CN108645598A - 一种研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，所述装置包括：进出口管路，所述进出口管路具有进口和出口；恒压水箱，所述恒压水箱侧壁具有层流管路，所述层流管路通过第一阀门与所述进口相连；所述恒压水箱底部具有第一开口，所述第一开口通过第二阀门与供水箱相连；紊流管路，所述紊流管路两端通过第三阀门分别与供水箱和进口相连；所述进出口管路上依次安装有涡轮流量计、测试槽道段，所述测试槽道段上设置有至少两个测量孔，所述测量孔用于安装差压变送器。本发明装置能够评估不同流态下流体对不同排列方式超疏水表面的减阻规律。

Description

一种研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置

技术领域

本发明涉及流体输送中的流体减阻测试技术领域，特别涉及一种用于研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的测试装置。

背景技术

迄今为止，国内外相关科研团队对通过超疏水表面来降低摩擦阻力的研究已经达到了一定的水平，并在许多方面获得了明显的成果。此项研究已经成为材料研究的热点。其研究手段主要包括疏水理论分析、建立数值模型模拟仿真、简要模型试验等方面，最后通过对试验装置中试验样件的减阻性能进行比较，并得出所需结论，进而能够指导工程实际应用。

在与理论分析、数值模拟仿真相比较后，模型试验更接近于实际。而且理论分析，数值模拟等手段最终也都需要试验的检验和验证。试验方法作为研究超疏水表面减阻的重要手段，对于推进超疏水表面减阻技术的发展、完善减阻理论具有重要的作用。

传统的减阻试验研究通常在摩擦和磨损试验机等测试机中进行，但是，由于其成本较高、耗资较大、日常维护困难、噪声污染严重、试验条件各个方面都具有一定的局限性，并且不容易进行超疏水表面样品的减阻试验研究。陈结等人设计的一种测试超疏水材料减阻性能的小型试验装置(公开号CN107631958A)，该装置对流体的状态考虑比较局限，不易更换检测样件，检测段进出口的弯管导致实际压差被水流涡旋和二次流明显干扰，对流体的测量没考虑充分发展水流，检测方式上对压降的检测不连续等。哈尔滨工程大学的赵刚等人发明的一种适应于射流表面以及非光滑表面的阻力测试装置(公开号CN102998087A)，该装置结构复杂、局限性强、不易更换实验样件，受压差影响较大等。在流体流动过程中，雷诺数小时,粘性效应在整个流场中起主要作用,流动为层流，流体微团互不掺混、运动轨迹有条不紊地流动。雷诺数大时，紊动掺混起决定作用，流动为紊流，速度、压强等流动要素随时间和空间作随机变化，质点轨迹曲折杂乱、互相混掺。

因此，如何开发出一种合理的能够区分流动状态对超疏水表面进行流阻测试，并且能够实时测量得出最佳减阻效果的试验装置是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、实验样品易制，测试简便，可重复性高，以及适应性好的流体减阻精准测试装置。能够用于实时测量不同流态的液体在超疏水表面的阻力测试分析，以及评估流体对不同排列方式超疏水表面的减阻技术和减阻效果。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，所述装置包括：

进出口管路，所述进出口管路具有进口和出口；恒压水箱，所述恒压水箱侧壁具有层流管路，所述层流管路通过第一阀门与所述进口相连；所述恒压水箱底部具有第一开口，所述第一开口通过第二阀门与供水箱相连；紊流管路，所述紊流管路两端通过第三阀门分别与供水箱和进口相连；所述进出口管路上依次安装有涡轮流量计、测试槽道段，所述测试槽道段上设置有至少两个测量孔，所述测量孔用于安装差压变送器；所述涡轮流量计与计算机相连，用于将测量的流速信号转换成流速电信号，传输至计算机；所述差压变送器与计算机相连，用于将测量的压力信号转换成压力电信号，传输至计算机；所述计算机用于对流速电信号和压力电信号进行数据处理。

可选的，所述测试槽道段靠近进口的一端通过进口连接器安装有进口稳流管，所述测试槽道段靠近出口的一端通过出口连接器安装有出口稳流管。

可选的，所述装置还包括：循环回水管路，所述循环回水管路通过流量调节阀分别与出口稳流管和供水箱相连。

可选的，所述涡轮流量计与进口稳流管之间还设置有第四阀门。

可选的，所述进口靠近第一阀门和第三阀门的一端还安装有过滤器，流体从所述进口进入后，依次通过进出口管路上的过滤器、涡轮流量计、第四阀门、进口稳流管、进口连接器、测试槽道段、出口连接器、出口稳流管以及流量调节阀后，通过循环回水管路回到供水箱。

可选的，所述供水箱内设置有水泵，用于将所述流体送入至进口；当所述第二阀门处于打开状态，所述水泵通过第一开口向恒压水箱内进水,当恒压水箱进满水之后,使所述第二阀门处于关闭状态,同时使所述第一阀门处于打开状态,且使所述第三阀门处于关闭状态时，通过所述层流管路流向进口的所述流体的流态为层流；当使所述第一阀门和第二阀门处于关闭状态，所述第三阀门处于打开状态时，所述水泵通过紊流管路送入至进口的所述流体的流态为紊流。

可选的，所述恒压水箱内部设置有溢流板，所述溢流板将恒压水箱内部分成溢流区和具有所述第一开口和层流管路的恒压区两个部分,所述溢流区与供水箱相连,所述恒压区通过第一开口与供水箱相连。

可选的，所述测试槽道段底部具有凹形槽，所述凹形槽表面具有丁腈橡胶膜，所述凹形槽用于固定待测试的超疏水样品。

可选的，所述测试槽道段的材料为亚克力板。

可选的，所述装置还包括实验台，所述测试槽道段通过至少两个保持架固定安装于实验台上。与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：

本发明通过设置恒压水箱,供水箱以及阀门，实现了层流和紊流分别进入测试槽道段进行流动减阻实时测量数据的功能；通过设置计算机分别与差压变送器以及涡轮流量计相连,可以直观地分析研究超疏水表面的流动减阻规律,实现了实时精准测量。

可选方案中,进口稳流管以及出口稳流管可以有效抑制进口效果对测试回路的干扰；所述进口连接器和出口连接器可以防止因管径突变造成的漩涡区，从而保证测试结果的准确性。

可选方案中,测试槽道段底部的丁腈橡胶膜有助于固定超疏水样片，同时丁腈橡胶膜也有一定的减阻性能，有利于分析排列方式对减阻性能的不同影响。由于不同润湿性能的超疏水表面混合排列后减阻性能也会发生变化，故设计这种结构能兼顾这类以及相似现象的流动减阻规律的研究。

附图说明

图1是本发明一实施例研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置的测试槽道段进口连接器的主视图和侧视图；

图3是本发明一实施例研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置的测试槽道段的主视图、侧视图和俯视图；

图4是本发明一实施例研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置测试槽道段内点阵样品和槽道状样片间隔组合排列的示意图；

图5是本发明一实施例研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置的差压变送器测量压降的原理示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，目前研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置存在成本较高、日常维护困难、结构复杂、局限性强、不易更换实验样件，压差受影响较大等问题。

分析现有技术存在上述问题的原因包括：装置设计考虑局限，没有考虑多种流态的影响；结构固定，没有充分考虑后期对测试样品排列组合的研究；以及没有合理分析管道中产生的漩涡以及二次流的影响，最终导致了上述问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，能够模拟不同流动状态对超疏水表面进行流阻测试，并且能够实时精准的对流动减阻规律进行研究。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合参考图1至图4,图1示出了本发明一实施例一种研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置的结构示意图；图2是本发明一实施例一种研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置的测试槽道段进口连接器的主视图和侧视图；图3是本发明一实施例一种研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置的测试槽道段的主视图、侧视图和俯视图；图4是本发明一实施例一种研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置测试槽道段内点阵样品和槽道状样片间隔组合排列的示意图；所述研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置包括：进出口管路，所述进出口管路具有进口和出口；恒压水箱6，所述恒压水箱6侧壁具有层流管路(图未示)，所述层流管路通过第一阀门8与所述进口(图未示)相连；所述恒压水箱6底部具有第一开口(图未示)，所述第一开口通过第二阀门24与供水箱25相连；紊流管路(图未示)，所述紊流管路两端通过第三阀门23分别与供水箱25和进口相连；所述进出口管路上依次安装有涡轮流量计10、测试槽道段20，所述测试槽道段20上设置有至少两个测量孔14、15，所述测量孔14、15用于安装差压变送器4的测量头；所述涡轮流量计10与计算机3相连，用于将测量的流速信号转换成流速电信号，传输至计算机3；所述差压变送器4与计算机3相连，用于将测量的压力信号转换成压力电信号，传输至计算机3；所述计算机3用于对流速电信号和压力电信号进行数据处理

本实施例中，所述供水箱25内设置有水泵26，用于将流体送入至进口。

本实施例中，所述恒压水箱6的作用是通过所述层流管路向进口提供流体,所述流体的流态为层流。所述恒压水箱6内部设置有溢流板5，所述溢流板5将恒压水箱3内部分成溢流区1和具有所述第一开口和层流管路的恒压区2两个部分,所述溢流区1与供水箱25相连,所述恒压区2通过第一开口与供水箱25相连。所述研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置工作时，打开所述第二阀门24，同时关闭所述第一阀门8和第三阀门23,所述水泵26通过第一开口向恒压水箱6内进水，直至水流漫过溢流板5顶部，多余的水流会通过所述溢流区1回到供水箱25内。当恒压水箱6内进满水之后，关闭所述第二阀门24，打开所述第一阀门8，所述第三阀门23同时处于关闭状态，通过所述层流管路流向进口的流体的流态为层流，此时测试的是层流状态下超疏水表面流动减阻规律。

本实施例中，当关闭所述第一阀门8和第二阀门24，打开所述第三阀门23，所述水泵26通过紊流管路将流体送入至进口，所述流体的流态为紊流，此时测试的是紊流状态下超疏水表面流动减阻规律。

本实施例中，所述测试槽道段20靠近进口的一端通过进口连接器13(如图2所示)安装有进口稳流管12，所述测试槽道段20靠近出口的一端通过出口连接器16安装有出口稳流管17。

所述进口稳流管12和出口稳流管17的作用是能够有效抑制进口效果对测试回路的干扰。通过所述进口连接器13和出口连接器16可以防止因管径突变造成的漩涡区，从而使得测试结果的准确性得到提升。此外，所述进口稳流管12和出口稳流管17还能起到充分发展水流的作用。在稳定流动情况下，当粘性流体以均匀速度流入进出口管路时，在进口截面处，速度是相等的，但当流体进入进出口管路内后，由于在壁面处速度为零，随着流入管路长度的增加，速度开始变化，壁面的影响逐渐扩大。

本实施例中，所述装置还包括：循环回水管路19，所述循环回水管路19通过流量调节阀18分别与出口稳流管17和供水箱25相连。所述循环回水管路19用于将测试时的流体进行循环使用，节约了水资源。

本实施例中，所述涡轮流量计10与进口稳流管12之间还设置有第四阀门11。

本实施例中，所述进口靠近第一阀门8和第三阀门23的一端还安装有过滤器9，流体从所述进口进入后，依次通过进出口管路上的过滤器9、涡轮流量计10、第四阀门11、进口稳流管12、进口连接器13、测试槽道段20、出口连接器16、出口稳流管17以及流量调节阀18后，通过循环回水管路19回到供水箱25。所述过滤器9的作用是在流体被送入至进口之前，对流体预先进行过滤，从而有助于防止流体中的杂质对测量仪器和测试结果产生不良影响。

本实施例中，测试过程中，流体通过进口流量的改变可根据实验需要进行调节。具体地，当测试层流状态超疏水表面流动减阻规律时，通过所述流量调节阀18来实现流量的改变。当测试紊流状态超疏水表面流动减阻规律时，通过所述第三阀门23来实现流量的改变。

本实施例中，所述测试槽道段20底部具有凹形槽32(如图3所示)，所述凹形槽32表面具有丁腈橡胶膜33，所述凹形槽32用于固定待测试的超疏水样品。

所述凹形槽32可以按照需求摆放制备好的超疏水样品。在所述凹形槽32和超疏水样品之间由于具备丁腈橡胶膜33，使得超疏水样品的固定效果好。考虑到局部突变对流场稳定性的影响，为了减小不稳定流场的作用范围，在所述测试槽道段20两端设置进出水孔31，使其与测试槽道段20侧部、底部保持平滑过渡结构，从而有助于抑制弯管和局部突变所产生的漩涡区和二次流的作用范围。

为了分析不同超疏水样品的组合排列方式对减阻性能的影响，可以通过打开所述测试槽道段20的加密紧固螺钉34，取下上盖板27(如图3所示)对超疏水样品进行组合重排(如图4所示)，从而可以实现上述目的，进而有助于分析不同润湿性能的超疏水表面混合排列后减阻性能发生的变化情况。所述上盖板27与测试槽道段20之间还具有密封垫圈29。

本实施例中，所述测试槽道段20的材料为亚克力板。采用亚克力板的材质有助于提升实验研究的观测效果。

本实施例中，所述装置还包括实验台7(如图1所示)，所述测试槽道段20通过至少两个保持架21固定安装于实验台7上。所述测试槽道段20通过保持架21放置在实验台7上，每次实验前用测平仪对测试槽道段20进行水平校正，从而使测量结果更加准确。

本实施例中，所述差压变送器4将采集到的压力信号转化为电信号后，通过A/D转化为电信号转换成数字信号输入到计算机3中。同时，由涡轮测量计10测量的流速信号转换成流量成正比的电信号，传输到计算机3中。计算机软件对两种信号进行连续测量和数据处理，直接得出不同流态和不同排列方式下的压降与流量的关系，实现了实验数据采集的自动化。

本实施例中,可根据开关不同的阀门实现双通道之间的切换，完成不同流态下对流动减阻规律的研究，本发明提供的两种不同的液体流态测试环路包括：

1.层流测试环路。

层流状态时，压力值小，压差范围也小，采用小量程高精度差压变送器4来测量。具体步骤为：开启所述第一阀门8和流量调节阀18，关闭所述第二阀门24和第三阀门23，让恒压水箱6中的流体通过所述层流管路从进口进入，依次通过过滤器9、涡轮流量计10、第四阀门11、进口稳流管12、进口联接器13、测试槽道段20、出口联接器16、出口稳流管17，然后通过循环回水管路19回到供水箱25，所述流量调节阀18用来调节流体流量的大小。所述过滤器9可以过滤水中的杂质，以免堵塞涡轮流量计10。采用实时测量的方法获得压降和流量的关系，多次实验后，得出重复性较好的实验数据，利用计算机数据处理程序可实时得出流量压降关系图，第一时间直观看到减阻效果。同时利用公式Re＝ρvd/μ获得单位长度压降随着雷诺数的变化关系，能够准确得到层流状态下超疏水表面减阻效果随水流状态的影响。

2.紊流测试环路。

紊流时采用大量程差压变送器4来测量。具体步骤为：关闭所述第一阀门8和第二阀门24，开启所述第三阀门23，所述流量调节阀18出于常开状态，开启水泵26，通过调节所述第三阀门23的开合大小，来调节流量。流体通过所述紊流管路从进口进入，依次通过过滤器9、涡轮流量计10、第四阀门11、进口稳流管12、进口联接器13、测试槽道段20、出口联接器16、出口稳流管17，然后通过循环回水管路19回到供水箱25。所述过滤器9可以过滤水中的杂质，以免堵塞涡轮流量计10。采用实时测量的方法获得压降和流量的关系，多次实验后，得出重复性较好的实验数据，利用计算机数据处理程序可实时得出流量压降关系图，第一时间直观看到减阻效果。同时利用公式Re＝ρvd/μ获得单位长度压降随着雷诺数的变化关系，能够准确得到紊流状态下超疏水表面减阻效果随水流状态的影响。

参考图5，图5示出了本发明一实施例研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置的差压变送器测量压降的原理示意图。

本实施例中，将差压变送器4安装到测量孔14和测量孔15上，安装过程中需要注意必须让差压变送器4的传感器探头的下表面与安装好的测试槽道段20的上表面保持齐平，以免对流场产生影响。对差压变送器4进行压力测量标定，首先测量普通测试槽道段20中的流动压差，再测量由超疏水表面构建的测试槽道段20中的流动压差。来自双侧导压管的差压直接作用于差压变送器传感器内的感压膜片上，感压膜片的位移反应在差压电容上，差压电容的微弱变化通过电流电容转换电路放大，从而实现了将测得的差压信号转换为与之对应的电信号，最后通过经过放大等处理转变为标准的4～20mA电信号输出。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，其特征在于，所述装置包括：

进出口管路，所述进出口管路具有进口和出口；恒压水箱，所述恒压水箱侧壁具有层流管路，所述层流管路通过第一阀门与所述进口相连；所述恒压水箱底部具有第一开口，所述第一开口通过第二阀门与供水箱相连；紊流管路，所述紊流管路两端通过第三阀门分别与供水箱和进口相连；所述进出口管路上依次安装有涡轮流量计、测试槽道段，所述测试槽道段上设置有至少两个测量孔，所述测量孔用于安装差压变送器；所述涡轮流量计与计算机相连，用于将测量的流速信号转换成流速电信号，传输至计算机；所述差压变送器与计算机相连，用于将测量的压力信号转换成压力电信号，传输至计算机；所述计算机用于对流速电信号和压力电信号进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，其特征在于，所述测试槽道段靠近进口的一端通过进口连接器安装有进口稳流管，所述测试槽道段靠近出口的一端通过出口连接器安装有出口稳流管。

3.根据权利要求2所述的研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，其特征在于，所述装置还包括：循环回水管路，所述循环回水管路通过流量调节阀分别与出口稳流管和供水箱相连。

4.根据权利要求2所述的研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，其特征在于，所述涡轮流量计与进口稳流管之间还设置有第四阀门。

5.根据权利要求4所述的研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，其特征在于，所述进口靠近第一阀门和第三阀门的一端还安装有过滤器，流体从所述进口进入后，依次通过进出口管路上的过滤器、涡轮流量计、第四阀门、进口稳流管、进口连接器、测试槽道段、出口连接器、出口稳流管以及流量调节阀后，通过循环回水管路回到供水箱。

6.根据权利要求5所述的研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，其特征在于，所述供水箱内设置有水泵，用于将所述流体送入至进口；当所述第二阀门处于打开状态，所述水泵通过第一开口向恒压水箱内进水,当恒压水箱进满水之后,使所述第二阀门处于关闭状态,同时使所述第一阀门处于打开状态,且使所述第三阀门处于关闭状态时，通过所述层流管路流向进口的所述流体的流态为层流；当使所述第一阀门和第二阀门处于关闭状态，所述第三阀门处于打开状态时，所述水泵通过紊流管路送入至进口的所述流体的流态为紊流。

7.根据权利要求1所述的研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，其特征在于，所述恒压水箱内部设置有溢流板，所述溢流板将恒压水箱内部分成溢流区和具有所述第一开口和层流管路的恒压区两个部分,所述溢流区与供水箱相连,所述恒压区通过第一开口与供水箱相连。

8.根据权利要求1所述的研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，其特征在于，所述测试槽道段底部具有凹形槽，所述凹形槽表面具有丁腈橡胶膜，所述凹形槽用于固定待测试的超疏水样品。

9.根据权利要求8所述的研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，其特征在于，所述测试槽道段的材料为亚克力板。

10.根据权利要求9所述的研究不同流态下超疏水表面流动减阻规律的装置，其特征在于，所述装置还包括实验台，所述测试槽道段通过至少两个保持架固定安装于实验台上。