CN105157951B - 一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置，包括实验本体、用于提供动力的离心泵和用于储存流体的水池，实验本体的流体流入口与离心泵的出水口管道连通，实验本体的流体流出口通过管道引入水池内，离心泵的进水口与水池管道连通，实验本体包括流道底座、用于模拟流道的壳体、阻力调控组件和控制器，阻力调控组件安装在壳体内部，阻力调控组件与控制器相应的端口连接。本发明的有益效果是：实验用的流体可以循环使用，节能环保；装置结构简单、花费低、样件拆装方便、实验性能强并且不受周围试验环境限制等众多优点，能够充分满足试验过程中各项试验要求。

Description

一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置

技术领域

本发明涉及一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置。

背景技术

仿生非光滑表面减阻技术一直是国内外研究的热点问题之一。其减阻效果明显，而且不会给器械带来额外能量消耗，也不会占用空间，绿色环保。因此，使用实验的方法对仿生非光滑表面技术行定量的研究就显得比较重要。

在传统的流体力学的研究中，大多数采用水洞，风洞，水池等实验设备，采用上述实验技术手段不仅占地面积大，体积庞大，而且需要耗费大量的费用，从而在诸多方面都将受到一定的局限和制约。若采用水池中进行实验时，首先，水池长度有限，不能满足无限长的要求，而且速度参数只能在较小的范围内调节，仅能模拟低流速运动状态下的阻力测试要求，难以模拟船舶在高速航行时的环境。此外，上述装置无法实现斜向非光滑表面的阻力测试。

因此，研发设计一台造价低廉、性能稳定，还能进行旋转操作的小型阻力测试装置对于仿生表面课题的研究具有积极意义。

发明内容

本发明针对目前的流体阻力测试装置无法调控阻力、体积庞大的问题，提出了一种能调控阻力、结构简单成本低的旋转式非光滑表面减阻测量实验装置。

本发明所述的一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置，包括实验本体、用于提供动力的离心泵和用于储存流体的水池，所述的实验本体的流体流入口与所述的离心泵的出水口管道连通，所述的实验本体的流体流出口通过管道引入所述的水池内，所述的离心泵的进水口与所述的水池管道连通，其特征在于：所述的实验本体包括流道底座、用于模拟流道的壳体、阻力调控组件和控制器，所述的阻力调控组件安装在所述的壳体内部，所述的阻力调控组件与所述的控制器相应的端口连接；

所述的壳体包括位于前部的流道扩散段、位于中部的流道实验段和位于尾部的流道收缩段，所述的流道扩散段的前端减缩形成与所述的离心泵的出水口管道连通的流体流入口，所述的流道收缩段的末端减缩形成的流体流出口通过管路引至所述的水池中；所述的流道实验段的上板、底板分别设有同轴的安装通孔，并且所述的流道实验段的上板的安装配有端盖；

所述的阻力调控组件包括实验样件、转盘、测量轴、流速测量仪和应变片，所述的实验样件的上端面为调节阻力的非光滑表面，所述的实验样件嵌入所述的流道实验段的底板的安装通孔后与转盘固接，并保证所述的实验样件与所述的流道实验段之间密封；所述的转盘的外圈设有刻度，所述的转盘与所述的流道实验段底板固接的指针配合实现转盘旋转角度的调控；所述的测量轴的下端抵在所述的流道底座上，所述的测量轴的上端穿过转盘中心孔与所述的实验样件底部带轴承端盖的轴承配合；所述的应变片设置在测量轴顶部与轴承之间的位置，并且所述的应变片、所述的流速测量仪的控制端分别与所述的控制器相应的端口电连。

所述的流体流入口截面、流体流出口的截面均为圆形，而中间的流体实验段截面为矩形。

所述的流道实验段设有用于安装所述的阻力调控组件的安装孔，并且所述的流道实验段的上板的安装孔配有端盖。

所述的底板的安装通孔为台阶孔，并且下部分的台阶外直径小于上部分的台阶外直径，所述的实验样件的侧壁与安装孔匹配。

所述的实验样件的上端面为均布若干V形沟槽的非光滑表面、均布若干矩形沟槽的非光滑表面或者大变形曲面。

所述的实验样件的上端面为圆盘形、圆弧形或仿生曲面。

所述的流道实验段与实验样件之间的密封采用防止流体泄漏的磁流体密封。

所述的轴承端盖卡在实验样件底部设置的凹槽内，并且保持轴承端盖与轴承同轴。

所述的流道实验段的远离指针的一侧设有用于卡住转盘的定位栓。

所述的端盖通过四个螺栓固定在所述的流道实验段的上板上，并且所述的端盖与所述的上板之间夹有密封垫片。

本发明的工作原理：整个装置流体动力由离心泵提供，流体存放的装置为水池。在装配完整个装置后，松开定位栓，使转盘处于可以自由转动的状态，并转动到需要测量的角度，再拧紧定位栓，这样转盘不会转动。开始实验后，流体被离心泵从水池中抽出，流以管道后。流体从流道扩散段的流体流入口流入，流经流道实验段，再从流道收缩段流出，最后流回到水池，完成一个循环。由于本实验台的是封闭的，因此流体可以重复利用。

读取流速测量仪可以控制在实验段内部流速。当流体流经实验样件的表面，由于流体的黏性会产生摩擦阻力，该力会作用在实验样件上和应变片上时。应变片会出形变。应变片上的数据通过连接的控制器进行收集、存储与分析，从而可以得出具体的减阻效果。本装置操作简便，克服了大型装置操作繁琐的缺点。

本发明装置的有益效果是：装置为一个封闭的实验台，实验用的流体可以循环使用，节能环保。装置结构简单、花费低、样件拆装方便、实验性能强并且不受周围试验环境限制等众多优点，能够充分满足试验过程中各项试验要求。该减阻测试装置为仿生非光滑表面摩擦阻力系数测试技术的试验研究提供了一种新型并具有一定可行性的测试试验台。

附图说明

图1为本发明的非光滑表面减阻测量实验的三维剖视图。

图2为本发明的非光滑表面减阻测量实验不同角度的轴测图

图3为本发明的非光滑表面减阻测量实验旋转装置的装配图

图4为本发明的非光滑表面减阻测量实验磁流体密封的局部放大图

图5为本发明的非光滑表面减阻测量实验密封部位的局部放大图

图6为本发明的测试装置结构简图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置，包括实验本体、用于提供动力的离心泵和用于储存流体的水池21，所述的实验本体的流体流入口与所述的离心泵19的出水口管道连通，所述的实验本体的流体流出口通过管道引入所述的水池21内，所述的离心泵19的进水口与所述的水池21管道连通，所述的实验本体包括流道底座1、用于模拟流道的壳体、阻力调控组件和控制器，所述的阻力调控组件安装在所述的壳体内部，所述的阻力调控组件与所述的控制器相应的端口连接；

所述的壳体包括位于前部的流道扩散段2、位于中部的流道实验段5和位于尾部的流道收缩段6，所述的流道扩散段2的前端减缩形成与所述的离心泵19的出水口管道连通的流体流入口，所述的流道收缩段6的末端减缩形成的流体流出口通过管路引至所述的水池21中；所述的流道实验段5的上板、底板分别设有同轴的安装通孔，并且所述的流道实验段5的上板的安装通孔配有端盖4；

所述的阻力调控组件包括实验样件3、转盘9、测量轴13、流速测量仪7和应变片20，所述的实验样件3的上端面为调节阻力的非光滑表面，所述的实验样件3嵌入所述的流道实验段5的底板的安装通孔后与转盘9固接，并保证所述的实验样件3与所述的流道实验段5之间密封；所述的转盘9的外圈设有刻度，所述的转盘9与所述的流道实验段5底板固接的指针8配合实现转盘9旋转角度的调控；所述的测量轴13的下端抵在所述的流道底座1上，所述的测量轴13的上端穿过转盘9中心孔与所述的实验样件3底部带轴承端盖12的轴承11配合；所述的应变片20设置在测量轴13顶部与轴承11之间的位置，并且所述的应变片20、所述的流速测量仪7的控制端分别与所述的控制器相应的端口电连。

所述的流体流入口截面、流体流出口的截面均为圆形，而中间的流体实验段5截面为矩形。

所述的底板的安装通孔为台阶孔，并且下部分的台阶外直径小于上部分的台阶外直径，所述的实验样件3的侧壁与安装孔匹配。

所述的实验样件3的上端面为均布若干V形沟槽的非光滑表面、均布若干矩形沟槽的非光滑表面或者大变形曲面。

所述的实验样件3的上端面为圆盘形、圆弧形或仿生曲面。

所述的流道实验段5与实验样件3之间的密封采用防止流体泄漏的磁流体密封16。

所述的轴承端盖12卡在实验样件3底部设置的凹槽内，并且保持轴承端盖12与轴承11同轴。

所述的流道实验段5的远离指针8的一侧设有用于卡住转盘的定位栓10。

所述的端盖4通过四个螺栓18固定在所述的流道实验段5的上板上，并且所述的端盖4与所述的上板之间夹有密封垫片17。

本发明的工作原理：整个装置流体动力由离心泵19提供，流体存放的装置为水池21。在装配完整个装置后，松开定位栓10，使转盘9处于可以自由转动的状态，并转动到需要测量的角度，再拧紧定位栓，这样转盘9不会转动。开始实验后，流体被离心泵19从水池21中抽出，流以管道后。流体从流道扩散段2的流体流入口流入，流经流道实验段5，再从流道收缩段6流出，最后流回到水池21，完成一个循环。由于本实验台的是封闭的，因此流体可以重复利用。

读取流速测量仪7可以控制在实验段内部流速。当流体流经实验样件的表面，由于流体的黏性会产生摩擦阻力，该力会作用在实验样件上和应变片上时。应变片会出形变。应变片上的数据通过连接的控制器进行收集、存储与分析，从而可以得出具体的减阻效果。本装置操作简便，克服了大型装置操作繁琐的缺点。

流道实验段5上板的安装通孔用处是通过这个孔，将实验样件3安放到下表面上去。这样有助于方便地零件的拆装。在实验时，端盖4将实验段上板的安装通孔关闭，并使用螺钉18进行紧固，两者之间通过垫片17进行密封，如图5所示。流道底板也有一个安装通孔，孔的直径比上表面的孔的直径要小一些。实验样件3被安放在该阶梯孔上，为了防止流道出现泄漏，在实验样件3与流道之间安放磁流体密封16，如图4所示。流道实验段5的一侧安放一个流速测量仪7。

如图3所示，实验样件3是一个阶梯形的圆盘，上表面圆的半径比下表面大，这样可以安放在阶梯轴上。在实验样件的上表面上，加工出非光滑表面，如V形沟槽、矩形沟槽或者大变形曲面。此外，实验样件的外形可以做成圆盘形，圆弧形，也可也是仿生的曲面。

实验样件3的下表面加工四个螺纹孔，目的是为了装配一个转盘9。转盘9通过螺钉15与实验样件3固连。随着转盘9的转动自然能够带动实验样件3的旋转。转盘9的外侧有一圈刻度，刻度与流道实验段5上一侧的指针8配合，就能够精确地控制角度，实现了测量斜向沟槽的功能。只需要一个实验样件就能测量完成整个实验，避免了材料的浪费，减少了经费的支出。

实验样件3的底部中心开一个孔，用于放置轴承11，再加工一圈凹槽用于放置轴承端盖12。测试轴13一端被固定在底座14的一端，另一端安放在轴承的一端。应变片20则安装在测量轴的一端，具体为来流方向的一端，并处于测量轴13与轴承11之间的位置。应变片20与计算机收集、存储设备相连。

为了防止旋转装置出现振动等问题，在流道实验段5的另一侧加入一个螺栓10，如图2所示。它的原理是，当转盘9需要旋转时，螺栓10是松开的。当需要进行实验时，拧紧螺栓10，使螺栓的头部顶住转盘9。这样就可以减小整个旋转装置的振动。这有利于提高实验精度。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置，包括实验本体、用于提供动力的离心泵和用于储存流体的水池，所述的实验本体的流体流入口与所述的离心泵的出水口管道连通，所述的实验本体的流体流出口通过管道引入所述的水池内，所述的离心泵的进水口与水池管道连通，其特征在于：所述的实验本体包括流道底座、用于模拟流道的壳体、阻力调控组件和控制器，所述的阻力调控组件安装在所述的壳体内部，所述的阻力调控组件与所述的控制器相应的端口连接；

所述的壳体包括位于前部的流道扩散段、位于中部的流道实验段和位于尾部的流道收缩段，所述的流道扩散段的前端减缩形成与所述的离心泵的出水口管道连通的流体流入口，所述的流道收缩段的末端减缩形成的流体流出口通过管路引至所述的水池中；所述的流道实验段的上板、底板分别设有同轴的安装通孔，并且所述的流道实验段的上板安装端盖；所述的流道实验段的远离指针的一侧设有用于卡住转盘的定位栓；

所述的阻力调控组件包括实验样件、转盘、测量轴、流速测量仪和应变片，所述的实验样件的上端面为调节阻力的非光滑表面，所述的实验样件嵌入所述的流道实验段的底板的安装通孔后与转盘固接，并保证所述的实验样件与所述的流道实验段之间密封；所述的转盘的外圈设有刻度，所述的转盘与所述的流道实验段底板固接的指针配合实现转盘旋转角度的调控；所述的测量轴的下端抵在所述的流道底座上，所述的测量轴的上端穿过转盘中心孔与所述的实验样件底部带轴承端盖的轴承配合；所述的应变片设置在测量轴顶部与轴承之间的位置，并且所述的应变片、所述的流速测量仪的控制端分别与所述的控制器相应的端口电连。

2.如权利要求1所述的一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置，其特征在于：所述的流体流入口截面、流体流出口的截面均为圆形，而中间的流道实验段截面为矩形。

3.如权利要求2所述的一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置，其特征在于：所述的底板的安装通孔为台阶孔，并且下部分的台阶外直径小于上部分的台阶外直径，所述的实验样件的侧壁与安装孔匹配。

4.如权利要求3所述的一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置，其特征在于：所述的实验样件的上端面为均布若干V形沟槽的非光滑表面、均布若干矩形沟槽的非光滑表面或者大变形曲面。

5.如权利要求4所述的一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置，其特征在于：所述的实验样件的上端面为圆盘形、圆弧形或仿生曲面。

6.如权利要求2所述的一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置，其特征在于：所述的流道实验段与实验样件之间的密封采用防止流体泄漏的磁流体密封。

7.如权利要求6所述的一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置，其特征在于：所述的轴承端盖卡在实验样件底部设置的凹槽内，并且保持轴承端盖与轴承同轴。

8.如权利要求2所述的一种旋转式非光滑表面减阻测量实验装置，其特征在于：所述的端盖通过四个螺栓固定在所述的流道实验段的上板上，并且所述的端盖与所述的上板之间夹有密封垫片。