CN108982059B - 一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置及模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置及模拟装置，所述测试装置包括：壳体，具有进水端、出水端和试验腔，并且进水端、出水端均与试验腔连通；直线驱动装置，包括驱动电机、滚珠丝杆副组件以及推动部件；弹性变形壁面调节装置，设置在壳体的试验腔内；测量装置，设置在位于下游末端的支撑组件与壳体侧壁之间；所述模拟装置包括包括变形壁面流体摩擦阻力测试装置、进水管路系统、出水管路系统、抽水装置以及储水装置。本发明的有益效果是：本装置不需要更换表面即可形成不同弯曲变形程度的壁面，降低了试验成本，节约了操作时间，调节过程简单；可以调节变形程度的壁面减阻效果测试装置，通过调节弹簧压缩长度控制变形壁面弯曲变形程度，操作方便。

Description

一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置及模拟装置

技术领域

本发明涉及一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置及模拟装置。

背景技术

湍流减阻一直是国内外学者研究的热点问题，通过对海豚游动中的减阻现象的研究，发现其表皮会发生变形，能够减小阻力。目前对于变形壁面的研究大多依靠数值模拟和模型试验。数值模拟通过在控制器上建模分析，成本低，因此应用广泛。但由于变形壁面相较平面结构更复杂，仅依靠模拟难以得到准确的结果，仍需要通过试验平台验证结果的正确性。目前用于测试变形壁面流体摩擦阻力的装置在测试不同波形的壁面时大多需要更换试验表面。因此研发设计一台操作方便，壁面变形可调的小型测试装置对于变形壁面减阻效果的研究具有一定的积极意义。

发明内容

为了解决目前测试不同波形壁面更换待测壁面模型的问题，本发明提出了一种可以调节变形程度的壁面减阻效果测试装置，通过调节弹簧压缩长度控制变形壁面弯曲变形程度，操作方便。

本发明所述的一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置，其特征在于，包括：

壳体，具有进水端、出水端和试验腔，并且进水端、出水端均与试验腔连通；

直线驱动装置，包括驱动电机、滚珠丝杆副组件以及推动部件，其中驱动电机的输出轴与滚珠丝杆副组件的丝杆一端相连，用于将旋转驱动力转换为壳体轴向直线往复运动；推动部件安装在滚珠丝杆副上的滑动件相连，其推动端密封贯穿壳体后与弹性变形壁面调节装置的推动面接触，用于推动壳体内的弹性变形壁面调节装置运动；

弹性变形壁面调节装置，设置在壳体的试验腔内，包括用于产生波形面的弹性表面、用于使水流平稳地从平面流动过渡到波形面流动的刚性平面组件和用于调整弹性表面的弯曲程度的支撑组件，弹性表面设置在支撑组件的顶部，且弹性表面的上下两端面均与壳体的上下壁面间留有供水流过的通道；所述刚性平面组件设置在试验腔的进水端，其中一端面与伸入壳体内的推动部推动端接触，另一端面通过螺纹连接杆与支撑组件上游端相连；所述刚性平面组件、支撑组件均与壳体试验腔底面滑动连接；

测量装置，设置在位于下游末端的支撑组件与壳体侧壁之间，用于测量壳体内通水前后阻力变化。

滚珠丝杆副组件包括支撑台、丝杆和滑台，其中丝杆沿壳体轴向水平架设在支撑台上，并保持丝杆与支撑台转动连接，使得丝杆可绕其自身中心轴周向旋转；丝杆一端与驱动电机的输出轴相连，丝杆上套接与其螺纹连接的滑台，用于将丝杆的周向旋转转换成滑台沿丝杆轴向的直线运动；滑台上安装用于推动刚性平面组件移动的推动部件；推动部件包括推杆、推杆固定块以及紧固螺母，所述推杆固定块与滑台固接，推杆一端通过紧固螺母水平安装在推杆固定块上，另一端从壳体试验腔侧壁的通孔穿入后与作为推动面的刚性平面组件接触。

刚性平面组件包括刚性平面、螺纹连接杆、第一支撑板以及第一滚轮组件，所述刚性平面前后两端分别架装在第一支撑板的顶端、相邻支撑组件的顶端，并保持刚性平面沿壳体轴向水平布置；第一支撑板的底端设有用于与试验腔底面滑动连接的滚轮组件；第一支撑板与壳体中心轴垂直，并且第一支撑板与相邻的支撑组件之间通过螺纹连接杆平行相连。

所述支撑组件包括移动支撑板组件、调节组件、弹簧以及第二滚轮组件，移动支撑板组件沿壳体轴向间隔排布，并保持第二支撑板与壳体中心轴垂直；位于试验腔上游进水端的移动支撑板组件顶端与第一支撑板顶端水平铺装一块刚性表面，位于试验腔下游出水端的移动支撑板组件与试验腔下游出水端侧壁之间增设测试装置，而相邻两移动支撑板组件的板面之间设置一套调节组件和弹簧，移动支撑板组件底部与试验腔底面滑动连接，且相邻两移动支撑板组件顶端水平铺设一块弹性表面，弹性表面、刚性平面位于同一水平面上，形成用于安装非光滑表面的安装面，且弹性表面的下端面与对应的调节组件顶端相连，调节组件的调节端分别与同侧的移动支撑板组件相连，从而通过控制调节组件两端的调节端以控制弹性表面的变形；所述弹簧的两端分别与相邻两移动支撑板组件相连。

所述移动支撑板组件包括第二支撑板、弹簧底座和第二滚轮组件，所述第二支撑板单侧或两侧固装用于连接弹簧端部的弹簧底座；第二支撑板底部配装用于与试验腔底面滑动连接的第二滚轮组件，相邻两第二支撑板顶端铺装一水平设置弹性表面。

所述调节组件包括第一铰链底座、第二铰链底座、第一铰链杆、第二铰链杆以及T型杆，所述第一铰链底座、第二铰链底座分别安装在相邻两第二支撑板相对的表面，第一铰链杆一端与第一铰链底座铰接，另一端与T型杆的底端铰接；第二铰链杆一端与第二铰链底座铰接，另一端与T型杆的底端铰接，T型杆的顶端横杆与弹性表面的下端面中心处固接。

所述测量装置包括压力传感器和传感器连接件，所述压力传感器为圆柱体型结构，压力传感器末端固定在壳体试验腔下游出水端侧壁上；压力传感器头端通过传感器连接件与位于试验腔下游出水端的第二支撑板固接，并保持压力传感器的轴心位置与推杆、弹簧底座在同一轴线上，压力传感器的电线穿过壳体的电线孔，电线孔的两侧用硅酮密封胶作密封处理。

所述第一滚轮组件和第二滚轮组件的结构一致，包括滚轮架、开槽圆柱头螺钉、带孔销轴以及滚轮，所述滚轮架通过开槽圆柱头螺钉安装在第一支撑板或第二支撑板底部；每个U型滚轮架安装滚轮；滚轮沿设置在壳体试验腔底面上的轴线导轨滚动。

壳体为方管结构，前后两端上部分有突出方管结构分别为进水端和出水端；壳体两侧开有观察窗口，通过壳体螺钉固接透明的观察窗板；壳体的试验腔上游进水端壁面开有推杆孔，与推杆间隙配合，推杆孔的内壁一侧配有密封组件，实现推杆与推杆孔之间的密封。

刚性平面组件的前端配有倒L型挡板，弹性变形壁面调节装置的后端配有同样配有倒L型挡板，倒L型挡板的竖直部分与壳体固接，挡板水平部分的上平面与壳体突出方管的内壁在同一水平面上，进口处倒L型进口挡板下平面与刚性平面接触。

一种利用本发明所述的一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置构建的模拟装置，其特征在于：包括变形壁面流体摩擦阻力测试装置、进水管路系统、出水管路系统、抽水装置以及储水装置，所述变形壁面流体摩擦阻力测试装置的进水端和出水端分别与进水管路系统的出水口、出水管路系统的进水口管路连通，并保持变形壁面流体摩擦阻力测试装置的壳体水平布置；所述进水管路系统的进水口与抽水装置的出水口管路连通，抽水装置的抽水端、所述出水管路系统的出水口均连通至储水装置内，形成封闭的循环水路；所述进水管路系统的进水口处设有可供抽水装置的抽水端插入的抽水孔，用于将储水装置内的水依次抽入进水管路系统、变形壁面流体摩擦阻力测试装置、出水管路系统后回至储水装置内，形成一封闭的循环水路。

所述抽水装置包括变频调速式的电机和水泵，所述水泵的驱动端与所述电机的输出轴相连，水泵的抽水端引入储水装置内，出水端与进水管路系统的进水口管路连通；所述进水管路系统包括进口接管、进水弯管、稳定段接管以及收缩段接管，进口接管、进水弯管、稳定段接管、收缩段接管顺次相连形成一条封闭的进水流路，各接管之间通过接口法兰密封固定，并通过进水管支撑架架装在储水装置的盖板上；进水接管的进水端与水泵的出水端管路连通，其中稳定段接管、收缩段接管水平布置且二者与变形壁面流体摩擦阻力测试装置的壳体同轴布置，收缩段接管的大端与稳定段接管出水端连通，收缩段接管的小端与变形壁面流体摩擦阻力测试装置的进口端管路连通；所述出水管路系统包括扩散段接管、回流段弯管和出水接管，扩散段接管、回流段弯管和出水接管顺次连通形成一条封闭的出水流路，并通过出水管支撑架以及肋板架装在储水装置的盖板上，扩散段接管与仿生非光滑表面减阻测试装置同轴布置，出水接管垂直布置，扩散段接管小端进水端与变形壁面流体摩擦阻力测试装置的出水端管路连通，扩散段接管大端出水端与回流段弯管进水端连通，回流段弯管出水端与出水接管进水端管路连通，而出水接管的出水端引至储水装置内。

电机为变频式调速电机，用于调节管路中的水流流速。

本发明的目的是这样实现的：水泵的进水口和出水管段的出水口都在储水装置中，形成一个循环水路装置。采用变频调速电机调节管路中的水流流速，在弹性变形壁面调节装置前设置刚性平面组件使流动平稳，在刚性平面组件前设置挡板避免水流直接冲击支撑板，使水流经壳体时阻力只作用于变形壁面的上表面，提高测量的准确性。

本发明的变形壁面的弯曲程度可以定量调节，通过滑台控制推杆推动移动支撑板组件向右压缩弹簧的长度，从而控制铰链结构转动的角度，从而控制套在带孔销轴上的T形杆向上或向下运动的距离，继而控制了变形壁面的弯曲程度。本装置不需要更换表面即可形成不同弯曲变形程度的壁面，降低了试验成本，节约了操作时间，调节过程简单。将向上与向下弯曲的壁面组合到一起，形成了一个完整周期的正弦型弯曲表面。若干个周期的正弦型弯曲表面形成了一个完整的波形表面。压力传感器与推杆、弹簧底座位于同一轴线上，提高了测量的准确性。压力传感器通过缆线将结果反馈给控制器。

本测试装置的试验为对照试验，首先直线驱动装置不运动，电机带动水泵工作，此时压力传感器测得压力值对应水平壁面所受的流体阻力。当电机与水泵不工作时，直线驱动装置运动，使弹性表面发生弯曲变形，此时压力传感器上测得压力值对应直线驱动装置施加的推力；再通过电机带动水泵工作，此时压力传感器上测得压力值为推力与水流阻力之和，相减得到波浪形壁面所受的流体阻力。将两次试验的流体阻力进行比较即可得到变形壁面的减阻效果。同样此装置也可以比较不同变形程度壁面的减阻效果。另外通过在变形壁面上贴敷不同结构的减阻表面，可以得到不同减阻结构与不同弯曲变形程度因素耦合的减阻效果。

本发明的有益效果是：本装置不需要更换表面即可形成不同弯曲变形程度的壁面，降低了试验成本，节约了操作时间，调节过程简单；可以调节变形程度的壁面减阻效果测试装置，通过调节弹簧压缩长度控制变形壁面弯曲变形程度，操作方便。

附图说明

图1本发明专利的整体水路循环结构图；

图2本发明专利的试验管段结构图；

图3本发明专利的试验段左视图；

图4本发明专利的弹性变形壁面组件结构图；

图5本发明专利的铰链机构结构图；

图6本发明专利的滚轮架结构图；

图7本发明专利的直线滑台组件结构图；

图8本发明专利的密封装置结构图；

图9本发明专利的测量组件结构图；

图10为图2的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置9，包括：

壳体91，具有进水端、出水端和试验腔，并且进水端、出水端均与试验腔连通；

直线驱动装置8，包括驱动电机86、滚珠丝杆副组件81以及推动部件87，其中驱动电机86的输出轴与滚珠丝杆副组件81的丝杆一端相连，用于将旋转驱动力转换为壳体轴向直线往复运动；推动部件87安装在滚珠丝杆副81上的滑动件相连，其推动端密封贯穿壳体91后与弹性变形壁面调节装置93的推动面接触，用于推动壳体内的弹性变形壁面调节装置运动；

弹性变形壁面调节装置93，设置在壳体91的试验腔内，包括用于产生波形面的弹性表面931、用于使水流平稳地从平面流动过渡到波形面流动的刚性平面组件92和用于调整弹性表面的弯曲程度的支撑组件99，弹性表面931设置在支撑组件的顶部，且弹性表面931的上下两端面均与壳体91的上下壁面间留有供水流过的通道；所述刚性平面组件92设置在试验腔的进水端，其中一端面与伸入壳体内的推动部推动端接触，另一端面通过螺纹连接杆与支撑组件上游端相连；所述刚性平面组件、支撑组件均与壳体试验腔底面滑动连接；

测量装置95，设置在位于下游末端的支撑组件99与壳体91侧壁之间，用于测量壳体内通水前后阻力变化。

滚珠丝杆副组件81包括支撑台10、丝杆811和滑台812，其中丝杆811沿壳体轴向水平架设在支撑台10上，并保持丝杆811与支撑台10转动连接，使得丝杆811可绕其自身中心轴周向旋转；丝杆811一端与驱动电机86的输出轴相连，丝杆811上套接与其螺纹连接的滑台812，用于将丝杆811的周向旋转转换成滑台沿丝杆轴向的直线运动；滑台812上安装用于推动刚性平面组件92移动的推动部件87；推动部件87包括推杆85、推杆固定块84以及紧固螺母83，所述推杆固定块84与滑台812固接，推杆85一端通过紧固螺母83水平安装在推杆固定块上，另一端从壳体91试验腔侧壁的通孔穿入后与作为推动面的刚性平面组件92接触，以作为可以推动弹性变形壁面调节装置93压缩的推动力。

刚性平面组件92包括刚性平面922、螺纹连接杆921、第一支撑板924以及第一滚轮组件925，所述刚性平面922前后两端分别架装在第一支撑板924的顶端、相邻支撑组件的顶端，并保持刚性平面沿壳体轴向水平布置；第一支撑板的底端设有用于与试验腔底面滑动连接的第一滚轮组件925；第一支撑板924与壳体91中心轴垂直，并且第一支撑板924与相邻的支撑组件之间通过螺纹连接杆921平行相连。

所述支撑组件99包括移动支撑板组件933、调节组件932以及弹簧，移动支撑板组件933沿壳体91轴向垂直间隔排布，并保持移动支撑板组件933的板体与壳体中心轴垂直；位于试验腔上游进水端的移动支撑板组件933顶端与第一支撑板924顶端水平铺装一块刚性表面922，位于试验腔下游出水端的移动支撑板组件与试验腔下游出水端侧壁之间增设测试装置95，而相邻两移动支撑板组件的板面之间设置一套调节组件和弹簧9333，移动支撑板组件底部与试验腔底面滑动连接，且相邻两移动支撑板组件顶端水平铺设一块弹性表面931，弹性表面931、刚性平面922位于同一水平面上，形成用于安装非光滑表面的安装面，且弹性表面931的下端面与对应的调节组件932顶端相连，调节组件932的调节端分别与同侧的移动支撑板组件相连，从而通过控制调节组件932两端的调节端以控制弹性表面的变形；所述弹簧9333的两端分别与相邻两移动支撑板组件相连。

所述移动支撑板组件933包括第二支撑板9331、弹簧底座9332和第二滚轮组件934，所述第二支撑板9331单侧或两侧固装用于连接弹簧端部的弹簧底座9332；第二支撑板9331底部配装用于与试验腔底面滑动连接的第二滚轮组件934，相邻两第二支撑板9331顶端铺装一水平设置弹性表面931。

所述调节组件932包括第一铰链底座9328、第二铰链底座9326、第一铰链杆9323、第二铰链杆9322以及T型杆9325，所述第一铰链底座9328、第二铰链底座9326分别安装在相邻两第二支撑板9331相对的表面，第一铰链杆9323一端与第一铰链底座9326铰接，另一端与T型杆9325的底端铰接；第二铰链杆9322一端与第二铰链底座9328铰接，另一端与T型杆9325的底端铰接，T型杆9325的顶端横杆与弹性表面931的下端面中心处固接。

所述测量装置95包括压力传感器951和传感器连接件952，所述压力传感器951为圆柱体型结构，压力传感器951末端固定在壳体91试验腔下游出水端侧壁上；压力传感器951头端通过传感器连接件952与位于试验腔下游出水端的第二支撑板9331固接，并保持压力传感器951的轴心位置与推杆85、弹簧底座9332在同一轴线上，压力传感器951的电线穿过壳体91的电线孔，电线孔的两侧用硅酮密封胶作密封处理。

所述第一滚轮组件925和第二滚轮组件934的结构一致，包括滚轮架9335、开槽圆柱头螺钉9334、带孔销轴9336以及滚轮9337，所述滚轮架9335通过开槽圆柱头螺钉9334安装在第一支撑板924或第二支撑板9331底部；每个滚轮架9335安装滚轮9337；滚轮9337沿设置在壳体试验腔底面上的轴线导轨96滚动。

壳体91为方管结构，前后两端上部分有突出方管结构分别为进水端和出水端；壳体91两侧开有观察窗口，通过壳体螺钉固接透明的观察窗板98；壳体的试验腔上游进水端壁面开有推杆孔，与推杆间隙配合，推杆孔的内壁一侧配有密封组件97，实现推杆与推杆孔之间的密封。

刚性平面组件92的前端、弹性变形壁面调节装置93的后端配有倒L型挡板94，倒L型挡板94的竖直部分与壳体91固接，挡板水平部分的上平面与壳体突出方管的内壁在同一水平面上，进口处的倒L型进口挡板下平面与刚性平面接触。

实施例2一种利用实施例1所述的一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置构建的模拟装置，包括变形壁面流体摩擦阻力测试装置9、进水管路系统、出水管路系统、抽水装置以及储水装置，所述变形壁面流体摩擦阻力测试装置的进水端和出水端分别与进水管路系统的出水口、出水管路系统的进水口管路连通，并保持变形壁面流体摩擦阻力测试装置的壳体水平布置；所述进水管路系统的进水口与抽水装置的出水口管路连通，抽水装置的抽水端、所述出水管路系统的出水口均连通至储水装置内，形成封闭的循环水路；所述进水管路系统的进水口处设有可供抽水装置的抽水端插入的抽水孔，用于将储水装置内的水依次抽入进水管路系统、变形壁面流体摩擦阻力测试装置、出水管路系统后回至储水装置内，形成一封闭的循环水路。

所述抽水装置包括变频调速式的电机3和水泵1，所述水泵1的驱动端与所述电机3的输出轴相连，水泵1的抽水端引入储水装置14内，出水端与进水管路系统的进水口管路连通；所述进水管路系统包括进口接管、进水弯管4、稳定段接管5以及收缩段接管6，进口接管、进水弯管4、稳定段接管5、收缩段接管6顺次相连形成一条封闭的进水流路，各接管之间通过接口法兰密封固定，并通过进水管支撑架51架装在储水装置14的盖板上；进水接管的进水端与水泵1的出水端管路连通，其中稳定段接管5、收缩段接管6水平布置且二者与变形壁面流体摩擦阻力测试装置的壳体91同轴布置，收缩段接管的大端与稳定段接管出水端连通，收缩段接管的小端与变形壁面流体摩擦阻力测试装置9的进口端管路连通；所述出水管路系统包括扩散段接管11、回流段弯管12和出水接管13，扩散段接管、回流段弯管12和出水接管13顺次连通形成一条封闭的出水流路，并通过出水管支撑架111以及肋板131架装在储水装置14的盖板上，扩散段接管11与仿生非光滑表面减阻测试装置9同轴布置，出水接管13垂直布置，扩散段接管11小端进水端与变形壁面流体摩擦阻力测试装置9的出水端管路连通，扩散段接管11大端出水端与回流段弯管12进水端连通，回流段弯管12出水端与出水接管13进水端管路连通，而出水接管13的出水端引至储水装置14内。

进水弯管4为30°弯管，而回流段弯管12为90°弯管。

电机为变频式调速电机，用于调节管路中的水流流速。

本发明的目的是这样实现的：水泵1的进水口和出水管接管13的出水口都在储水装置14中，形成一个循环水路装置。采用变频调速电机3调节管路中的水流流速，在弹性变形壁面调节装置前设置刚性平面组件92使流动平稳，在刚性平面组件92前设置挡板94避免水流直接冲击第一支撑板924和第二支撑板9331，使水流经壳体91时阻力只作用于变形壁面的上表面，提高测量的准确性。

本发明的变形壁面的弯曲程度可以定量调节，通过滑台812控制推杆85推动移动支撑板组件933向右压缩弹簧9333的长度，从而控制铰链结构转动的角度，从而控制套在带孔销轴上的T形杆9325向上或向下运动的距离，继而控制了变形壁面的弯曲程度。将向上与向下弯曲的弹性表面931组合到一起，形成了一个完整周期的正弦型弯曲表面。若干个周期的正弦型弯曲表面形成了一个完整的波形表面作为用于贴覆非光滑表面的安装面。压力传感器951与推杆85、弹簧底座9332位于同一轴线上，提高了测量的准确性。压力传感器951通过缆线将结果反馈给控制器。

本测试装置的试验为对照试验，首先直线驱动装置8不运动，电机带动水泵1工作，此时压力传感器95测得压力值对应水平壁面所受的流体阻力。当电机3与水泵1不工作时，直线驱动装置8运动，使弹性表面931发生弯曲变形，此时压力传感器951上测得压力值对应直线驱动装置8施加的推力；再通过电机3带动水泵1工作，此时压力传感器951上测得压力值为推力与水流阻力之和，相减得到波浪形壁面所受的流体阻力。将两次试验的流体阻力进行比较即可得到变形壁面的减阻效果。同样此装置也可以比较不同变形程度壁面的减阻效果。另外通过在变形壁面上贴敷不同结构的减阻表面，可以得到不同减阻结构与不同弯曲变形程度因素耦合的减阻效果。

实施例3结合附图1，利用本发明所述的一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置构建的模拟装置为一循环水路装置，电机3安装于支撑架2的上平台，电机3与水泵1之间通过联轴器31连接，电机3为变频调速电机；水泵1的轴端装有填料33，通过填料压盖32压紧，水泵固定在支撑架2的下平台上；稳定段接管5通过进水管支撑架51支撑；直线驱动装置8与变形壁面流体摩擦阻力测试装置9水平固定在支撑台10上；扩散段接管11通过出水管支撑架111支撑；出水接管13设有肋板131；出水接管13的出水口与水泵1的入水口均位于储水装置14的水平面下，模拟装置形成一个循环水路；进水弯管4为30°弯管，回流段弯管12为90°弯管。电机3采用变频调速电机，调节管路中的水流流速，使试验在合适的流速范围内进行；变形壁面流体摩擦阻力测试装置9固定在支撑台10的架子中，降低运行过程中的振动。

结合附图1与附图2，直线驱动装置8与变形壁面流体摩擦阻力测试装置9中的刚性平面组件92接触，通过直线驱动装置8推动弹性变形壁面调节装置93向右运动，由调节组件932控制弹性表面931变形，测量组件95测得所受的压力值，通过比较通水前后压力传感器951测得的压力差值，得到阻力大小。刚性平面组件92、弹性变形壁面调节装置93与所述的测量组件95从左到右安装在壳体91内。

结合附图2、附图3，弹性变形壁面调节装置93的前端为刚性平面组件92，刚性平面组件92中：螺纹连接杆921的两端加工出外螺纹，第一支撑板924和与之相邻的第二支撑板9331加工出内螺纹，二者通过螺接在内螺纹上的螺纹连接杆921螺纹固接，螺纹连接杆921与弹簧底座9332在同一条轴线上；刚性平面922两侧粘接在第一支撑板924和与之相邻的第二支撑板9331的顶端，并保持刚性平面922水平。在弹性变形壁面组件93前设置刚性平面组件92，可以使水流较平稳地从平面流动过渡到波形面流动。

结合附图2与附图3，壳体91为方管，进出水两端上部分有方管突出，突出部分横截面为矩形。壳体91两侧开有观察窗孔，装有透明的观察窗板98，观察窗板98与壳体91间配有橡胶密封圈983，观察窗板98、橡胶密封圈983与壳体91通过圆柱头开槽螺钉981与密封垫圈982固接，壳体91内的零件通过两侧的观察孔放入，再安装上橡胶密封圈983、观察窗板98，拧上圆柱头开槽螺钉981。

结合附图2与附图3，在壳体91进出口处、出水口处均设置倒L型挡板94，避免水流直接冲击第一支撑板924和与第二支撑板9331，考虑到弹性变形壁面调节装置93在壳体91中的位置是移动的，挡板94的形状设计为倒L型，倒L型挡板94的水平面与刚性平面922上表面接触，保证了第一支撑板924不会受到水流直接冲击。壳体91的内壁宽度略大于第一支撑板924、第二支撑板9331的宽度，减小了水流对第一支撑板924、第二支撑板9331边缘的冲击，同时避免壳体91与第一支撑板924、第二支撑板9331发生刚性接触。两个L型挡板94的安装位置分别在刚性平面组件92前与弹性变形壁面调节装置93后，倒L型挡板94的竖直部分与壳体91通过第一螺栓943、第一密封垫圈942、第一螺母941固接，倒L型挡板94水平部分的上平面与壳体91突出方管的内壁在同一水平面上，试验腔进口处倒L型挡板94下平面与刚性平面922接触。

结合附图4，弹性变形壁面调节装置93包括弹性表面931、刚性平面组件92和支撑组件99，所述支撑组件99包括移动支撑板组件933、调节组件932以及弹簧9333，每个弹性表面931两侧与所述的移动支撑板组件933顶端粘接，每两个移动支撑板933间螺栓安装一组调节组件932，多个弹性表面931与第二支撑板9331顶端粘接形成连续的带状壁面作为用于贴覆非光滑表面的安装面。

结合附图3、附图4和附图6，移动支撑板组件933包括第二支撑板9331、弹簧底座9332以及第二滚轮组件934，所述第二滚轮组件934包括开槽圆柱头螺钉9334、U型滚轮架9335、带孔销轴9336和滚轮9337，第二支撑板9331形状为长方体，弹簧底座9332通过螺栓固装在第二支撑板9331端面上；弹簧9333端部固定在弹簧底座9332的凹槽中；U型滚轮架9335通过开槽圆柱头螺钉9334关于支撑板933中心对称安装在底部的两端；每个U型滚轮架9335安装两个滚轮9337，通过带孔销轴9336连接滚轮9337，且滚轮9337为陶瓷球轴承，安装位置关于U型滚轮架9335中心对称；滚轮导轨96安装于壳体91试验腔底面上，并沿壳体轴向布置，两根滚轮导轨96的两端均与壳体通过第二螺栓961、第二密封垫圈962、第二螺母963固接。

结合附图2、附图3、附图4和附图5，调节组件932包括第一铰链底座9328、第二铰链底座9326、第一铰链杆9323、第二铰链杆9322和T形杆9325，第一铰链底座9328、第二铰链底座9326分别与相邻的第二支撑板9331螺栓固接；第一铰链杆9323的一端与第一铰链底座9328铰接，另一端与T形杆9325通过第一带孔销轴9321铰接；第二铰链杆9322的一端与第二铰链底座9326铰接，另一端与T形杆9325通过第一带孔销轴9321铰接；T形杆9325的上端与弹性表面931粘接，粘接位置在弹性表面931中心线处，下端套在第一带孔销轴9321上；两个定位轴套(9324a、9324b)套在第一带孔销轴9321上，位于第一铰链杆9323和T形杆9325之间，第一带孔销轴9321上依次安装第一个第二铰链杆9322、第一个第一铰链杆9323、第一个定位套筒9324a、T形杆9325、第二个定位套筒9324b、第二个第一铰链杆9322、第二个第二铰链杆9323以及第一螺钉9327。安装时将零件套上后拧入第一螺钉9327定位，防止零件滑出。第一铰链杆9323安装在第二铰链底座9326两端支座的内侧，通过第一带孔销轴9321连接，通过第一螺钉9327定位。第二铰链底座9326安装在第二支撑板9331的定位槽中，螺栓固接。

结合附图2和附图4，弯曲方向不同的弹性表面931粘接的T形杆9325的长度不同，向上弯曲的弹性表面931粘接的T形杆9325为短杆，不变形时调节组件932中第一侧铰链杆9323与第二铰链杆9322呈倒V型；向下弯曲的弹性表面931粘接的T形杆9325为长杆，弹性表面931不变形时调节组件932中第一铰链杆9323与第二铰链杆9322呈V型。调节组件932不受外力作用时，倒V型结构和V型结构的初始夹角相同；受外力作用时两者转动角度相同，从而实现弹性表面931向上弯曲和向下弯曲的程度相同。

结合附图2和附图9，测量组件95包括压力传感器951和传感器连接件952，压力传感器951形状为两端有螺纹伸脚的圆柱体，压力传感器951右端外螺纹与壳体91上开的螺纹孔螺纹连接，伸出壳体外侧螺纹连接第一紧固螺母953，固定压力传感器951；压力传感器951的左端为外螺纹，与传感器连接件952的右端内螺纹螺纹固接；弹性变形壁面调节装置93的支撑板9331开螺纹通孔，传感器连接件952左端外螺纹与最接近壳体出水端的第二支撑板9331螺纹固接，孔的轴心位置与推杆85、弹簧底座9332在同一轴线上，压力传感器951的电线穿过壳体91的电线孔后与控制器信号输入端电连接，电线孔的两侧用硅酮密封胶作密封处理。

结合附图7，直线驱动装置8包括滚珠丝杆直线滑台81、第二螺钉82、第二紧固螺母83、推杆固定块84、推杆85，滚珠丝杆副组件81固定在支撑台10上；推杆固定块84与滚珠丝杆副组件81的滑台812通过第二螺钉82固接；推杆85的左端与推杆固定块84螺纹固接，用第二紧固螺母83紧固，右端与第一支撑板924接触。推杆85与弹簧底座9332的轴线在同一条轴线上。通过滚珠丝杆副组件81做水平运动控制推杆85压缩弹簧9333的距离，从而控制调节组件932中第一铰链杆9323与第二铰链杆9322转动的角度大小，从而控制位于第一带孔销轴9321上的T形杆9325向上或向下的距离，继而控制了弹性表面931的弯曲程度。

结合附图8，壳体91左端开有用于推杆85运动的通孔，壳体91内为水，推杆孔的内壁装有密封组件97，由密封圈轴套971、第三螺栓972、第三密封垫圈973、第三螺母974、O型密封圈975组成。通过第三螺栓972、第三密封垫圈973、第三螺母974将密封圈轴套971与壳体91试验腔进水端螺栓固接，密封圈轴套971配有O型密封圈975。

结合附图10，通过在弹性表面931的上表面贴敷不同减阻结构的非光滑表面923，可以测量不同减阻结构非光滑表面923变形时的减阻效果。刚性平面922与第一支撑板924、弹性表面931与第二支撑板9331、弹性表面931与T形杆9325之间通过ABS胶水粘接。通过改变壁面的弯曲变形程度，此装置还可用于比较不同变形程度壁面的减阻效果，研究减阻结构与弯曲变形因素耦合的减阻效果。

本测试装置的试验为对照试验，当直线驱动装置8不运动，电机3带动水泵1工作时，变形壁面流体摩擦阻力测试装置壳体91中的压力传感器951测得的压力值即弹性表面931水平状态下所受的流体阻力。当水泵1不工作时，直线驱动装置8运动，弹性表面931发生弯曲变形，此时压力传感器951上测得压力值即直线驱动装置8施加的推力，再让电机3带动水泵1工作，此时压力传感器951上测得压力值即直线驱动装置8的推力与水流阻力之和，前后两力相减得到波浪形壁面所受的流体阻力。将两次试验得到的流体阻力进行比较即可得到变形壁面的减阻效果。

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 (7)

1.一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置，其特征在于，包括：

壳体，具有进水端、出水端和试验腔，并且进水端、出水端均与试验腔连通；

直线驱动装置，包括驱动电机、滚珠丝杆副组件以及推动部件，其中驱动电机的输出轴与滚珠丝杆副组件的丝杆一端相连，用于将旋转驱动力转换为壳体轴向直线往复运动；推动部件安装在滚珠丝杆副上的滑动件相连，其推动端密封贯穿壳体后与弹性变形壁面调节装置的推动面接触，用于推动壳体内的弹性变形壁面调节装置运动；

弹性变形壁面调节装置，设置在壳体的试验腔内，包括用于产生波形面的弹性表面、用于使水流平稳地从平面流动过渡到波形面流动的刚性平面组件和用于调整弹性表面的弯曲程度的支撑组件，弹性表面设置在支撑组件的顶部，且弹性表面的上下两端面均与壳体的上下壁面间留有供水流过的通道；所述刚性平面组件设置在试验腔的进水端，其中一端面与伸入壳体内的推动部推动端接触，另一端面通过螺纹连接杆与支撑组件上游端相连；所述刚性平面组件、支撑组件均与壳体试验腔底面滑动连接；所述支撑组件包括移动支撑板组件、调节组件、弹簧，移动支撑板组件沿壳体轴向间隔排布，并保持第二支撑板与壳体中心轴垂直；位于试验腔上游进水端的移动支撑板组件顶端与第一支撑板顶端水平铺装一块刚性表面，位于试验腔下游出水端的移动支撑板组件与试验腔下游出水端侧壁之间增设测试装置，而相邻两移动支撑板组件的板面之间设置一套调节组件和弹簧，移动支撑板组件底部与试验腔底面滑动连接，且相邻两移动支撑板组件顶端水平铺设一块弹性表面，弹性表面、刚性平面位于同一水平面上，形成用于安装非光滑表面的安装面，且弹性表面的下端面与对应的调节组件顶端相连，调节组件的调节端分别与同侧的移动支撑板组件相连，从而通过控制调节组件两端的调节端以控制弹性表面的变形；所述弹簧的两端分别与相邻两移动支撑板组件相连；

测量装置，设置在位于下游末端的支撑组件与壳体侧壁之间，用于测量壳体内通水前后阻力变化；

所述调节组件包括第一铰链底座、第二铰链底座、第一铰链杆、第二铰链杆以及T型杆，所述第一铰链底座、第二铰链底座分别安装在相邻两第二支撑板相对的表面，第一铰链杆一端与第一铰链底座铰接，另一端与T型杆的底端铰接；第二铰链杆一端与第二铰链底座铰接，另一端与T型杆的底端铰接，T型杆的顶端横杆与弹性表面的下端面中心处固接；

所述测量装置包括压力传感器和传感器连接件，所述压力传感器为圆柱体型结构，压力传感器末端固定在壳体试验腔下游出水端侧壁上；压力传感器头端通过传感器连接件与位于试验腔下游出水端的第二支撑板固接，并保持压力传感器的轴心位置与推杆、弹簧底座在同一轴线上，压力传感器的电线穿过壳体的电线孔，电线孔的两侧用硅酮密封胶作密封处理。

2.如权利要求1所述的一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置，其特征在于：滚珠丝杆副组件包括支撑台、丝杆和滑台，其中丝杆沿壳体轴向水平架设在支撑台上，并保持丝杆与支撑台转动连接，使得丝杆可绕其自身中心轴周向旋转；丝杆一端与驱动电机的输出轴相连，丝杆上套接与其螺纹连接的滑台，用于将丝杆的周向旋转转换成滑台沿丝杆轴向的直线运动；滑台上安装用于推动刚性平面组件移动的推动部件；推动部件包括推杆、推杆固定块以及紧固螺母，所述推杆固定块与滑台固接，推杆一端通过紧固螺母水平安装在推杆固定块上，另一端从壳体试验腔侧壁的通孔穿入后与作为推动面的刚性平面组件接触。

3.如权利要求2所述的一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置，其特征在于：刚性平面组件包括刚性平面、螺纹连接杆、第一支撑板以及第一滚轮组件，所述刚性平面前后两端分别架装在第一支撑板的顶端、相邻支撑组件的顶端，并保持刚性平面沿壳体轴向水平布置；第一支撑板的底端设有用于与试验腔底面滑动连接的滚轮组件；第一支撑板与壳体中心轴垂直，并且第一支撑板与相邻的支撑组件之间通过螺纹连接杆平行相连。

4.如权利要求3所述的一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述移动支撑板组件包括第二支撑板、弹簧底座和第二滚轮组件，所述第二支撑板单侧或两侧固装用于连接弹簧端部的弹簧底座；第二支撑板底部配装用于与试验腔底面滑动连接的第二滚轮组件，相邻两第二支撑板顶端铺装一水平设置弹性表面。

5.如权利要求4所述的一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置，其特征在于：所述第一滚轮组件和第二滚轮组件的结构一致，包括滚轮架、开槽圆柱头螺钉、带孔销轴以及滚轮，所述滚轮架通过开槽圆柱头螺钉安装在第一支撑板或第二支撑板底部；每个U型滚轮架安装滚轮；滚轮沿设置在壳体试验腔底面上的轴线导轨滚动。

6.一种利用权利要求1~5任意一项权利要求所述的一种变形壁面流体摩擦阻力测试装置构建的模拟装置，其特征在于：包括变形壁面流体摩擦阻力测试装置、进水管路系统、出水管路系统、抽水装置以及储水装置，所述变形壁面流体摩擦阻力测试装置的进水端和出水端分别与进水管路系统的出水口、出水管路系统的进水口管路连通，并保持变形壁面流体摩擦阻力测试装置的壳体水平布置；所述进水管路系统的进水口与抽水装置的出水口管路连通，抽水装置的抽水端、所述出水管路系统的出水口均连通至储水装置内，形成封闭的循环水路；所述进水管路系统的进水口处设有可供抽水装置的抽水端插入的抽水孔，用于将储水装置内的水依次抽入进水管路系统、变形壁面流体摩擦阻力测试装置、出水管路系统后回至储水装置内，形成一封闭的循环水路。

7.如权利要求6所述的模拟装置，其特征在于：所述抽水装置包括电机和水泵，所述水泵的驱动端与所述电机的输出轴相连，水泵的抽水端引入储水装置内，出水端与进水管路系统的进水口管路连通；所述进水管路系统包括进口接管、进水弯管、稳定段接管以及收缩段接管，进口接管、进水弯管、稳定段接管、收缩段接管顺次相连形成一条封闭的进水流路，各接管之间通过接口法兰密封固定，并通过进水管支撑架架装在储水装置的盖板上；进水接管的进水端与水泵的出水端管路连通，其中稳定段接管、收缩段接管水平布置且二者与变形壁面流体摩擦阻力测试装置的壳体同轴布置，收缩段接管的大端与稳定段接管出水端连通，收缩段接管的小端与变形壁面流体摩擦阻力测试装置的进口端管路连通；所述出水管路系统包括扩散段接管、回流段弯管和出水接管，扩散段接管、回流段弯管和出水接管顺次连通形成一条封闭的出水流路，并通过出水管支撑架以及肋板架装在储水装置的盖板上，扩散段接管与仿生非光滑表面减阻测试装置同轴布置，出水接管垂直布置，扩散段接管小端进水端与变形壁面流体摩擦阻力测试装置的出水端管路连通，扩散段接管大端出水端与回流段弯管进水端连通，回流段弯管出水端与出水接管进水端管路连通，而出水接管的出水端引至储水装置内。