CN108827851B - 一种表面微结构的流体减阻效应测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种表面微结构的流体减阻效应测试装置，包括环境模拟单元、运动控制单元和拍摄记录单元；所述环境模拟单元包括管筒、叶轮机、隔板、加热管、温控器和外置控制器；所述管筒为一端开口、一端封闭的内空容器，沿重力方向竖直放置，内部注满测试液体；所述运动控制单元包括导轨滑块机构、试样夹具、滑轮、滑轮绳和驱动物体；所述拍摄记录单元为高速摄像机，安装放置于管筒外，使其调整焦距后能够清晰拍摄试样被滑块带动沿重力方向从底部向上的竖直运动过程。本发明实现了表面微结构的流体减阻效应的精确测试，可以测试不同表面微结构的试样在不同流体环境工况下，处于不同驱动能耗、牵引驱动力或牵引速度时的流体减阻效应。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域，具体涉及一种表面微结构的流体减阻效应测试装置。
背景技术
物体相对于流体运动所受的逆物体运动方向或沿来流速度方向的流体动力的分力称为流体阻力。由于液体的粘性作用，物体表面会产生与物面相切的摩擦力，全部摩擦力的合力称为摩擦阻力。在实际流体中，粘性作用下不仅会产生摩擦阻力，而且会使物面压强分布与理想流体中的分布有别，并产生压差阻力。海洋运输工具总阻力中表面摩擦阻力占有很大的比例，高达50％以上，严重影响水下航行器、水上船舶、流体运输的速度，所以提高能源利用率，节能降耗问题尤为突出。
为此，目前已发展出多种液态流体减阻方法，主要分为“主动控制”和“被动控制”两类。主动控制技术通常基于流动控制元器件组成的MEMS(电磁力、等离子体、压电陶瓷、合成射流等)和闭环控制技术对流场动态实时监控，并根据流场的变化及时改变控制信号。被动控制技术则是通过对壁湍流实施以固定不变干扰和控制信号，如波形壁法、聚合物添加剂法、超疏水表面、仿生沟槽法等，削弱湍动能的生成，其具有操作简单，成本低的特点，尤其是超疏水表面具有自清洁、低附着、防腐以及能降低摩擦系数等特点，其自身特殊的浸润性，使其在入水时能够产生一层气膜，该气膜的存在有效隔绝了液固界面直接接触，把高摩擦力的液固两相接触面转变成低摩擦力的液固气三相接触面，从而实现优异的减阻效果。
目前，测试固体表面微结构的液态流体减阻效应尚无通用的标准化方法，一般采用管道(水洞)或循环水槽，通过并行设置工作段与对照段，将样品置于某工作段内，通过分别测试工作段与对照段的液流入口及出口处压力、流量、流速等参数，获得可以对比的不同固体表面微结构对液流压力、流量、流速的影响数据，进而计算出不同固体表面微结构的液态流体减阻效应(相对百分比)。这类测试方法的特征是测试过程中测试样件固定不动，仅测量测试样件表面相对于来流的粘滞阻力效应，因此高度依赖稳定、精确的液流控制，对应的管道(水洞)或循环水槽系统复杂、成本高，对超疏水表面、仿生沟槽法等的壁湍流流体减阻检测由于装夹不易、调节不方便，适用性不好。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种表面微结构的流体减阻效应测试装置，可以模拟特定驱动能耗、特定牵引力、特定牵引速度等不同工况，具有精度高、对比性好、操作简单、实验装置稳定可靠等优点。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种表面微结构的流体减阻效应测试装置，包括环境模拟单元、运动控制单元和拍摄记录单元；
所述环境模拟单元包括管筒、叶轮机、隔板、加热管、温控器和外置控制器；
所述管筒为一端开口、一端封闭的内空容器，沿重力方向竖直放置，内部注满测试液体；管筒整体由透明材料制成或者其壁面沿轴向设有透明材料制成的观察窗；
所述隔板为一平板，竖直设置于管筒内部，隔板的两个侧边与管筒的内壁为密封性固定连接，隔板将管筒的横截面平均分为两部分；隔板的上、下边与管筒的上开口端、下封闭端均留有间隔，使得当管筒注满测试液体后，隔板浸没于测试液体中，测试液体构成一个循环系统；
所述加热管紧贴管筒的内壁沿轴向竖直放置于管筒内，且淹没于测试液体内，加热管自身带有测温传感器，与置于管筒外部的温控器通过导线电连接；
所述叶轮机放置于管筒的底部，通过电缆与之相连的外置控制器对其电机转速进行精确调节，以控制流体流速制造不同的流体状态；
所述运动控制单元包括导轨滑块机构、试样夹具、滑轮、滑轮绳和驱动物体；
所述导轨滑块机构设置于管筒内部空腔中能够透明观察的一边，且与加热管分别位于隔板的两侧；所述导轨滑块机构包括一导轨和一滑块，所述导轨紧贴管筒的内壁沿轴向竖直布置并与管筒的壁面固定，导轨上下两端均设置有限位块；所述滑块能够沿重力方向竖直上下运动，且要求滑块的运动过程可被拍摄记录单元透过管筒壁面拍摄记录；
所述试样夹具至少具有两个旋转自由度，其中一个旋转中心轴沿管筒轴向，另一个旋转中心轴沿管筒的任意一个径向；所述试样夹具用于安装固定试样，且能够通过两个旋转中心轴的配合调节试样的空间姿态；所述试样夹具与导轨滑块机构的滑块固定；
所述滑轮固定安装在管筒的顶端，滑轮绳绕过滑轮，滑轮绳的一端与试样夹具相连，并使得滑轮绳被拉紧后其方向为沿着重力方向的竖直方向；滑轮绳的另一端与驱动物体相连，驱动物体位于管筒的外部，并使得滑轮绳被拉紧后其方向为沿着重力方向的竖直方向；
所述驱动物体为一带有力传感器的重物块，所述力传感器用于实时测量反馈当前驱动物体对滑轮绳的拉力大小；驱动物体能够提供设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式或设定牵引速度曲线方式这三种工作方式；
所述拍摄记录单元为高速摄像机，安装放置于管筒外，使其调整焦距后能够清晰拍摄试样被滑块带动沿重力方向从底部向上的竖直运动过程。
优选的，在管筒的外壁上，竖直黏贴有透明标尺，并与导轨滑块机构中的导轨位置对应；所述透明标尺的尺度范围至少包含所述导轨滑块机构中的导轨长度。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明实现了表面微结构的流体减阻效应的精确测试，可以测试不同表面微结构的试样在不同流体环境工况下，处于不同设定驱动能耗、设定牵引驱动力、设定牵引速度曲线时的流体减阻效应，既可以通过对比多个有不同表面微结构的试样在相同工况下的总耗时平均值、速度-时间变化平均值曲线、牵引力-时间变化平均值曲线，获得不同表面微结构对流体减阻的效应，还可以通过对比同一个具有特定表面微结构的试样在不同工况下的总耗时平均值、速度-时间变化平均值曲线、牵引力-时间变化平均值曲线，获得该表面微结构在不同工况下对流体减阻的效应。
2、本发明巧妙利用了滑轮连接竖直安装的驱动重物块和导轨滑块，使得驱动力来自于驱动物体的自重力效应，试样被牵引过程中的耗能测算精度极高，调节十分方便，系统简单可靠、成本低；本发明还兼容了采用伺服电机按预先编程设定的牵引驱动力和牵引速度变化曲线牵引驱动物体运动，从而使得可以测试不同表面微结构的试样在不同设定牵引驱动力和牵引速度变化曲线时的流体减阻效应；以上三种牵引工作模式直接模拟了海洋船舶、水下航行器在恒定推力、设定航速及设定变化航速下的真实工况，具有极好的适应性。
3、本发明采用了带有多轴偏转夹片装置的试样夹具，使得试样可以被空间迎流姿态，从而根据不同对比实验的需要，可以模拟横流、纵向流等不同角度来流对试样的近壁面流体阻力影响。
4、本发明采用了循环流道设计，通过叶轮机以提供不同的流体速度，并由温控器和加热管协调工作控制流体温度，可以构造出具有设定雷诺数的流体状态，提供了丰富的测试工况条件；而且，此功能在结构上的实现非常简单、可靠，制造成本低，拆装、维修十分简易。
5、本发明采用了高速摄像机拍摄和驱动物体端力传感器作为非接触式、非侵入式数据获取手段，相比在试样表面贴片传感器等传统方式，数据获取客观、真实可靠，并且高速摄像机的高频率图像取样特点，使得分析试样在运动过程中的实时反应成为可能，即可以通过视频图像处理软件分析试样随时间的空间位置变化，计算得到试样在运动行程中的总耗时及速度-时间变化曲线；通过分析力传感器所反馈的试样在运动行程中所受实时牵引力数值，获得牵引力-时间变化曲线；这些丰富的测试数据都是传统方法无法获得的信息。
6、本发明满足了新兴表面微结构减阻技术的测试需要，具有高图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力，物理原理简单清楚，适用性好，操作简单。
7、本发明可以模拟各种液体环境，对盐度、温度、浑浊度等单一或混合因素的影响做研究；可以对不同方法作出的微观结构表面比如超疏水表面在液体环境中的持久度、防腐性、表面附着能力做研究，是表面微结构的流体减阻效应测试的有效监测装置。
附图说明
图1为本发明所述表面微结构的流体减阻效应测试装置的结构图。
图2为流体减阻效应测试方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计；下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种表面微结构的流体减阻效应测试装置，包括环境模拟单元、运动控制单元和拍摄记录单元。
所述环境模拟单元包括管筒10、叶轮机15、隔板16、加热管14、温控器18和和外置控制器。
所述管筒10为一端开口、一端封闭的内空容器，沿重力方向竖直放置，内部注满液体，所述液体为水、海水或有机溶液等；管筒10的内空横截面形状可以为圆、矩形、多边形及不规则形状，要求不妨定义管筒10的放置重力方向为管筒10的轴向，与轴向垂直的方向为管筒10的径向(即管筒10的横截面方向)；管筒10可以整体由透明材料制成或者整体由不透明材料制成但其壁面沿轴向设有透明材料制成的观察窗，以供拍摄记录单元透过其壁面拍摄记录试样在管筒10内的运动过程。
所述隔板16设置于管筒10内空的中部，为一平板，其两个侧边与管筒10的内壁采用缝焊、粘接等方式进行密封性固定连接，且将管筒10的内空横截面平均分为两部分，隔板16的上、下边与管筒10的上开口端、下封闭端留有间隔，即当管筒10注满测试液体后，隔板16浸没于测试液体中，隔板16的上、下边与上、下液面之间有间隔，测试液体构成一个循环系统。
所述加热管14设置于管筒10内空中被隔板16分隔开的某一边，紧贴管筒10的内壁沿轴向竖直放置，实验时需淹没于测试液体环境中，加热管14自身带有测温传感器，与置于管筒10外部的温控器18通过导线19电连接，如此设置使得加热管14与温控器18联合构成闭环温控系统，用于控制管筒10内测试液体的温度。
所述叶轮机15放置于管筒10的底部，通过电缆与之相连的外置控制器对其电机转速进行精确调节，以控制流体流速制造不同的流体状态。
所述运动控制单元包括导轨滑块机构8、试样夹具12、滑轮4、滑轮绳5和驱动物体6。
所述导轨滑块机构8设置于管筒10内部空腔中被隔板16分隔开的与加热管14相对的另一边(可透明观察的一边)。所述导轨滑块机构8包括一导轨和一滑块，所述导轨紧贴管筒10的内壁沿轴向竖直布置并与管筒10的壁面固定，导轨上下两端均设置有限位块；所述滑块可沿重力方向竖直上下运动，要求滑块的运动过程可被拍摄记录单元透过管筒10壁面拍摄记录。
所述试样夹具12为至少带有两个旋转自由度的多轴偏转夹片装置，其中一个旋转中心轴(不妨称为Z轴)沿管筒10轴向，另一个旋转中心轴(不妨称为X轴)沿管筒10的任意一个径向，优选的还可以设置沿管筒10某径向的第三个旋转中心轴(不妨称为Y轴)且与X轴、Z轴垂直，如此设置使得试样13可以被固定安装在双轴偏转夹片装置上，且可以通过Z轴、X轴(以及Y轴)配合调节试样13的空间姿态；试样夹具12与导轨滑块机构8的滑块固定，从而根据不同对比实验的需要，可以模拟横流、纵向流等不同角度来流对试样13的近壁面流体阻力影响。
所述滑轮4固定安装在管筒10的顶端，滑轮绳5绕过滑轮4，滑轮绳5的一端与试样夹具12相连，并使得滑轮绳5被拉紧后其方向为沿着重力方向的竖直方向；滑轮绳5的另一端与驱动物体6相连，驱动物体6位于管筒10的外部，并使得滑轮绳5被拉紧后其方向为沿着重力方向的竖直方向。
所述驱动物体6为一带有力传感器的重物块，力传感器可以实时测量反馈当前驱动物体6对滑轮绳5的拉力大小；驱动物体6可以提供设定驱动能耗、设定牵引驱动力、设定牵引速度曲线三种工作方式，其中设定驱动能耗方式是指通过改变重物块的质量来调节其重力势能的大小，要求重物块能够带动滑块(其上固定有安装了试样的试样夹具)从导轨底部上升至顶部；设定牵引驱动力和设定牵引速度曲线方式则由外部带有动态拉力仪的闭环控制伺服电机驱动系统拉动重物块沿重力方向以任一预先编程设定的牵引驱动力或牵引速度变化曲线向下运动，从而带动滑块(其上固定有安装了试样的试样夹具)从导轨底部上升至顶部。
优选的，在管筒10的外壁上，竖直黏贴有透明标尺7，并与导轨滑块机构8中的导轨位置对应；所述透明标尺7的尺度范围至少包含所述导轨滑块机构8中的导轨长度。
所述拍摄记录单元为高速摄像机3，安装在支架2上，放置于管筒10外一定距离，使其调整焦距后可以清晰拍摄试样被滑块带动沿重力方向从底部向上的竖直运动过程，通过视频图像处理软件，可以分析试样随时间的空间位置变化，从而计算得到试样在固定行程(即导轨长度)运动行程中的总耗时及速度变化曲线。
优选的，在管筒10的外部或内壁，可以设置有照明光源，用于照亮管筒10内壁安装的导轨滑块及试样，使得拍摄记录单元能够清晰拍摄记录试样在管筒10内的运动过程。
本发明还提供给了一种基于上述表面微结构的流体减阻效应测试装置的流体减阻效应测试方法，如图2所示，具体包括如下步骤：
(1)准备多个试样13；所述试样13为具有表面微结构(图形化排布的沟槽、脊形、微柱或微孔等)的平面或曲面形状样品，试样13上设置有可被固定装夹的夹持部位；优选的，可以准备一个表面未经处理即没有微结构的试样作为原始对照试样；
(2)装夹试样13；任取一个试样13，将其固定夹持在流体减阻效应测试装置中与导轨滑块机构8的滑块固定的试样夹具12上，并根据工况需要，通过试样夹具12的多轴偏转夹片装置调节试样13的空间姿态，以模拟横流、纵向流等不同角度来流对试样13的近壁面流体阻力影响；
(3)测试初始条件设置，包括：
(3.1)设置拍摄记录单元即高速摄像机3，将其安装在支架2上，放置于管筒10外一定距离，使其调整焦距后可以清晰拍摄试样被滑块带动沿重力方向从底部向上的竖直运动过程；
(3.2)设置试样驱动力，即设置驱动物体6的工作方式，使其可以按设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式或设定牵引速度曲线方式这三种方式之一运行；
当采用设定驱动能耗时，试样的驱动力来自驱动物体6的自身重力，启动驱动物体6初期，驱动力远大于流体阻力，驱动物体6、试样夹具、试样及滑块8均做加速运动，此时滑绳2上的拉力远大于流体阻力，同时拉力也远小于驱动力，随着试样的速度不断增加，流体阻力和滑轮绳上的拉力不断增大，而整个系统的加速度却不断减小，若加速距离(即导轨的工作长度)足够，则试样的速度可达到最大值(之后作匀速运动)，最终滑块以及试样从导轨底部上升至顶部；
当采用设定牵引驱动力或设定牵引速度曲线方式时，需要利用外部带有动态拉力仪的闭环控制伺服电机驱动系统拉动驱动物体6沿重力方向以任一预先编程设定的牵引驱动力或牵引速度变化曲线向下运动，从而带动滑块8(其上固定有安装了试样的试样夹具12)从导轨底部上升至顶部。
(3.3)测试环境设置；根据实验需要模拟的工况，使管筒10内加注测试液体(淡水、海水、悬浊液、有机溶剂等)，使叶轮机15按照设定的转速运行以提供不同的流体速度，并由温控器18和加热管14协调工作控制流体温度，构造出具有设定雷诺数的流体状态；
以上(3.1)至(3.3)步骤的先后顺序可以任意调整；
(4)使滑块初始位于导轨底部；
(5)启动高速摄像机3开始拍摄，即记录滑块的测试初始位置；
(6)启动驱动物体6，使其可以按设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式或设定牵引速度曲线方式这三种方式之一工作，带动滑块(其上固定有安装了试样的试样夹具)从导轨底部上升至顶部；全程记录驱动物体6所带力传感器所反馈的实时牵引力数值；
(7)记录滑块的测试结束位置，之后停止高速摄像机3的拍摄；
(8)测试数据处理和分析，包括如下：
(8.1)通过视频图像处理软件，分析高速摄像机3拍摄的试样运动过程，即分析试样随时间的空间位置变化，精确计算出试样在固定行程(即导轨长度)中的任意测试位置的速度、加速度、动能数值，亦即总耗时、速度-时间变化曲线、加速度-时间变化曲线、动能-时间变化曲线；
(8.2)根据驱动物体6的力传感器实时反馈当前驱动物体6提供的牵引拉力数值，得到试样随时间变化的牵引驱动力数值，亦即牵引力-时间变化曲线；
(9)重复执行步骤(4)～(8)N次，获得试样13的重复N次测试结果，以计算试样在固定行程(即导轨长度)运动过程中的总耗时平均值、速度-时间变化平均值曲线、牵引力-时间变化平均值曲线；N为预先设定的大于1的任意整数；
(10)对所有其他未测试的试样，重复执行步骤(2)～(9)，直至完成所有试样13的测试；
(11)通过分析步骤(1)～(10)得到的多组数据，得到同一试样13以及不同试样13在不同流体环境、不同迎流姿态工况下，处于不同设定恒定驱动力、驱动功耗或设定速度变化曲线时的流体减阻效应。
具体包括：
(11.1)针对设定驱动能耗工作方式，由于试样13的驱动能量由驱动物体6的自身重力势能(根据驱动物体6的质量和运动距离即可精确计算)提供，通过对比步骤(8)、(9)获得的试样13随时间变化的动能、速度、加速度、牵引驱动力，可以获得同一个试样13或不同试样13在多种流体环境、多种迎流姿态工况下，在相同驱动能耗下(忽略系统各部件在多次测试过程的风阻差异)克服表面流体阻力所获得的速度、动能，获得相同速度、动能所需要的驱动能耗，以及通过考察实验样品的牵引驱动力动态波动来获得此运动过程中表面流体阻力的动态波动情况；
(11.2)针对设定牵引驱动力或设定牵引速度曲线工作方式，通过对比步骤(8)、(9)获得的试样13随时间变化的动能、速度、加速度、牵引驱动力，可以获得同一个实验样品或不同实验样品在多种流体环境、多种迎流姿态工况下，在任意设定牵引驱动力获得的速度、动能，在任意设定牵引速度下所需的牵引驱动力，从而相对比较同一个实验样品或不同实验样品在多种流体环境、多种迎流姿态工况下的表面流体阻力大小。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。
Claims (2)
1.一种表面微结构的流体减阻效应测试装置，其特征在于，包括环境模拟单元、运动控制单元和拍摄记录单元；
所述环境模拟单元包括管筒(10)、叶轮机(15)、隔板(16)、加热管(14)、温控器(18)和外置控制器；
所述管筒(10)为一端开口、一端封闭的内空容器，沿重力方向竖直放置，内部注满测试液体；管筒(10)整体由透明材料制成或者其壁面沿轴向设有透明材料制成的观察窗；
所述隔板(16)为一平板，竖直设置于管筒(10)内部，隔板(16)的两个侧边与管筒(10)的内壁为密封性固定连接，隔板(16)将管筒(10)的横截面平均分为两部分；隔板(16)的上、下边与管筒(10)的上开口端、下封闭端均留有间隔，使得当管筒(10)注满测试液体后，隔板(16)浸没于测试液体中，测试液体构成一个循环系统；
所述加热管(14)紧贴管筒(10)的内壁沿轴向竖直放置于管筒(10)内，且淹没于测试液体内，加热管(14)自身带有测温传感器，与置于管筒(10)外部的温控器(18)通过导线(19)电连接；
所述叶轮机(15)放置于管筒(10)的底部，通过电缆与之相连的外置控制器对其电机转速进行精确调节，以控制流体流速制造不同的流体状态；
所述运动控制单元包括导轨滑块机构(8)、试样夹具(12)、滑轮(4)、滑轮绳(5)和驱动物体(6)；
所述导轨滑块机构(8)设置于管筒(10)内部空腔中能够透明观察的一边，且与加热管(14)分别位于隔板(16)的两侧；所述导轨滑块机构(8)包括一导轨和一滑块，所述导轨紧贴管筒(10)的内壁沿轴向竖直布置并与管筒(10)的壁面固定，导轨上下两端均设置有限位块；所述滑块能够沿重力方向竖直上下运动，且要求滑块的运动过程可被拍摄记录单元透过管筒(10)壁面拍摄记录；
所述试样夹具(12)至少具有两个旋转自由度，其中一个旋转中心轴沿管筒(10)轴向，另一个旋转中心轴沿管筒(10)的任意一个径向；所述试样夹具(12)用于安装固定试样(13)，且能够通过两个旋转中心轴的配合调节试样(13)的空间姿态；所述试样夹具(12)与导轨滑块机构(8)的滑块固定；
所述滑轮(4)固定安装在管筒(10)的顶端，滑轮绳(5)绕过滑轮(4)，滑轮绳(5)的一端与试样夹具(12)相连，并使得滑轮绳(5)被拉紧后其方向为沿着重力方向的竖直方向；滑轮绳(5)的另一端与驱动物体(6)相连，驱动物体(6)位于管筒(10)的外部，并使得滑轮绳(5)被拉紧后其方向为沿着重力方向的竖直方向；
所述驱动物体(6)为一带有力传感器的重物块，所述力传感器用于实时测量反馈当前驱动物体(6)对滑轮绳(5)的拉力大小；驱动物体(6)能够提供设定驱动能耗、设定牵引驱动力和设定牵引速度曲线三种工作方式；
所述拍摄记录单元为高速摄像机(3)，安装放置于管筒(10)外，使其调整焦距后能够清晰拍摄试样被滑块带动沿重力方向从底部向上的竖直运动过程。
2.根据权利要求1所述的表面微结构的流体减阻效应测试装置，其特征在于，在管筒(10)的外壁上，竖直黏贴有透明标尺(7)，并与导轨滑块机构(8)中的导轨位置对应；所述透明标尺(7)的尺度范围至少包含所述导轨滑块机构(8)中的导轨长度。
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