CN107063629A - 一种水下减阻表面性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下减阻表面性能测试装置，包括混流泵和实验段，混流泵通过短直管与第一弯头连接，第一弯头通过第一天圆地方段与第一拐角连接，第一拐角通过整流栅与收缩段连接，收缩段与实验段连接，实验段通过扩散段与第二天圆地方段连接，第二天圆地方段依次通过第二弯头、第三弯头、长直管与混流泵连接，通过混流泵实现水流的循环流动。本发明采用压差法测速及传感器外置，在减小对流场扰动同时降低了成本；传感器支撑架与试验段通过吸盘固定，易与试验段分离，样件架采用两段式，满足不同类型连接方式的样件的更换；传感器支撑架上表面设置有环形槽及刻度，结构简单并易于调整样件在试验段中与水流方向的夹角。
Description
技术领域
本发明涉及水下减阻表面性能测试装置，属于船舶与水下航行器工程、水利水电工程技术领域。
背景技术
目前，国内外学者对流体、固体界面运动减阻问题进行了广泛的理论和应用研究，在多方面取得了进展。由于减阻问题直接影响装备的能耗和性能，所以该问题的研究一直受到各国的极大重视。仿生减阻是近年来研究的一个新的热点，其研究方法大多是先期通过试验装置测试样件的减阻性能，然后再投入工程实际应用。由此可见，随着减阻技术的发展，要想进行仿生减阻研究，必须采用试验研究手段，因此一套有效的实验装置就显得十分重要。
现有的水洞在水下减阻表面性能测试的装置与方法大多采用把传感器及其测量样件一同置于试验段内，这样一方面由于传感器也内置于流场，对流场造成较大的干扰；另一方面对传感器防水性能要求较高，势必造成造价较高。外置传感器及其支撑架需要在试验段上打孔或焊接刚性固定，对试验段强度有影响，并且不利于样件的拆卸。样件在试验段中的角度调整需要另外的调整角度机构实现，设计复杂，操作困难。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水下减阻表面性能测试装置，采用压差法测速以及传感器外置与试验段的方法，既减小对试验段流场造成的扰动，又减小传感器对防水的要求降低成本。传感器支撑架与试验段通过四个强力吸盘固定，传感器支撑架受到传感器、样件架、样件及自重效果与试验段固定稳固并且不削弱试验段的强度。传感器支撑架易与试验段分离，易于不同类型连接方式的样件的更换。传感器支撑架上表面设置有环形槽及刻度，结构简单并实现调整样件在试验段中与水流方向的夹角。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种水下减阻表面性能测试装置，包括混流泵和实验段，所述混流泵通过短直管与第一弯头连接，第一弯头通过第一天圆地方段与第一拐角连接，第一拐角通过整流栅与收缩段连接，收缩段与实验段连接，实验段通过扩散段与第二天圆地方段连接，第二天圆地方段依次通过第二弯头、第三弯头、长直管与混流泵连接，通过混流泵实现水流的循环流动；所述实验段包含壳体，在壳体上设有通孔，在通孔中放置第二试样架，第二试样架位于壳体内的一端与样件连接，第二试样架位于壳体外的一端与第一试样架连接，第一试样架通过传感器与支撑架连接，支撑架安装在壳体外壁上。
作为优选，所述第二试样架的位于壳体的两侧均通过密封圈与壳体密封。
作为优选，所述第一拐角的上表面设置有灌水口，灌水口位于整个测试装置的最高点，该表面为整个水洞装置最高水平面，从而保证水能灌满整个流道。长直管下表面设置有排水口，排水口为整个装置的最低点，该表面为整个水洞装置最低水平面，从而保证水能完全排出。
作为优选，所述第一拐角、第二拐角内均设置有双圆弧翼型导流片，双圆弧翼型导流片按黄金比例排布，导流片可有效降低弯头内部流体的流速并改善流场分布，从而有效提高弯头的可靠性和使用寿命。
作为优选，所述第一拐角、第二拐角上侧在与导流片连接点开有Φ6通孔，导流片上相应连接点开有M6螺纹孔；导流片通过线切割加工并与第一拐角、第二拐角通过螺纹先固定，调整好导流片角度后点焊永久固定。
作为优选，所述整流栅内设置有格栅，格栅是尺寸为10×10mm的304不锈钢方管或者是边长为1mm的铝蜂窝芯，小的格栅把流道中可能存在的大尺寸漩涡分割成小尺寸漩涡，小尺寸漩涡衰减很快，从而达到稳定水流、减小水流湍流度、矫正水流流向的目的。
作为优选，所述收缩段呈witozinsky曲线型，收缩比为6:1，在均匀加速流体的同时，可以降低实验段流体湍流度，提高速度均匀性和稳定性，降低噪音、节约能耗。
作为优选，所述整流栅后端和实验段前端分别设有压力传感器，采用压差法测量试验段流速。
如图5所示为差压法流速测量原理示意图。图中主体为水洞中的典型管道结构—收缩段、收缩段前的稳定段和收缩段后的试验段。计稳定段内径为d1，试验段内径为d2则该水洞的收缩比为假设经过稳定段的整流稳定作用后水流稳定流动，测试平台稳定段与试验段横截面内流速、压力均分布均匀，分别计稳定段与试验段平均流速为v1、v2，平均静压力位p1、p2，位置高度为z1、z2。根据假设，测试平台稳定段至试验段之间流动可以简化为一维不可压缩定常管流。建立截面如图中所示截面I、II，在截面I、II之间建立流体流动的连续性方程与伯努利方程，可得:
其中α1、α2分别为稳定段、试验段截面内的动能修正系数，以修正采用截面平均流速计算动能带来的偏差值。ε为截面1至2过程中的流动阻力损失系数。
由上式可得实验段流速V2表达式:
由于经过稳定段的整流以及稳定作用后，水流流动已经比较平缓、流速分布比较均匀，尤其是截面2内的流速分布更加均匀，在实际计算中取动能修正系数α1、α2均为1。截面1至2过程中的流动阻力损失由系数ε表征，由于截面1、2之问有变径收缩段及收缩段与稳定段、实验段的连接部分，其流动阻力损失的精确计算很复杂，并且与收缩段所采用的收缩曲线、收缩段与稳定段、试验段的连接过渡方式以及实际的相关部件加工精度有关，因此这里暂时不讨论流动阻力损失系数的计算。又实际闭式循环水洞中稳定段、收缩段及实验段均在同一水平高度，即z1＝z2。计Δp＝p1-p2为稳定段后端与实验段前段静压力差值，并忽略上述流动阻力，则有简化式：
以上为差压测流速的理想模型简化计算表达式。可见，在理想情况下，流速只与压力差及收缩比有关，在水洞各段结构尺寸确定的情况下，只要采用一定的手段得到稳定段后端与试验段前段的静压力差值即可求得测试平台试验段实时流速。
对比示踪粒子测速，粒子的随流特性对测量结果影响很大，这就对粒子的质量要求很高，而高质量的示踪粒子价格非常昂贵；对比皮托管测速，皮托管测速是单点测速，其需要把皮托管直接置于管道中心，这对流体流场影响很大。
作为优选，所述支撑架上顶面环形槽处刻有角度刻度，可以根据需要调整与传感器法兰盘的连接角度，从而控制样件在流场中与流体流向的接触角度，角度调节范围0-±20°。
作为优选，所述密封圈为V型密封圈中的VA型，和一般的旋转密封不同，VA形圈依靠其弹性的密封唇形成轴向密封作用。密封唇有良好的活动性和适应性，所以相比于其它密封件，它可补偿较大的偏差和角度偏差。
作为优选，所述试验段与支撑架相连接的传感器为三维力传感器，其可以测得样件在流场中所受到的正交三维力，分别为沿样件表面来流方向的阻力、垂直于样件表面的压力和竖直于上述两个分立方向的作用力。通过更换不同的样件，对比在相同的样件条件下，不同的样件加工表面或者不同的样件表面涂层所受的三个力的大小，分析评估不同表面减阻性能。
在本发明中，混流泵一侧设有调频电机，调频电机为混流泵提供稳定的动力；调频电机与混流泵安装在同一底座上，保证电机轴与混流泵的同轴度，减小振动对传动的影响。混流泵通过联轴器与调频电机连接；混流泵和调频电机通过螺栓与底座连接；底座与地面通过地脚螺栓连接，减小整体的振动；流道各段之间通过法兰连接，法兰间设有防水垫片。三相电源与调频电机之间设置有变频器，通过变频器控制面板手动控制或者通过程序自动控制调频电机的频率，调节混流泵的转速，从而达到调节实验段流速的目的。
在本发明中，实验段材料为透明的亚克力玻璃，方便观察实验现象，试验段一侧开有窗口，方便更换样件。第一试样架与第二样件架通过螺纹连接；样件与第二样件架通过螺纹连接或焊接。根据试验需要可以更换样件或者直接更换第二样件架，如果要更换的试验样件与第二样件架的连接方式与原样件相同，则直接更换样件即可，如果连接方式不同，可以直接更换第二样件架。
有益效果：本发明的水下减阻表面性能测试装置，采用压差法测速及传感器外置，在减小对流场扰动同时降低了成本；传感器支撑架与试验段通过吸盘固定，易与试验段分离，样件架采用两段式，满足不同类型连接方式的样件的更换；传感器支撑架上表面设置有环形槽及刻度，结构简单并易于调整样件在试验段中与水流方向的夹角。
附图说明
图1是本发明水下减阻表面性能测试装置的结构示意图。
图2是本发明水下减阻表面性能测试装置试验段测量装置结构示意图。
图3是本发明水下减阻表面性能测试装置拐角导流片结构示意图。
图4是本发明水下减阻表面性能测试装置支撑架俯视图。
图5为压差法测速原理图。
其中，1、混流泵；2、短直管；3、第一弯头；4、第一天圆地方段；5、第一拐角；6、整流栅；7、收缩段；8、实验段；9、扩散段；10、第二拐角；11、第二天圆地方段；12、第二弯头；13、第三弯头；14、长直管；15、支架；801、支撑架；802、传感器；803、第一试样架；804、密封圈；805、样件；806、第二样件架；807、吸盘；808、环形槽。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明的一种水下减阻表面性能测试装置，包括混流泵1和实验段8，所述混流泵1通过短直管2与第一弯头3连接，第一弯头3通过第一天圆地方段4与第一拐角5连接，第一拐角5通过整流栅6与收缩段7连接，收缩段7与实验段8连接，实验段8通过扩散段9与第二天圆地方段11连接，第一天圆地方段4和第二天圆地方段11均为天圆地方管，第二天圆地方段11依次通过第二弯头12、第三弯头13、长直管14与混流泵1连接，通过混流泵1实现水流的循环流动；所述实验段8包含壳体，在壳体上设有通孔，在通孔中放置第二试样架806，第二试样架806位于壳体内的一端与样件805连接，第二试样架806位于壳体外的一端与第一试样架803连接，第一试样架803通过传感器802与支撑架801连接，支撑架801安装在壳体外壁上，支撑架801优选通过吸盘807安装在壳体外壁上，整个装置通过支架15放置在地上。
在本发明中，所述第二试样架806的位于壳体的两侧均通过密封圈804与壳体密封，所述密封圈804为V型密封圈804中的VA型，和一般的旋转密封不同，VA形圈依靠其弹性的密封唇形成轴向密封作用。密封唇有良好的活动性和适应性，所以相比于其它密封件，它可补偿较大的偏差和角度偏差。
在本发明中，所述第一拐角5的上表面设置有灌水口，灌水口位于整个测试装置的最高点，该表面为整个水洞装置最高水平面，从而保证水能灌满整个流道。长直管下表面设置有排水口，排水口为整个装置的最低点，该表面为整个水洞装置最低水平面，从而保证水能完全排出。
在本发明中，所述第一拐角5、第二拐角10内均设置有双圆弧翼型导流片，双圆弧翼型导流片按黄金比例排布，导流片可有效降低弯头内部流体的流速并改善流场分布，从而有效提高弯头的可靠性和使用寿命。所述第一拐角5、第二拐角10上侧在与导流片连接点开有Φ6通孔，导流片上相应连接点开有M6螺纹孔；导流片通过线切割加工并与第一拐角5、第二拐角10通过螺纹先固定，调整好导流片角度后点焊永久固定。
在本发明中，所述整流栅6内设置有格栅，格栅是尺寸为10×10mm的304不锈钢方管或者是边长为1mm的铝蜂窝芯，小的格栅把流道中可能存在的大尺寸漩涡分割成小尺寸漩涡，小尺寸漩涡衰减很快，从而达到稳定水流、减小水流湍流度、矫正水流流向的目的。所述收缩段7呈witozinsky曲线型，收缩比为6:1，在均匀加速流体的同时，可以降低实验段8流体湍流度，提高速度均匀性和稳定性，降低噪音、节约能耗。所述整流栅6后端和实验段8前端分别设有压力传感器802，采用压差法测速。实验段材料为透明的亚克力玻璃，方便观察实验现象，试验段一侧开有窗口，方便更换样件。所述试验段与支撑架相连接的传感器为三维力传感器，三维力传感器通过第二试样架806可以很精确的测得样件805所受的三个力的大小，其可以测得样件在流场中所受到的正交三维力，分别为沿样件表面来流方向的阻力、垂直于样件表面的压力和竖直于上述两个分立方向的作用力。所述支撑架801上顶面环形槽808处刻有角度刻度，可以根据需要调整与传感器802法兰盘的连接角度，从而控制样件805在流场中与流体流向的接触角度，角度调节范围0-±20°。
所述一种水下减阻表面性能测试装置的使用操作流程如下：
(1)安装被测样件，调整样件在流场中与流体流向的接触角度，并固定传感器。
(2)关闭排水口，打开灌水口给测试装置灌水，灌满后关闭灌水口。
(3)运行测试装置，采集、记录样件所受到的力。
(4)打开排水口直至水位降至试验段以下，更换同样样件不同表面涂层或者不同加工表面的样件，重复步骤(2)-(3)。
(5)实验数据测量结束后，对比不同样件所受的三个力的大小，分析评估不同表面涂层或者不同加工表面的减阻性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种水下减阻表面性能测试装置，其特征在于：包括混流泵和实验段，所述混流泵通过短直管与第一弯头连接，第一弯头通过第一天圆地方段与第一拐角连接，第一拐角通过整流栅与收缩段连接，收缩段与实验段连接，实验段通过扩散段与第二天圆地方段连接，第二天圆地方段依次通过第二弯头、第三弯头、长直管与混流泵连接，通过混流泵实现水流的循环流动；所述实验段包含壳体，在壳体上设有通孔，在通孔中放置第二试样架，第二试样架位于壳体内的一端与样件连接，第二试样架位于壳体外的一端与第一试样架连接，第一试样架通过传感器与支撑架连接，支撑架安装在壳体外壁上。
2.根据权利要求1所述的水下减阻表面性能测试装置，其特征在于：所述第二试样架的位于壳体的两侧均通过密封圈与壳体密封。
3.根据权利要求1所述的水下减阻表面性能测试装置，其特征在于：所述第一拐角的上表面设置有灌水口，灌水口位于整个测试装置的最高点，长直管下表面设置有排水口，排水口为整个装置的最低点。
4.根据权利要求1所述的水下减阻表面性能测试装置，其特征在于：所述第一拐角、第二拐角内均设置有双圆弧翼型导流片，双圆弧翼型导流片按黄金比例排布。
5.根据权利要求4所述的水下减阻表面性能测试装置，其特征在于：所述第一拐角、第二拐角上侧在与导流片连接点开有通孔，导流片上相应连接点开有螺纹孔；导流片通过线切割加工并与第一拐角、第二拐角通过螺纹先固定，调整好导流片角度后点焊永久固定。
6.根据权利要求1所述的水下减阻表面性能测试装置，其特征在于：所述整流栅内设置有格栅，格栅是尺寸为10×10mm的304不锈钢方管或者是边长为1mm的铝蜂窝芯。
7.根据权利要求1所述的水下减阻表面性能测试装置，其特征在于：所述收缩段呈witozinsky曲线型，收缩比为6:1，所述整流栅后端和实验段前端分别设有压力传感器。
8.根据权利要求1所述的水下减阻表面性能测试装置，其特征在于：所述传感器为三维力传感器。
9.根据权利要求1所述的水下减阻表面性能测试装置，其特征在于：所述支撑架的上顶面设有环形槽，环形槽处刻有角度刻度。
10.根据权利要求2所述的水下减阻表面性能测试装置，其特征在于：所述密封圈为V型密封圈中的VA型。
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