CN106017767A - 一种可调式波动壁面阻力测试装置 - Google Patents

Abstract

一种可调式波动壁面阻力测试装置，包括支撑台、过滤器、风机、安装在所述的支撑台的测试管件、水平布置的IPMC变形波动表面和调控机构，所述的过滤器安装在风机的进风口处，所述的风机的出风口与所述的测试管件进风口密封连通；所述的波动表面安装在所述的测试管件的测试腔内；所述的调控机构的正负极分别通过导线与所述的IPMC变形波动表面的上下表面电连，实现对IPMC变形波动表面沿厚度方向加压。本发明的有益效果是：可以测试不同波动形式表面的减阻效果，只需通过IPMC驱动器改变输入测试表面两侧的电压信号就可以实现，过程简单，操作容易、节约时间、降低使用成本。

Description

一种可调式波动壁面阻力测试装置

技术领域

本发明涉及一种可调式波动壁面阻力测试装置。

背景技术

目前，国内外专家学者对于仿生非光滑表面的减阻效果进行了深入的研究，通过理论分析、数值模拟、模型试验等手段对于诸如“鲨鱼”、“海豚”、“蚯蚓”、“蜣螂”等生物体非光滑的表面结构的研究，得出了非光滑表面的减阻机理。这种非光滑表面具有神奇的微纳结构特性，使之表现出优异的减阻能力。虽然对于仿生非光滑表面的减阻研究取得了一定的成果，且部分成果也已应用到工程实际当中，但是对于波动表面的减阻效果的研究却仍然存在一些问题。目前对于波动表面减阻效果的研究多采用数值模拟和模型试验相结合的方法。由于数值模拟具有结果可视化，成本低廉，只需在计算机上进行模拟和数据处理，不占用试验场地等优点因此被广泛地应用。然而数值模拟多为辅助手段，是对试验结果的补充和进一步完善，数值模拟时要对边界条件和材料属性进行简化，而且结构离散化的形式不同，得到的结果和精度也不同，随机性比较大，可信度较低。由于波动表面的特殊性，仅仅通过数值模拟很难得到准确的结果，并且数值模拟结果的正确性最终还是要通过试验的方法加以验证。所以，要对波动表面的减阻效果进行研究需要借助模型试验进行论证。

发明内容

为了解决目前采用数值模拟方式评估波动表面的减阻效果而导致结果准确性不高，以及数值模拟结果的正确性需要通过试验的方法加以验证的问题，本发明提出了一种可对多种不同波动形式表面的减阻效果进行测试的可调式波动壁面阻力测试装置，只需通过控制器改变施加的电压信号即可调节波动壁面的形式，操作方便易于实现。

本发明所述的一种可调式波动壁面阻力测试装置，其特征在于：包括支撑台、过滤器、风机、安装在所述的支撑台的测试管件、水平布置的IPMC变形波动表面和调控机构，所述的过滤器安装在风机的进风口处，所述的风机的出风口与所述的测试管件进风口密封连通；所述的波动表面安装在所述的测试管件的测试腔内；所述的调控机构的正负极分别通过导线与所述的IPMC变形波动表面的上下表面电连，实现对IPMC变形波动表面沿厚度方向加压；

所述的IPMC变形波动表面由若干矩形单元首尾顺次相连成带状表面，所述的IPMC变形波动表面的前端与测试管件的测试腔内壁固接，后端与测试腔内壁滑动连接；

所述的调控机构包括用于调节加载在IPMC变形波动表面压力的IPMC驱动器、用于感应IPMC变形波动表面应力变化的柔性热膜应力传感器以及带显示屏的传感器终端，所述的IPMC驱动器的正负极分别与所述的IPMC变形波动表面的上下表面电连，每块矩形单元上表面对应贴附一个柔性热膜应力传感器，所述的柔性热膜应力传感器的信号输出端与所述的传感器终端的信号输入端电连。

所述的测试管件包括弯管段、直管段、扩散管段、测试管段、收缩管段以及出口管段，所述的弯管段的进风口与所述的风机的出风口连通，所述的弯管段、直管段、扩散管段、测试管段、收缩管段以及出口管段依次首尾密封连通形成带测试腔的风道，所述的直管段顶部开设用于卡入热球风速仪的测速孔，并且热球风速仪的测试端穿过所述的测速孔伸入直管段中央；所述的测试管段水平装在所述的支撑台上。

所述的弯管段为90°弯管。

所述的IPMC变形波动表面通过前固定装置和后固定装置安装在测试管件的测试腔内，所述的前固定装置包括第一薄钢片、第二薄钢片、用于紧固的沉头螺栓和与沉头螺栓螺接的螺母，所述的第一薄钢片与所述的第二薄钢片通过沉头螺栓夹在所述的IPMC变形波动表面的前端，并且第二薄钢片外端卡入测试管段内侧壁的水平定位槽内；所述的后固定装置包括第三薄钢片、第四薄钢片、第一滚轮以及与第一滚轮滑动配合的滑道，所述的第三薄钢片与所述的第四薄钢片通过沉头螺栓夹在所述的IPMC变形波动表面的后端，所述的第一滚轮通过沉头螺栓装在所述的第三薄钢片、第四薄钢片的端部；所述的滑道安装在所述的测试管段内侧壁上，并与定位槽等高，实现IPMC变形波动表面的水平布置。

所述的IPMC变形波动表面与测试管段顶板之间配有承重装置，所述的承重装置包括若干承重组件，除了前后两端的矩形单元之外剩余的矩形单元各对应一个承重组件，所述的承重组件包括位于矩形单元底部的刚性细管、吊绳以及承重滚轮，所述的吊绳穿过刚性细管后挂在承重滚轮上，所述的承重滚轮与设置在测试管段顶板上的顶部滑槽滑动配合。

所述的IPMC变形波动表面的前端配有竖直挡风板，所述的竖直挡风板的顶部压紧第二薄钢片，所述的竖直挡风板的侧边卡入测试管段内侧壁的竖直槽中，所述的竖直挡风板的顶部边缘介于所述的IPMC变形波动表面的上下表面之间；所述的竖直挡风板底部向外翻折形成用于装在测试管段的水平安装部，所述的水平安装部通过第二螺栓、第二螺母与所述的测试管段固接，并且所述的水平安装部与所述的测试管段之间夹有垫板。

相邻的矩形单元之间通过环氧乙酯相互粘连。

所述的风机为变频调速风机。

本发明的目的是这样实现的：过滤器连接风机，风机连接90°弯头，之后连接一段直管段，直管段通过扩散管段与测试管段相连，测试管段通过收缩管段与出口管段相连组成管道系统。直管段中设有热球风速仪用来测试通过管段中风速的大小。试验所用风机采用变频调速风机，可以用来调节流经管道的风速，使试验在适当的风速下进行。为了使试验结果更加准确，在测试管段中放置挡风板，挡风板使空气流经测试管段之时，只与测试表面的上表面接触，防止与测试表面上下表面同时接触，使试验结果不准确。

本发明的测试表面不同于其它波动表面，本测试表面是可调式波动表面，即测试表面是可调的，不需要更换测试表面，通过调节装置即可使测试表面形成不同形式的波动表面，省去了更换不同测试表面的麻烦，同时可以节约时间，降低使用成本，操作简单、方便。测试表面引入了新兴IPMC材料，一系列由IPMC材料制成的矩形单元之间通过粘接形成了测试表面。测试表面通过固定装置及承重装置置于测试管段之中。测试表面的波动通过一系列矩形单元的变形来实现：在对IPMC材料厚度方向施加电压时，IPMC材料即发生变形，一系列矩形单元按照一定的规律变形即可形成波动表面。每个矩形单元的变形可以单独控制，因此，通过一系列矩形单元不同变形情况的组合可相应的得到不同形式的波动表面。由于矩形单元在发生变形时，沿着空气流动方向，测试表面的长度也将相应发生变化，为了测试表面在测试过程中不会因为长度变化发生断裂或扭曲，测试表面在测试管段的入口段和测试管段的出口段采用不同的固定方式进行固定：在测试管段入口处，测试表面通过薄钢片、螺栓螺母以及壁面上的槽道固定。测试表面被两片薄钢片压紧用螺栓和螺母连接在一起，将下侧的薄钢片插入测试管段侧壁的槽中；在测试管段出口处，测试表面通过薄钢片、螺栓和螺母以及滚轮和滑道固定，滑道通过螺钉固定于测试管段侧壁，测试表面被两片薄钢片压紧，用螺栓和螺母将它们以及滚轮连接在一起，滚轮则通过滑道的一端开口处装入滑道内。通过这种固定方式，测试表面在垂直于流向的方向上不会发生移动，而在沿着流向的方向上可以移动，这样便可避免测试表面在长度变化时，沿着流向发生移动而断裂或扭曲。由于测试表面的自重不能忽略，因此必须通过承重装置来承受测试表面的重量。承重装置由滑道和滚轮组成：在测试管段的顶部壁面开设滑道，将滚轮通过滑道一端的开口装入滑道，使滚轮只能沿着流向滚动，用细线穿过刚性细管绕过测试表面下侧，然后将细线的两端系于滚轮上，刚性细管位于测试表面下侧，避免测试表面因受到细线的拉力而沿着垂直于流向的方向弯曲。柔性热膜应力传感器置于测试表面上，用来采集测试表面的应力值，当空气通过管道系统流经测试表面，位于测试表面上的柔性热膜应力传感器便会感应出测试表面的应力大小，并将得到的结果反馈给传感器终端。

本测试装置进行的试验为对照试验，首先进行的是测试表面未发生波动之前的试验，通过该试验可以得到测试表面的应力值。其次进行的则是波动表面的试验，通过IPMC驱动装置，调节施加在矩形单元两侧的电压值即可得到波动表面，在此试验条件下所得到的应力大小，即为波动表面的应力值。将得到的应力值与没有发生波动情况下测试表面的应力值相比较，即可得到波动表面的减阻效果。并且，当一种形式的波动表面测试完成之后，通过IPMC驱动装置，改变施加在矩形单元两侧的电压信号，即可得到不同的波动表面，同时可以得到不同波动表面的应力大小，最终可以得到不同波动表面的减阻效果。

本发明的有益效果是：与传统的波动表面想比，本发明的测试表面为可调式波动表面，测试表面引入了新型的IPMC材料。IPMC(Ion-exchange Polymer Metal Composite)作为人工肌肉中的一种智能材料，具有驱动电压低、响应速度快、质量轻便、柔韧性好等优点。IPMC材料在较低的电压下可以产生较大的位移变形，当对由IPMC材料组成的矩形单元厚度方向施加电压时，矩形单元可产生较大的变形，使用IPMC驱动器改变施加在矩形单元两侧的电压信号即可得到不同形式的波动表面，而传统的测试装置则是通过更换不同的波动表面进行测试。因为波动表面加工制造难度、试验成本以及更换波动表面费时、麻烦等方面的原因，与其他测试波动表面减阻效果的测试装置相比，本测试装置可以测试不同波动形式表面的减阻效果，只需通过IPMC驱动器改变输入测试表面两侧的电压信号就可以实现，过程简单，操作容易、节约时间、降低使用成本。

附图说明

图1本发明的结构图；

图2本发明的试验管道结构图；

图3本发明的俯视图；

图4本发明的测试表面前固定装置结构图；

图5本发明的测试表面后固定装置结构图；

图6本发明的承重装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

本发明所述的一种可调式波动壁面阻力测试装置，包括支撑台1、过滤器2、风机3、安装在所述的支撑台1的测试管件4、水平布置的IPMC变形波动表面5和调控机构6，所述的过滤器2安装在风机3的进风口处，所述的风机3的出风口与所述的测试管件4进风口密封连通；所述的波动表面5安装在所述的测试管件4的测试腔内；所述的调控机构6的正负极分别通过导线与所述的IPMC变形波动表面5的上下表面电连，实现对IPMC变形波动表面5沿厚度方向加压；

所述的IPMC变形波动表面5由若干矩形单元51首尾顺次相连成带状表面，所述的IPMC变形波动表面5的前端与测试管件4的测试腔内壁固接，后端与测试腔内壁滑动连接；

所述的调控机构6包括用于调节加载在IPMC变形波动表面的压力的IPMC驱动器61、用于感应IPMC变形波动表面应力变化的柔性热膜应力传感器62以及带显示屏的传感器终端63，所述的IPMC驱动器的正负极分别与所述的IPMC变形波动表面5的上下表面电连，每块矩形单元51上表面对应贴附一个柔性热膜应力传感器62，所述的柔性热膜应力传感器62的信号输出端与所述的传感器终端63的信号输入端电连。

所述的测试管件4包括弯管段41、直管段42、扩散管段43、测试管段44、收缩管段45以及出口管段46，所述的弯管段41的进风口与所述的风机3的出风口连通，所述的弯管段41、直管段42、扩散管段43、测试管段44、收缩管段45以及出口管段依次首尾密封连通形成带测试腔的风道，所述的直管段42顶部开设用于卡入热球风速仪47的测速孔，并且热球风速仪47的测试端穿过所述的测速孔伸入直管段42中央；所述的测试管段44水平装在所述的支撑台1上。

所述的弯管段41为90°弯管。

所述的IPMC变形波动表面5通过前固定装置52和后固定装置53安装在测试管件4的测试腔内，所述的前固定装置52包括第一薄钢片521、第二薄钢片522、用于紧固的第一沉头螺栓523和与第一沉头螺栓螺接的第一螺母524，所述的第一薄钢片521与所述的第二薄钢片522通过第一沉头螺栓523夹在所述的IPMC变形波动表面5的前端，并且第二薄钢片522外端卡入测试管段44内侧壁的水平定位槽内；所述的后固定装置53包括第三薄钢片531、第四薄钢片532、第一滚轮533以及与第一滚轮滑动配合的滑道534，所述的第三薄钢片531与所述的第四薄钢片532通过第二沉头螺栓535夹在所述的IPMC变形波动表面5的后端，所述的第一滚轮533安通过第二沉头螺栓535装在所述的第三薄钢片531、第四薄钢片532的端部；所述的滑道534安装在所述的测试管段44内侧壁上，并与定位槽等高，实现IPMC变形波动表面5的水平布置。

所述的IPMC变形波动表面5与测试管段44顶板之间配有承重装置54，所述的承重装置54包括若干承重组件，除了前后两端的矩形单元之外剩余的矩形单元51各对应一个承重组件，所述的承重组件包括位于矩形单元底部的刚性细管541、吊绳542以及承重滚轮543，所述的吊绳542穿过刚性细管541后挂在承重滚轮543上，所述的承重滚轮543与设置在测试管段44顶板上的顶部滑槽滑动配合。

所述的IPMC变形波动表面5的前端配有竖直挡风板55，所述的竖直挡风板55的顶部压紧第二薄钢片522，所述的竖直挡风板55的侧边卡入测试管段44内侧壁的竖直槽中，所述的竖直挡风板55的顶部边缘介于所述的IPMC变形波动表面5的上下表面之间；所述的竖直挡风板55底部向外翻折形成用于装在测试管段44的水平安装部，所述的水平安装部通过螺栓551、第二螺母552与所述的测试管段44固接，并且所述的水平安装部与所述的测试管段44之间夹有垫板553。

相邻的矩形单元51之间通过环氧乙酯511相互粘连。

所述的风机3为变频调速风机

具体的，结合附图1整个试验装置是由过滤器2连接风机3，通过90°弯管41以及直管段42，连接扩散管段43，接入测试管段44，然后连接收缩管段45，最后与出口管段46相连组成管道系统，试验在此管道系统中进行，整个测试装置固定于支撑台上。试验开始时，启动风机3使空气通过过滤器2进入管道系统，进而流经整个管道系统，热球风速仪47通过直管段42顶部中央所开设的测速孔深入管段中央，用来测得风速值，通过变频调速风机3可以调节风速的大小，保证试验在合适的风速下进行。为了使试验结果更加准确，在测试管段中，放置竖直挡风板55，使通过测试管段中的空气只和测试表面上表面接触，空气流经测试管段时与测试表面进行接触，此时位于测试表面上的热膜应力传感器便会将测试表面上的应力值反馈给传感器终端63，通过传感器终端63上的显示屏即可读出表面应力值的大小。

结合附图1、附图2和附图3，测试表面是由IPMC材料制成的矩形单元通过环氧乙酯粘接起来组成的。IPMC(Ion-exchange Polymer Metal Composite)作为人工肌肉中的一种智能材料，在较低的电压下可以产生较大的位移变形，当对由IPMC材料组成的矩形单元厚度方向施加电压时，矩形单元51可产生较大的变形，使用IPMC驱动器61改变施加在矩形单元51两侧的电压信号即可使矩形单元发生弯曲，一系列矩形单元通过一定的规律产生弯曲，综合作用的结果则是形成波动表面。柔性热膜应力传感器62贴附于测试表面上表面，IPMC驱动器61与矩形单元51连接的导线以及柔性热膜应力传感器62与传感器控制器63连接的导线通过测试管段44底部中间的集线孔统一引出，整个测试表面通过固定装置和承重装置置于测试管段中。考虑到测试表面在发生变形时，沿着流向的方向上将会发生移动，因此固定装置也必须允许测试表面沿流向可以发生移动，否则会因测试表面的移动而产生扭曲或断裂。测试表面5在测试管段44入口段和出口段采用不同的固定装置进行固定。

结合附图2、附图3和附图4，测试表面44前端通过第一薄钢片521和第二薄钢片522压紧，然后用第一沉头螺栓523连接在一起，将下面的第二薄钢片522置于测试管段44侧壁441开的水平定位槽中，为了不使第二薄钢片522前端发生移动，将竖直挡风板55紧压第二薄钢片522，上部置于侧壁441开的竖直槽中，底部通过垫板553，用螺栓551和第二螺母552固定于测试管段44底部。

结合附图2、附图3和附图5，测试表面5后端通过第三薄钢片531、第四薄钢片532压紧，然后用第二沉头螺栓535将第三薄钢片531、第四薄钢片532以及第一滚轮533固定在一起。滑道534通过螺钉连接固定于测试管段44侧壁，第一滚轮533通过滑道534的一端开口处塞入滑道534中，此时测试表面5和第一滚轮533连接在一起，因为有滑道534的限制，第一滚轮533只能沿着滑道534滚动，因此测试表面44也只能沿着流向的方向移动，垂直于流向的方向上则被限制而无法移动。

结合附图2和附图6，由于测试表面5的自重不能忽略不计，因此在测试管段44中设置了承重装置，用来承受测试表面的重量。在测试管段44顶部壁面中间开设槽道，将承重滚轮543从槽道一端的开口处塞入槽道之中。为了使承重装置可以均匀的承担测试表面5的重量，在槽道之中均匀分布10个承重滚轮543来分担测试表面5的重量。将吊绳542穿过刚性细管541，将刚性细管541置于测试表面5的下面，吊绳542的两端绕过测试表面5下方系于承重滚轮543上的小孔上。这样便可将测试表面5的重量均匀得分给10个承重滚轮543承担，并且在测试表面5移动的时候，承重装置也会跟随一起移动。

本测试装置进行的试验为对照试验，测试时，先测试未发生波动之前的表面应力的大小。启动风机3，空气经过滤器2进入管道，进而充满整个管道系统，风机3采用变频调速风机来调节风速的大小，位于直管段42中的热球风速仪47来测试流过管道的风速值，使试验在适宜的风速下进行。空气流经测试管段44时，与测试表面5上表面接触，位于测试表面5的柔性热膜应力传感器62将此时得到的应力值输送给传感器控制器63，通过传感器终端63的显示器即可得到测试表面的应力值。

在相同的工况下，启动IPMC驱动器61，通过调节IPMC驱动器61改变施加在矩形单元51两侧的电压信号，使其发生变形，多个矩形单元51综合作用形成波动表面。此时，通过柔性热膜应力传感器62反馈给传感器终端63的应力即为波动表面应力的大小。通过比较原测试表面(未发生波动时的表面)与波动表面应力值的大小情况，即可得到波动表面的减阻效果。

此外，通过IPMC驱制器61可以改变施加在矩形单元51上的电压信号，根据IPMC材料的特性，当施加的电压信号不同时，IPMC的变形情况也不同，因此可以通过改变电压信号来实现测试表面不同的波动形式，由此即可测试不同波动表面的减阻效果，通过不同波动表面的减阻效果的比较，还可以得到较佳的波动表面进行应用。

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)

1.一种可调式波动壁面阻力测试装置，其特征在于：包括支撑台、过滤器、风机、安装在所述的支撑台的测试管件、水平布置的IPMC变形波动表面和调控机构，所述的过滤器安装在风机的进风口处，所述的风机的出风口与所述的测试管件进风口密封连通；所述的波动表面安装在所述的测试管件的测试腔内；所述的调控机构的正负极分别通过导线与所述的IPMC变形波动表面的上下表面电连，实现对IPMC变形波动表面沿厚度方向加压；

所述的IPMC变形波动表面由若干矩形单元首尾顺次相连成带状表面，所述的IPMC变形波动表面的前端与测试管件的测试腔内壁固接，后端与测试腔内壁滑动连接；

所述的调控机构包括用于调节加载在IPMC变形波动表面的压力的IPMC驱动器、用于IPMC变形波动表面受力变化的柔性热膜应力传感器以及带显示屏的传感器终端，所述的IPMC驱动器的正负极分别与所述的IPMC变形波动表面的上下表面电连，每块矩形单元上表面对应贴附一个柔性热膜应力传感器，所述的柔性热膜应力传感器的信号输出端与所述的传感器终端的信号输入端电连。

2.如权利要求1所述的一种可调式波动壁面阻力测试装置，其特征在于：所述的测试管件包括弯管段、直管段、扩散管段、测试管段、收缩管段以及出口管段，所述的弯管段的进风口与所述的风机的出风口连通，所述的弯管段、直管段、扩散管段、测试管段、收缩管段以及出口管段依次首尾密封连通形成带测试腔的风道，所述的直管段顶部开设用于卡入热球风速仪的测速孔，并且热球风速仪的测试端穿过所述的测速孔伸入直管段中央；所述的测试管段水平装在所述的支撑台上。

3.如权利要求2所述的一种可调式波动壁面阻力测试装置，其特征在于：所述的弯管段为90°弯管。

4.如权利要求1所述的一种可调式波动壁面阻力测试装置，其特征在于：所述的IPMC变形波动表面通过前固定装置和后固定装置安装在测试管件的测试腔内，所述的前固定装置包括第一薄钢片、第二薄钢片、用于紧固的第一沉头螺栓和与沉头螺栓螺接的第一螺母，所述的第一薄钢片与所述的第二薄钢片通过沉头螺栓夹在所述的IPMC变形波动表面的前端，并且第二薄钢片外端卡入测试管段内侧壁的水平定位槽内；所述的后固定装置包括第三薄钢片、第四薄钢片、第一滚轮以及与第一滚轮滑动配合的滑道，所述的第三薄钢片与所述的第四薄钢片通过第二沉头螺栓夹在所述的IPMC变形波动表面的后端，所述的第一滚轮通过沉头螺栓装在所述的第三薄钢片、第四薄钢片的端部；所述的滑道安装在所述的测试管段内侧壁上，并与定位槽等高，实现IPMC变形波动表面的水平布置。

5.如权利要求4所述的一种可调式波动壁面阻力测试装置，其特征在于：所述的IPMC变形波动表面与测试管段顶板之间配有承重装置，所述的承重装置包括若干承重组件，除了前后两端的矩形单元之外剩余的矩形单元各对应一个承重组件，所述的承重组件包括位于矩形单元底部的刚性细管、吊绳以及承重滚轮，所述的吊绳穿过刚性细管后挂在承重滚轮上，所述的承重滚轮与设置在测试管段顶板上的顶部滑槽滑动配合。

6.如权利要求5所述的一种可调式波动壁面阻力测试装置，其特征在于：所述的IPMC变形波动表面的前端配有竖直挡风板，所述的竖直挡风板的顶部压紧第二薄钢片，所述的竖直挡风板的侧边卡入测试管段内侧壁的竖直槽中，所述的竖直挡风板的顶部边缘介于所述的IPMC变形波动表面的上下表面之间；所述的竖直挡风板底部向外翻折形成用于装在测试管段的水平安装部，所述的水平安装部通过螺栓、第二螺母与所述的测试管段固接，并且所述的水平安装部与所述的测试管段之间夹有垫板。

7.如权利要求5所述的一种可调式波动壁面阻力测试装置，其特征在于：相邻的矩形单元之间通过环氧乙酯相互粘连。

8.如权利要求1所述的一种可调式波动壁面阻力测试装置，其特征在于：所述的风机为变频调速风机。