CN105987803B - 测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置及方法。该装置包括收缩稳流管、用于承载待测试织构样品的载物台、测试区和至少用于调整所述装置内流体流速的水泵，所述收缩稳流管与用以提供流体的水箱连接，所述收缩稳流管与测试区密封连接，并沿流体流动方向依次分布，所述载物台可滑动的设于所述测试区内，并经顶杆与测力计连接。进一步的，该装置还可包括激光偏光源和高速摄像机，用于捕捉在测试区内流体对应于不同形貌织构样品的流动状态。本发明的测试装置结构简单、被测试样易制、测试简洁方便、精度高、稳定性和可靠性好，能够方便可靠的用于阻力测试分析和评估表面织构减阻技术和减阻效果。

Description

测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种流体阻力测试装置，具体涉及一种用于测量不同流速、不同表面形貌织构试样壁面的流体流动状态及摩擦阻力的装置及方法。

背景技术

在能源紧缺的今天，节能成为现在科研的当务之急，而且生产、生活中由于物体的运动导致的摩擦阻力消耗当量的能源，物体的摩擦阻力导致航行体航程的缩短，进而导致能源利用效率的大幅降低。根据理论推算，在动力和能源一定的情况下，假如将阻力减小10％，则巡航速度和航程可同时增加约3.57％。因此设计研究一个能够评估流体对不同表面的摩擦阻力的测试装置显得尤为重要，尤其在应用表面织构减阻技术的同时，可以对其减阻效果进行评估。因此，为了进行不同形貌织构阻力测试分析和流体状态的探究，设计一种能够评估流体对不同表面织构的摩擦阻力测量装置，对于节约能源、提高能源利用效率、改善和优化工作过程、提高船舶和水下航行器的航行速度和续航能力具有十分重要的战略和实际意义。

目前可应用于流、固界面之间摩擦阻力测试的实验装置主要有水洞、风洞、水池和水槽。利用此类装置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至关重要的作用。但是，该类装置普遍存在结构复杂、实验条件不易控制、占用空间大、造价昂贵等缺陷，虽然对于实用教学或非光滑表面研究比较适用，但无法广泛应用。以现有的水槽实验装置为例，其造价昂贵，且在测试时又受限于拖曳水池长度的影响。如何使测试装置简单、可靠，且能够评估不同表面织构减阻效果，为实际应用提供可靠依据，仍存在诸多问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置及方法，该装置结构简单、实验样件易制、测试方法简洁方便、精度高、稳定性和可靠性好，能够用于液体的远距离输送、船舶以及水下航行器在水中运动的阻力测试分析，以及评估流体对不同表面织构的减阻技术和减阻效果。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

一种测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，其包括收缩稳流管、用于承载待测试织构样品的载物台、测试区和至少用于调整所述装置内流体流速的水泵，所述收缩稳流管通过水管与用以提供流体的水箱连接，所述收缩稳流管与测试区密封连接，并沿流体流动方向依次分布，所述载物台可滑动的设于所述测试区内，并经顶杆与测力计连接

进一步的，所述装置还可包括防水膜，所述防水膜套设在所述顶杆上，并固定于所述测试区的后壁面，用以防止流体从顶杆与测试区壁面流出。

进一步的，所述载物台与所述测试区的底板之间留有间隙，用以减少载物台与测试区的接触面积，从而减少测试区与载物台的摩擦力。

进一步的，所述装置还可包括激光偏光源和高速摄像机，用于捕捉在测试区内流体对应于不同形貌织构样品的流动状态。

进一步的，所述装置还包括控制单元，所述控制单元与水泵、测力计、激光偏光源和高速摄像机中的部分或全部元件连接。

进一步的，所述水箱、收缩稳流管、测试区经水管密封连接，所述水管的流体输入端和流体输出端均与水箱连通，从而形成流体循环系统。

进一步的，所述测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置、水箱或水管还分别与支座、水箱支架或水管支架固定连接。

进一步的，所述载物台采用直板结构。

进一步的，所述水管包括两段以上依次连通的管道，其中相邻管道之间通过弯管结构或直管接头固定连接。

进一步的，所述的顶杆采用刚性杆状件，其一端与所述载物台固定连接，另一端直接与所述测力计连接。

进一步的，所述收缩稳流管或所述载物台采用3D打印构件。

进一步的，所述测试区的局部或整体采用透明结构。

一种测试不同形貌织构样品在流体中阻力的方法，包括：

提供所述测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，

将待测试织构样品固定在载物台上，通过水箱提供流体，使流体在所述装置内流动，并以水泵调节流体的流速，以及用测力计实时测量待测试织构样品在流体中的阻力，同时以激光偏光源和高速摄像机实时捕捉在测试区内流体对于待测试织构样品的流动状态，最终探知待测试织构样品的减阻机理。

进一步的，在测试过程中，所述激光偏光源和高速摄像机分别设置于测试区上方和侧面。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：该测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置结构简单、被测试样易制、测试方法简洁方便、精度高、稳定性和可靠性好，能够更方便可靠的用于阻力测试分析和评估表面织构减阻技术和减阻效果。

附图说明

图1为本发明一典型实施例中一种测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置的剖视图；

图2为本发明一测试区的局部主视图；

图3为本发明一测试区的局部俯视图；

图4为本发明一测试区的局部左视图；

图5为本发明一测试区的局部剖视图

图6为测试不同形貌织构和流速下试样的阻力和水流状态的原理图；

附图标记说明：1-水箱、2-水箱支架、3-密封接头、4-水管、5-排水口、6-收缩稳流管、7-测试区、8-载物台、9-防水膜、10-顶杆、11-测力计、12-水泵、13-水管支架、14-弯/直管接头、15-支座、16-螺栓、17-螺孔、18-试样。

具体实施方式

以下结合附图及典型实施案例对本发明的技术方案，包括本发明装置的结构、原理和工作过程作进一步的说明。

请参阅图1，作为本发明的一较为典型的实施例，其涉及的一种测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，即一种用于测量不同流速、不同表面织构试样壁面的流体流动状态及摩擦阻力测试装置包括水箱1、水箱支架2、密封接头3、水管4、排水口5、收缩稳流管6、测试区7、载物台8、防水膜9、顶杆10、试样18、测力计11、水泵12、水管支架13、弯/直管接头14、支座15等。

其中，水箱通过密封接头与水管的流体输入端口相连，而组成水管的各管路之间采用弯/直管接头连接，水箱、水管及整个测试装置分别用水箱支架、水管支架和支座进行固定。

其中，测试区可采用螺栓或螺钉等与收缩稳流管进行连接。

优选的，防水膜套在顶杆上并固定在测试区的后壁面，顶杆安放在载物台和测力计之间，

其中，通过调节水泵的输入电压来连续或分档调节液流例如水流的速度，通过测力计的示数来读取阻力的大小。其中，测力计可采用电子测力计。

其中，弯/直管接头与管路之间可采用胶进行粘结。

其中，收缩稳流管可采用3D打印进行打印，材质可以为聚乳酸。

其中，载物台可采用3D打印机进行打印，材质可以为聚乳酸。

其中，载物台，即，测试织构的载体优选为直板。

其中，测试区可以局部或整体为透明结构，例如为一个有机玻璃组装结构。

其中，载物台放置在测试区内，并能在测试区滑动。优选的，载物台与测试区的底板保持一定的间距。

优选的，在测试区采用激光偏光源和高速摄像机捕捉水流在不同的织构下的水的流动状态。

进一步的，防水膜采用无弹性材料。

优选的，可将水管的流体输入端和流体输出端均与水箱连通，从而构建循环水系统，如此，可以利用循环水保证实验区的压力稳定，同时节约水资源。

本实施例的该测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置的组装过程可以为：将水箱1固定在水箱支架2上，将密封接头3安装在水箱1上，并通过粘结剂使水管4连接，将支座15安装在水管的下面对水管进行固定，并将弯/直管接头14与水管4用粘结剂进行连接组成整个装置的骨架，以及将收缩稳流管6与测试区7采用螺栓进行连接。

显然的，还可在本实施例的该测试装置内设置一控制单元如PLC、计算机系统等，并将之与水泵、电子测力计、高速摄像机等连接，利于操作人员方便的对该测试装置进行操控或者实现自动化测试。

本实施例的该测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置的工作过程可以为：打开测试区7的上板，并置入载物台8，以及将顶杆10安放在防水膜9中来进行力的传导，通过调节水泵12的输入电压来调节流速大小，

其中，由于不同流速对织构会产生不同的摩擦力，相同流速对不同形貌织构样品会产生不同的摩擦力，而其中这摩擦力的大小会通过顶杆传送到测力计11上，从而可以得出不同形貌织构在不同流速下的阻力大小，同时，在测试区上表面加入激光偏光源，在测试区的侧面加入高速摄像机，将高速摄像机和电脑相连而对流体，例如水流的状态进行观察，得出不同形貌织构样品在不同流速下的流动状态，最后得出不同形貌织构、不同流速下试样阻力的大小和流体状态，从而得到流体的流动状态与阻力之间的关系。在实现结束后，打开排水口5的水阀进行排水即可。

本实施例的该测试装置结构简单、被测试样易制、测试简洁方便、精度高、稳定性和可靠性好，能够方便可靠的用于阻力测试分析和评估表面织构减阻技术和减阻效果。

应当理解，上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，其特征在于包括收缩稳流管（6）、用于承载待测试织构样品的载物台（8）、测试区（7）和用于调整所述装置内流体流速的水泵（12），所述收缩稳流管（6）通过水管（4）与用以提供流体的水箱（1）连接，所述收缩稳流管（6）与测试区（7）密封连接，并沿流体流动方向依次分布，所述载物台（8）可滑动的设于所述测试区（7）内，并经顶杆（10）与测力计（11）连接。

2.根据权利要求1所述的测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，其特征在于还包括防水膜（9），所述防水膜（9）套设在所述顶杆（10）上，并固定于所述测试区（7）的后壁面。

3.根据权利要求1所述的测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，其特征在于所述载物台（8）与所述测试区（7）的底板之间留有间隙。

4.根据权利要求1所述的测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，其特征在于还包括激光偏光源和高速摄像机，用于捕捉在测试区内流体对应于待测试织构样品的流动状态。

5.根据权利要求1所述的测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，其特征在于所述水箱（1）、收缩稳流管（6）、测试区（7）经水管（4）密封连接，所述水管（4）的流体输入端和流体输出端均与水箱（1）连通，从而形成流体循环系统。

6.根据权利要求1所述的测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，其特征在于还包括控制单元，所述控制单元与水泵（12）、测力计（11）、激光偏光源和高速摄像机中的部分或全部元件连接。

7.根据权利要求1所述的测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，其特征在于所述载物台（8）采用直板结构。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，其特征在于所述顶杆（10）采用刚性杆状件，其一端与所述载物台（8）固定连接，另一端直接与所述测力计（11）连接。

9.根据权利要求1所述的测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，其特征在于所述测试区（7）的局部或整体采用透明结构。

10.一种测试不同形貌织构样品在流体中阻力的方法，其特征在于包括：

提供权利要求1-9中任一项所述的测试不同形貌织构样品在流体中阻力的装置，

将待测试织构样品固定在载物台上，通过水箱提供流体，使流体在所述装置内流动，并以水泵调节流体的流速，以及用测力计实时测量待测试织构样品在流体中的阻力，同时以激光偏光源和高速摄像机实时捕捉在测试区内流体对于待测试织构样品的流动状态，最终探知待测试织构样品的减阻机理。