部分III和数据测量采集部分IV构成，其中实验部分III又包括配水模块(a)和测试模块(b)。在实验前，将装置旋筒完全浸入充满流体的水池中，保证在旋筒高速旋转过程中周围流场的稳定性，排除外部环境对旋筒表面摩擦阻力的影响。在实验过程中，由固定于装置腔体16顶端的调频电机18作为整个实验平台的动力源，为下方旋筒保持高速稳定的旋转提供旋转动力。旋转运动通过调频电机18的输出轴，经由与之相连接的弹性柱销联轴器17传递至下方的扭矩信号耦合器15的输入轴，并通过扭矩信号耦合器15的输出轴输出。动力通过梅花型联轴器20传递至与之通过平键相连的配水空心轴26。配水空心轴26在两端角接触球轴承29、40的限制下，做稳定的高速旋转运动，通过螺纹与旋筒上盖44相连接，带动旋筒与之以相同角速度共同转动，使旋筒壁42与外界流场间产生相对运动，从而产生粘性摩擦阻力。水泵1作为整个实验平台的水源系统，为旋筒壁42射流提供水源。流体通过水泵1入口端的过滤吸水口11进入水泵1，经由流量调节阀3、压力表6、流量计8和供水轴13进入配水密封腔30。在配水密封腔30上下两端的O型橡胶密封圈23、31和密封防尘垫25、37的限制下，流体只能经由配水空心轴26周向均布的渗水孔进入装置下端的旋筒内，并由旋筒壁42的射流孔喷射出，实现射流工作。当进行射流测试实验时，水泵1和调频电机18同时开启，经由数据测量采集部分IV的扭矩信号耦合器15反映出相应扭矩值；当进行对照实验，即光滑表面测试实验时，关闭水泵1，仅调频电机18工作，并通过扭矩信号耦合器15测量其粘性摩擦阻力。用计算机将二者数据进行记录及对比，进而通过阻力大小评估射流表面减阻效果。

结合图1，供水部分I主要由水泵1、流量调节阀3、压力表6、流量计8、过滤吸水口11、法兰2、4、弯管接头5、9、10、12和水管7等构成。为保证实验过程中供水部分I的稳定性和安全性，利用地脚螺栓将水泵1与地面相固结。水泵1入口处通过法兰2、弯管接头10与过滤吸水口11相连接，目的是在水泵1吸水过程中去除流体中残留的杂质，保证射流流体的质量。流量调节阀3通过法兰4与供水管路相连接，目的是在供水过程中调节单位时间的供水量，其与流量计8相互协调使用，实现供水射流流量的可操控性。在管路中段连有压力表6和流量计8，目的是在保证稳定供水的前提下实现多参数可控。供水部分I末端通过弯管接头12与供水轴13相连，从而将流体供至实验部分的配水模块(a)，用以提供射流任务。

供水部分I工作原理：

在实验开始前，检查管路连接是否完整顺畅，确保流量调节阀3完全打开，为实验平台射流供水做准备。当实验开始后，接通电源，使水泵1开始工作，产生抽吸作用。水池中的流体在水泵1抽吸作用下，由过滤吸水口11进入水泵1，并从出口排出。随后流体经由流量调节阀3、压力表6和流量计8，最终由供水轴13流入实验部分III的配水模块(a)，完成供水工作。在实验过程中，通过流量调节阀3开合的大小以及流量计8的示数来间接控制旋筒壁42射流孔的射流速度，此调节方式连续简洁、直观快速，便于操作；同时，通过压力表6对管路压力变化进行实时监控，能够保证整个实验过程处于适当的压力条件，并对管路中流场状态的研究起到了重要的作用。

结合图5和6，驱动部分II主要由调频电机18、弹性柱销联轴器17和变频器构成。调频电机18采用立式结构，通过螺栓将其端部的法兰结构与实验部分的装置腔体16相连，削弱了实验过程中由于电机轴高速旋转运动对实验平台整体造成的扰动，保证了实验流场的稳定性。通过弹性柱销联轴器17与扭矩信号耦合器15的输入端相连，进而将旋转运动传递出去。变频器与调频电机18相连，目的是通过变频器改变调频电机18的频率，进而改变调频电机18的转速，用以模拟各类流场的速度环境。

驱动部分II工作原理：

在实验过程中，调频电机18作为整个实验平台的动力源，为实验平台下方旋筒提供高速旋转动力。电源接通后，调频电机18主轴在变频器的控制下开始高速旋转，通过变频器调节调频电机18的转速，使之能够在实验所需转速下匀速稳定的运转，并由弹性柱销联轴器17等元器件带动下方旋筒随之以相同角速度共同旋转，用以产生一种恒定理想的外部流场环境，能够为实验测试原理提供充分的理论条件。

结合图2、3、4、5和6，实验部分III作为本实验平台较为核心的部分，其主要由配水模块(a)和测试模块(b)组成。配水模块(a)包括梅花型联轴器20、供水轴13、装置腔体16、装置底座14、配水空心轴26、密封防尘垫25、37、角接触球轴承29、40、配水密封腔30、O型橡胶密封圈23、31、轴承端盖27、密封圈22、24、35、36、密封压盖32、轴承下端盖38、螺栓21和螺钉28、33、34、39等。装置腔体16通过下端均布的若干螺栓21与装置底座14相固结，保证了平台整体的稳定性。装置腔体16上端部加工有通孔，用以安装调频电机18；其内部多处采用肋板结构，保证了其较好的刚度。装置腔体16侧面开有圆孔，使供水轴13能够经由此圆孔伸入至配水密封腔30，提供射流流体。配水密封腔30置于装置腔体16内部，其下端通过螺钉34与装置底座14相连，二者之间铺设有密封圈35，防止配水密封腔30中流体泄露。配水密封腔30左侧通过圆锥管螺纹连有供水轴13，目的是向配水密封腔30提供水源。配水密封腔30上端安装有轴承端盖27，之间同样铺设密封圈24，轴承端盖27内部嵌有密封防尘垫25，与配水空心轴26相配合，目的是在保证密封的前提下防止灰尘进入轴承，影响配水空心轴26的旋转。配水空心轴26上下两端均被安装于配水密封腔30上部及装置底座14内的角接触球轴承29、40限制，只能实现旋转运动，而不能进行轴向运动，保证了旋筒旋转的同轴性。配水空心轴30上下两端采用O型橡胶密封圈23、31压缩密封，进一步保证了配水密封圈30的密封特性。配水空心轴26沿周向加工有若干均布的渗水孔，目的是在配水空心轴26保持高速旋转的过程中，处于配水密封腔30内的流体能够在压力的作用下经由渗水孔流入配水空心轴26，进而流入旋筒内部，实现喷射功能。密封压盖32通过螺钉33与装置底座14相连接，内侧通过O型橡胶密封圈23与配水空心轴26配合，起到密封作用，下端压住角接触球轴承40外圈，起到对角接触球轴承40的限制作用。轴承下端盖38通过螺钉39与装置底座14相连，内嵌有密封防尘垫37，与配水空心轴26相配合，起到密封防尘作用。测试模块(b)主要由旋筒壁42、旋筒上盖44、旋筒下盖45、装置框架41和十字槽沉头螺钉43等构成。旋筒上盖44通过螺纹与配水空心轴26末端相连接，当旋筒高速旋转时，旋筒壁42将受到流体粘性摩擦阻力，此阻力将使旋筒沿螺纹旋紧方向施加，避免旋筒在旋转过程中意外脱落而产生安全隐患。旋筒上盖44和旋筒下盖45与旋筒壁42采用十字槽沉头螺钉43相连接，螺钉完全嵌入旋筒上盖44和旋筒下盖45，目的是避免在旋筒运动过程中引入其他影响因素。装置框架41上端通过螺栓与装置底座14固结，其自身为开放式结构，采用角钢焊接而成，作为整个实验平台的基座，在保证结构稳固的前提下，实现流场的开放性。

实验部分III工作原理：

通过调频电机18主轴旋转，经由弹性柱销联轴器17、扭矩信号耦合器15、梅花型联轴器20等将旋转运动传递至配水空心轴26。配水空心轴26在两端角接触球轴承29、40的限制下，绕其自身轴线做稳定转动。通过配水空心轴26下端的螺纹连接，旋转运动最终传递至下方的旋筒。当旋筒处于高速旋转过程中时，其表面将与水池内流体产生相对运动，由于流体具有粘性，则将在旋筒壁42上产生粘性摩擦阻力。由于将外界流场边界看做无穷远，则当旋筒高速旋转时，其周围流场呈稳定状态，避免出现压力突变等情况。当进行射流测试实验时，旋筒壁42喷射的流体通过水泵1提供，流体经由供水轴13传递至配水密封腔30。由于流体受到压力作用，将由配水空心轴26周向均布的渗水孔进入配水空心轴26并最终流至旋筒内部，由射流孔喷射而出，实现射流任务。读取并记录扭矩信号耦合器15的示数，作为实验数据。当进行对照实验，即光滑表面实验时，只需将旋筒取下，更换旋筒壁42为光滑筒壁，关闭水泵1电源，停止供水，重复上述操作，通过对比两次实验的阻力值大小，实现实验的对照工作。此外，此部分结构亦可以实现仿生非光滑表面减阻测试实验。水泵1停止工作，更换旋筒壁42为具有非光滑表面的筒壁，将其浸没于水池中旋转，由扭矩信号耦合器15获得数据，与光滑表面对照实验进行对比，完成非光滑表面减阻测试实验的目的。

结合图2和5，数据测量采集部分IV主要由扭矩信号耦合器15、信号耦合器底座19及其相关元器件组成。扭矩信号耦合器15固定于装置腔体16内的信号耦合器底座19端面上，通过螺栓连接，其上端与调频电机18通过弹性柱销联轴器17连接，下端通过梅花型联轴器20与配水空心轴26平键连接，确保工作过程安全可靠。

数据测量采集部分IV工作原理：

通过扭矩信号耦合器15采集实验过程中微弱的模拟信号，经由变送器转换、放大和滤波等处理，将传感器采集到的信号转换为能与数据采集模块连接的模拟信号，通过数据采集模块将模拟信号转变为能被计算机储存的数字信号，储存于计算机中。比对光滑表面和仿生非光滑（射流）表面所受粘性摩擦阻力数据值的大小，从而评估仿生非光滑（射流）表面的减阻效果。

Claims (5)

1.一种内旋立式仿生减阻测试实验平台，其特征是：包括水泵、水池、调频电机、扭矩信号耦合器、装置底座、装置框架、旋筒，水池里充有液体，装置框架安装在水池里，装置框架为非封闭结构，装置底座固定在装置框架上，装置框架上固定有配水密封腔和装置腔体，配水密封腔位于装置腔体里，调频电机固定在装置腔体上，扭矩信号耦合器通过信号耦合器底座安装在装置腔体内壁上，调频电机通过弹性柱销联轴器连接扭矩信号耦合器，配水密封腔里安装配水空心轴，配水空心轴上端通过梅花型联轴器连接扭矩信号耦合器，配水空心轴下端连接旋筒，旋筒设置在装置框架里，水泵通过第一水管连通水池，水泵通过第二水管连通配水密封腔。

2.根据权利要求1所述的一种内旋立式仿生减阻测试实验平台，其特征是：所述的配水空心轴为中空结构，配水空心轴位于配水密封腔里的部分设置渗水孔，来自第二水管的液体进入配水密封腔后通过渗水孔进入配水空心轴的中空结构，从而进入旋筒里。

3.根据权利要求1或2所述的一种内旋立式仿生减阻测试实验平台，其特征是：所述的旋筒包括旋筒上盖、旋筒下盖、旋筒壁，旋筒壁安装在旋筒上盖和旋筒下盖之间形成旋转体，旋筒壁上设置喷孔，配水空心轴与旋筒上盖相连并与旋转体相连通。

4.根据权利要求1或2所述的一种内旋立式仿生减阻测试实验平台，其特征是：配水密封腔上设置供水轴，供水轴与配水密封腔相连通，第二水管与供水轴相连通；配水空心轴通过第一角接触球轴承与配水密封腔上壁相连，配水空心轴通过第二角接触球轴承与装置底座相连，第一角接触球轴承上安装轴承上端盖实现配水空心轴与配水密封腔的密封，第一角接触球轴承下方安装O型橡胶密封圈实现第一角接触球轴承与配水密封腔的隔离，第二角接触球轴承下方安装轴承下端盖实现配水空心轴与装置底座的密封，第二角接触球轴承上方安装密封压盖实现第二角接触球轴承与配水密封腔之间的隔离；第二水管上安装有流量调节阀、压力表、流量计。

5.根据权利要求3所述的一种内旋立式仿生减阻测试实验平台，其特征是：配水密封腔上设置供水轴，供水轴与配水密封腔相连通，第二水管与供水轴相连通；配水空心轴通过第一角接触球轴承与配水密封腔上壁相连，配水空心轴通过第二角接触球轴承与装置底座相连，第一角接触球轴承上安装轴承上端盖实现配水空心轴与配水密封腔的密封，第一角接触球轴承下方安装O型橡胶密封圈实现第一角接触球轴承与配水密封腔的隔离，第二角接触球轴承下方安装轴承下端盖实现配水空心轴与装置底座的密封，第二角接触球轴承上方安装密封压盖实现第二角接触球轴承与配水密封腔之间的隔离；第二水管上安装有流量调节阀、压力表、流量计。

Images