CN105387993A - 一种平板表面流体阻力性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板表面流体阻力性能测试装置，由水箱、变频泵、沉降室、扩压段、收缩段、工作段、扩散段顺次连通构成水循环系统；测试盒位于工作段的上方，下口与工作段的上管壁连通，测试盒内悬挂的水平测试平板底部与工作段上管壁内壁平齐成为流道的组成部分并位于工作段水流上方；压力传感器的压力触头沿水平方向与测试平板悬挂杆活动接触；压力传感器与测试盒外的可编程控制器电连接；能够准确测量平板表面织构化或者涂装减阻涂料后的减阻效果；通过对水循环系统的结构精确设计获得稳定的水流；通过测试平板悬挂剔除了管壁边框与水流的摩擦等干扰，测试方法简单易操作、测试准确。

Description

一种平板表面流体阻力性能测试装置

技术领域

本发明涉及一种测试装置，具体地说是平板表面经织构化或者涂装减阻涂料后在不同流速水流中的减阻效果的测试装置。

背景技术

船体表面的阻力主要分为摩擦阻力和压差阻力，而摩擦阻力又是其中最主要的组成部分，目前对于船舶减阻技术的研究也主要关注于减小摩擦阻力，这对于提高能源使用效率、减少温室气体排放、改善环境具有重要意义。船体表面织构化或者涂装减阻涂料都是有效的减阻技术，设计一个能快速、准确评价材料表面经织构化或者涂装减阻涂料处理后减阻效果的测试装置显得尤为重要。传统的水洞或水槽试验装置大都存在造价高、耗资大、体积大、实验条件难以控制等问题。

通过文献检索可知，与本发明相关的已有的一些小型流体力学测量装置有以下几种：第一种是旋转式的阻力测试装置，如专利公开号为CN103471806A，名称为“一种转筒式流体摩擦阻力测试仪”和专利公开号为CN103512844A，名称为“非光滑表面流体摩擦阻力测试装置及非光滑表面减阻效果评价方法”，都是将水流速度转化为旋转运动，但测试平板不是圆形会产生压差阻力，影响测试结果；第二种是拖拽式的阻力测量装置，如专利公开号为CN102288382A，名称为“一种拖拽式流体阻力测试装置”和专利公开号为CN103743541A，名称为“评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置及方法”，都是通过拖动平板来代替流体的流动，形成相对运动，这也不够直观；第三种是流道式阻力测量装置，如专利公开号为CN102023130B，名称为“一种流道式海洋生物附着力测试装置”，设计较复杂，水流的稳定性不够，且没有考虑流道边框与水流的摩擦对压差的影响，测试结果准确度不够高；还有一种是简化型平板阻力测量装置，如专利公开号为CN104634538，名称为“一种测量平板流动阻力的实验装置”，结构较简单，未充分考虑湍流的稳定性以及支撑与试验件的摩擦力问题，影响了测量精度。

另一方面，在前述的测试装置中，试样件都是放在流道的下部并被固定，然后测量水流通过样件前和通过后的压差，但这一段的管壁也会和水流产生摩擦，管壁产生的摩擦剔除不了，这样造成测量结果失真。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的上述缺陷，提供一款能够快速、准确地测量平板表面织构化或者涂装减阻涂料后的减阻效果的测试装置，该装置的试验水流流速均匀性好、湍流度低，测量结果精确可靠。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种平板表面流体阻力性能测试装置，其特征在于：由水箱、变频泵、沉降室、扩压段、收缩段、工作段、扩散段顺次连通构成水循环系统；沉降室、扩压段、收缩段、工作段、扩散段各段均为管道；测试盒位于工作段的上方，测试盒下口与工作段的上管壁连通，使得测试盒内悬挂的水平测试平板底部与工作段上管壁内壁平齐成为流道的组成部分并位于工作段水流上方；测试盒内还设置压力传感器，压力传感器的压力触头沿水平方向与测试平板的悬挂杆活动接触，使得测试平板在工作段水流摩擦力作用下向流动方向偏转移动的偏转位移量经悬挂杆的杠杆放大作用传递至压力传感器；压力传感器与测试盒外的可编程控制器电连接，用于对压力传感器的模拟电压值进行数据收集。

上述技术方案中，沉降室内部与水流方向垂直竖直设置多孔阻尼板；扩压段内与水流方垂直竖直设置整流网；在测试盒之前工作段管道内部设置流速计，对应的工作段管道外部设置压力表。

上述技术方案中，收缩段为进口大出口小且实现水流从圆渐变为方的Batchelor-Shaw收缩曲线，该收缩曲线R的方程为：

$R={\[(\frac{1}{R_2^4}-\frac{1}{R_1^4})(\frac{x}{L}-\frac{1}{2\mathrm{\π}}sin\mathrm{\θ}\frac{2\mathrm{\π}x}{L})+\frac{1}{R_1^4}\]}^{\frac{1}{4}},(0\≤x\≤L),$ 其中R₁和R₂为收缩段的进口半径和出口边长的1/2，x为Batchelor-Shaw收缩曲线段末端距离收缩段进口处的距离，L为收缩段的长度，单位均为mm；收缩段出口和入口的面积比为1:7～1:8，可使出口水流接近于势流，保持流速分布均匀。

上述技术方案中，测试盒内有密封装置、高度调节器，密封装置用于在测试平板悬挂好后将测试盒盖板密封，高度调节器为设置在测试盒盖板上的动力驱动机构，高度调节器底部通过铰链连接竖向悬挂杆，测试平板水平平行悬挂在悬挂杆底部且在高度调节器作用下位于水流上方并处于设定水平高度，该设定水平高度使得测试平板底部与工作段上管壁内壁平齐成为流道的组成部分。

上述技术方案中，测试盒底部与工作段上管壁密封连接，工作段上管壁与测试盒底部对应处设置通孔使得测试盒下口与工作段的上管壁连通。

上述技术方案中，平板表面流体阻力性能测试装置分别测试未处理前和经表面处理后的测试平板受水流摩擦时压力传感器输出的模拟电压值，得出相应的减阻率；未经处理的测试平板受水流摩擦后输出模拟电压值V_s，经处理后测试平板受水流摩擦后压力传感器的输出模拟电压值V_R；则表面处理后的减阻效果用减阻率η来表示，η＝100％×(V_S-V_R)/V_S；减阻率η越大说明表面处理的减阻效果越好。

上述技术方案中，两次测试前均需先把水箱加满水，再通过变频泵向整个系统中加水，当沉降室内充满液体后，流体以一定的速度流经扩压段使水压增大，再通过收缩段，进一步增大压力和流速，并在工作段形成流速均匀性好、湍流度低的试验水流；工作段形成流速均匀性好、湍流度低的试验水流之后，利用计算机对压力传感器的模拟电压值进行数据收集；同时，利用流速计、压力传感器、可编程控制器、变频泵组成控制系统实现一体化的控制，通过流量计测得的数据获得工作段内的流速，然后通过变频泵的转速调节整套装置的流速，所有的控制都由可编程控制器控制。可以实时显示整套装置的流速、压力和压差变化情况，并可以实现一定的自动控制，设计原理可靠，结构简单，易于搭建，操作容易，测试准确。

相对于传统测试装置和方法，本发明的测试件在处理前后的测试平板放置在水流上方可以自由活动，可以剔除管壁摩擦力的影响，这与传统试验相比是一重大突破；平板受到水流的摩擦之后，向水流动的方向偏转，该摩擦力经悬挂杆的杠杆作用放大后传递至压力传感器，计算机可实时记录反应摩擦力大小的模拟电压值，避免失真。其次，本发明专门设计了收缩段收缩曲线，使得收缩段实现水流从圆渐变为方，且收缩段出口和入口的面积严格控制，前半段收缩快，后半段变化较平缓，流场均匀性较好，湍流度较稳定，进出口附近不会发生流体分离，使管口出流接近于势流，其流速分布更均匀。

相对于传统测试装置和方法，本发明的益效果是，能够准确测量平板表面织构化或者涂装减阻涂料后的减阻效果；通过对水循环系统的精确设计，可提供流速均匀、湍流度低的试验水流，获得了稳定的水流；通过测试平板悬挂，剔除了工作段管壁与水流的摩擦等干扰。分别测试测试平板和经表面处理后的平板与水流的摩擦力，可得出相应的减阻率，获得平板表面经织构化处理或者涂装减阻涂料后的减阻效果，测试方法简单易操作；可以实时显示整套装置的流速、压力和压差变化情况，并可以实现一定的自动控制，设计原理可靠，结构简单，易于搭建，操作容易，测试准确。

附图说明

图1是根据本发明实施的平板表面流体阻力性能测试装置结构原理示意图。

图2是本发明的平板表面流体阻力性能测试装置中收缩段结构图(正视图)。

图3是图2的右视图。

图4是测试盒结构图。

附图1-4中，各附图标记如下：

1-水箱；2-变频泵；3-沉降室；4-阻尼板；5-扩压段；6-整流网；7-收缩段；7-1Batchelor-Shaw收缩曲线；7-2圆变方段；7-3方管段；8-工作段；9-流速计；10-压力表；11-测试盒；12-可编程控制器；13-扩散段；14-高度调节器；15-铰链；16-悬挂杆；17-测试平板；18-压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图1-4及实施例对本专利做更详细地描述。

根据本发明实施的评价平板表面流体阻力性能的测试装置，如图1-4所示，包括水箱1、变频泵2、沉降室3、扩压段5、收缩段7、工作段8、扩散段13，沉降室3、扩压段5、收缩段7、工作段8、扩散段13各段均为水平方向设置的管道，各段顺此连接构成一套完整的水循环系统。测试盒11位于工作段8的上方，测试盒11内有密封装置、高度调节器14、压力传感器18，密封装置用于将测试盒11盖板密封，高度调节器14为设置在盖板上的动力驱动机构，高度调节器14底部通过铰链15连接静止状态竖直悬挂的悬挂杆16，悬挂杆16底部用于悬挂光滑的测试平板17；测试盒内密封且下口与工作段8的上管壁连通，测试平板17水平平行设置且在高度调节器14作用下位于水流上方并处于设定水平高度，该设定水平高度使得测试平板17底部与工作段8水流管道上端内壁平齐，由此使得测试平板17作为流道的组成部分之一；本发明的测试件测试平板17放置在水流上方可以自由活动，可以剔除管壁与水流摩擦力的影响，这与传统试验相比是一重大突破；压力传感器18的压力触头沿水平方向与悬挂杆16上活动接触，使得测试平板17在摩擦力作用下向流动方向偏转移动的偏转位移量经悬挂杆16的杠杆放大作用传递至压力传感器18；压力传感器18与测试盒11盒体外的可编程控制器12电连接，用于对压力传感器的模拟电压值进行数据收集。

沉降室3为消除变频泵2带来的水涡流，降低流体的紊流强度，内部与水流方向垂直竖直设置多孔阻尼板4；扩压段5内与水流方垂直竖直设置整流网6；流体经扩压段5增速后，经过整流网6进行整流，减小湍流的强度。在测试盒11之前工作段8管道内部设置流速计9，对应的工作段8管道外部设置压力表10。

收缩段7是本发明水循环系统的重要部分，其结构如图2-3，包括顺次连接的Batchelor-Shaw收缩曲线段7-1、圆变方段7-2、方管段7-3；收缩段7内腔对流场均匀性、湍流度、水头损失都有很大的影响。选取Batchelor-Shaw曲线作为本发明收缩段7的收缩曲线，该收缩曲线的方程为：

$R={\[(\frac{1}{R_2^4}-\frac{1}{R_1^4})(\frac{x}{L}-\frac{1}{2\mathrm{\π}}sin\mathrm{\θ}\frac{2\mathrm{\π}x}{L})+\frac{1}{R_1^4}\]}^{\frac{1}{4}},(0\≤x\≤L),$ 其中R₁和R₂为收缩段7的进口半径和出口边长的1/2，x为曲线距收缩段进口处的距离，L为收缩段的长度，单位均为mm。由此使得收缩段7实现水流从圆渐变为方，且收缩段出口和入口的面积比优选用1:7.67，一般控制在1:7～1:8，前半段收缩快，后半段变化较平缓，流场均匀性较好，湍流度较稳定，进出口附近不会发生流体分离，使管口出流接近于势流，其流速分布更均匀。

由此，本发明分别测试测试平板17未处理前和经表面处理后的平板受水流摩擦时压力传感器输出的模拟电压值，可得出相应的减阻率，反映出减阻效果。

试验开始前需要向水箱1内注入水，直到水充满；测量时，通过变频泵驱动水流沿管道运动，形成完整的循环系统。先把水箱1加满水，再通过变频泵2向整个系统中加水，当沉降室3内充满液体后，流体以一定的速度流经扩压段5使水压增大，再通过经专门设计的收缩段7，进一步增大压力和流速，并在工作段8形成流速均匀性好、湍流度低的试验水流。测试平板17在摩擦力作用下，向流动方向偏转位移量经悬挂杆16的杠杆放大作用传递至压力传感器18，利用计算机对压力传感器的模拟电压值进行数据收集。同时，利用流速计9、压力传感器18、可编程控制器12、变频泵2等组成控制系统，实现一体化的控制，主要通过流量计测得的数据获得工作段内的流速，然后通过变频泵的转速调节整套装置的流速，所有的控制都由可编程控制器控制。

所述的准确测量平板表面织构化或者涂装减阻涂料后的减阻效果的具体步骤为：

1)准备工作，首先将一块需测试的光滑的测试平板17安装到测试盒11内平板悬挂杆16上，通过高度调节器14使测试平板水平平行且处于设定水平高度，该设定水平高度要求平板底部与水流管道内壁平齐，再把测试盒11进行盖板密封，检查密封圈的密封情况，检查好后开始向水箱1注水，直到水箱1充满。

2)开始测量时，打开变频泵2驱动水箱1内的水进入沉降室3，开始流动，此时流量计9、压力表10、压力传感器18开始测量，数据显示都集中到可编程控制器12，根据试验设定的值，通过调整变频泵2的转速来调整流速。待数值稳定后，记录此时测试平板17受水流摩擦后压力传感器18的输出模拟电压值V_s。

3)完成一组测量后，把测试平板17样品拆下，进行表面织构后处理或者涂装减阻涂料，处理合格后，把处理后的测试平板17再次安装到悬挂杆16上，重复上面的步骤1)和步骤2)，待流量计和压差传感器显示的数值稳定后，记录此时平板受水流摩擦后压力传感器18的输出模拟电压值V_R。

则表面处理后的减阻效果用减阻率η来表示，计算方法可以表示为

η＝100％×(V_S-V_R)/V_S

减阻率η越大，说明表面处理的减阻效果越好。

Claims (7)

1.一种平板表面流体阻力性能测试装置，其特征在于：由水箱、变频泵、沉降室、扩压段、收缩段、工作段、扩散段顺次连通构成水循环系统；沉降室、扩压段、收缩段、工作段、扩散段各段均为管道；测试盒位于工作段的上方，测试盒下口与工作段的上管壁连通，使得测试盒内悬挂的水平测试平板底部与工作段上管壁内壁平齐成为流道的组成部分并位于工作段水流上方；测试盒内还设置压力传感器，压力传感器的压力触头沿水平方向与测试平板的悬挂杆活动接触，使得测试平板在工作段水流摩擦力作用下向流动方向偏转移动的偏转位移量经悬挂杆的杠杆放大作用传递至压力传感器；压力传感器与测试盒外的可编程控制器电连接，用于对压力传感器的模拟电压值进行数据收集。

2.根据权利要求1所述的平板表面流体阻力性能测试装置，其特征在于：沉降室内部与水流方向垂直竖直设置多孔阻尼板；扩压段内与水流方垂直竖直设置整流网；在测试盒之前工作段管道内部设置流速计，对应的工作段管道外部设置压力表。

3.根据权利要求1所述的平板表面流体阻力性能测试装置，其特征在于：收缩段为进口大出口小且实现水流从圆渐变为方的Batchelor-Shaw收缩曲线，该收缩曲线R的方程为：

$R={\[(\frac{1}{R_2^4}-\frac{1}{R_1^4})(\frac{x}{L}-\frac{1}{2\mathrm{\π}}sin\mathrm{\θ}\frac{2\mathrm{\π}x}{L})+\frac{1}{R_1^4}\]}^{-\frac{1}{4}},(0\≤x\≤L),$ 其中R₁和R₂为收缩段的进口半径和出口边长的1/2，x为Batchelor-Shaw收缩曲线段末端距离收缩段进口处的距离，L为收缩段的长度，单位均为mm；收缩段出口和入口的面积比为1:7～1:8，可使出口水流接近于势流，保持流速分布均匀。

4.根据权利要求1所述的平板表面流体阻力性能测试装置，其特征在于：测试盒内有密封装置、高度调节器，密封装置用于在测试平板悬挂好后将测试盒盖板密封，高度调节器为设置在测试盒盖板上的动力驱动机构，高度调节器底部通过铰链连接竖向悬挂杆，测试平板水平平行悬挂在悬挂杆底部且在高度调节器作用下位于水流上方并处于设定水平高度，该设定水平高度使得测试平板底部与工作段上管壁内壁平齐成为流道的组成部分。

5.根据权利要求1所述的平板表面流体阻力性能测试装置，其特征在于：测试盒底部与工作段上管壁密封连接，工作段上管壁与测试盒底部对应处设置通孔使得测试盒下口与工作段的上管壁连通。

6.根据权利要求1所述的平板表面流体阻力性能测试装置，其特征在于：平板表面流体阻力性能测试装置分别测试未处理前和经表面处理后的测试平板受水流摩擦时压力传感器输出的模拟电压值，得出相应的减阻率；未经处理的测试平板受水流摩擦后输出模拟电压值V_s，经处理后测试平板受水流摩擦后压力传感器的输出模拟电压值V_R；则表面处理后的减阻效果用减阻率η来表示，η＝100％×(V_S-V_R)/V_S；减阻率η越大说明表面处理的减阻效果越好。

7.根据权利要求6所述的平板表面流体阻力性能测试装置，其特征在于：两次测试前均需先把水箱加满水，再通过变频泵向整个系统中加水，当沉降室内充满液体后，流体以一定的速度流经扩压段使水压增大，再通过收缩段，进一步增大压力和流速，并在工作段形成流速均匀性好、湍流度低的试验水流；工作段形成流速均匀性好、湍流度低的试验水流之后，利用计算机对压力传感器的模拟电压值进行数据收集；同时，利用流速计、压力传感器、可编程控制器、变频泵组成控制系统实现一体化的控制，通过流量计测得的数据获得工作段内的流速，然后通过变频泵的转速调节整套装置的流速，所有的控制都由可编程控制器控制。