CN109470405A - 柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统 - Google Patents

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    • G01L27/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring fluid pressure
    • G01L27/002—Calibrating, i.e. establishing true relation between transducer output value and value to be measured, zeroing, linearising or span error determination

Abstract

本发明涉及一种柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，包括：水源提供装置(1)，大液面水压动力源(4)，流量精确测量装置(6)和扁平矩形水槽(8)；所述水源提供装置(1)与所述大液面水压动力源(4)通过溢水管道(2)和供水管道(3)连通；所述水源提供装置(1)与所述扁平矩形水槽(8)之间通过出水管道(9)连通。该标定系统能够使柔性热膜剪应力微传感器在流场稳定度极高、流场温度可控、层流流动的水流中进行静态标定。

Description

柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统
技术领域
本发明属于流体力学领域，具体涉及一种柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统。
背景技术
在流体力学领域，流体流过物体表面所产生的剪切应力即为流体壁面剪应力，流体壁面剪应力是研究边界层流动状态的重要物理量，同时也是掌握与控制壁面摩擦阻力的重要依据。在航海等领域，水面舰船、水下航行器的摩擦阻力占总阻力50％-80％，摩阻影响速度、能耗、运载力、机动性等。流体壁面剪应力的研究对先进水中航行器的减阻降噪设计、高机动性能优化设计具有重要意义。此外，在港口、海岸工程领域中，波浪底床壁面剪应力与海岸泥沙起动和输移、传播波高的衰减、防波堤地基稳定等实际问题密切联系，是波浪边界层研究的主要内容之一。
相比于普林斯顿管、双向隔板等传统的剪应力测量装置，柔性热膜剪应力微传感器具有柔性化、几何尺度小、多点阵列、高动态性等特点。流体壁面剪应力的标定是实现该类传感器测量的前提。
因此，设计一种稳定可靠的剪应力发生系统对剪应力微传感器的静态标定具有重要性，以保证量值的准确传递。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本申请提供了一种柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，包括：水源提供装置1，大液面水压动力源4，流量精确测量装置6和扁平矩形水槽8；
水源提供装置1与大液面水压动力源4通过溢水管道2和供水管道3连通；
大液面水压动力源4与流量精确测量装置6连通；
流量精确测量装置6与扁平矩形水槽8连通；
水源提供装置1与扁平矩形水槽8之间通过出水管道9连通。
在一个优选例中，还包括：过滤器5，设置于大液面水压动力源4与流量精确测量装置6之间。
在一个优选例中，还包括：流量调节阀7，设置于流量精确测量装置6与扁平矩形水槽8之间。
在一个优选例中，水源提供装置1包括：水存储容器、水泵和水温控制系统，水存储容器分别连接溢水管道2、供水管道3和出水管道9。
在一个优选例中，水温控制系统包括：加热装置、制冷装置和铂电阻温度计。
在一个优选例中，加热装置是加热棒，制冷装置是制冷机。
在一个优选例中，大液面水压动力源4包括：进水挡板401和溢水挡板402。
在一个优选例中，流量精确测量装置6包括：脉冲计数器和微小椭圆齿轮流量计。
在一个优选例中，扁平矩形水槽8包括：柔性热膜剪应力微传感器801、进水口802、底座803、上盖板804和U型垫片805。
在一个优选例中，上盖板804设置有U型槽。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
由于通过水槽的水流量较小且容易受外界干扰，难以通过水泵、电机等装置供水，本方案采用置于高位的横截面相对较大的储水罐作为供水源，通过水的重力作用产生水动力，储水罐液面较大，溢流装置保证液面高度一定，在较短时间内可忽略液面降低对流速的影响。
进一步地，所述标定系统通过大液面水压动力源和精密阀门保证了水下介质流场极高的稳定度，通过温度控制系统实现了流场温度可控，通过高宽比极小的扁薄矩形水道获得可控的纯槽内剪切流，整个标定系统可以得到精密可控的标准剪应力输入。
进一步地，流体在低雷诺数层流状态下边界层流动平稳，扁平矩形水槽计算剪应力采用泊肃叶流动定律，能够实现精确的剪应力测量。
可以理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施方式和例子)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为本发明实施方式中一种柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统的结构示意图；
图2为本发明实施方式中一种水源提供装置的结构示意图；
图3为本发明实施方式中一种大液面水压动力源的结构示意图；
图4为本发明实施方式中一种大液面水压动力源的立体图；
图5为本发明实施方式中一种流量精确测量装置的结构示意图；
图6为本发明实施方式中一种扁平矩形水槽的结构示意图；
图7为本发明实施方式中一种扁平矩形水槽的正视图；
图8为本发明实施方式中一种扁平矩形水槽的左视图；
图9为本发明实施方式中一种扁平矩形水槽的右视图。
附图标记：
水源提供装置1
溢水管道2
供水管道3
大液面水压动力源4
过滤器5
流量精确测量装置6
流量调节阀7
扁平矩形水槽8
进水挡板401
溢水挡板402
进水口403
溢水出水口404
出水口405
柔性热膜剪应力微传感器801
进水口802
底座803
上盖板804
U型垫片805
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本申请的第一实施方式涉及一种柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，图1为本发明实施方式中一种柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统的结构示意图。如图1所示，该标定系统包括：
水源提供装置1，大液面水压动力源4，流量精确测量装置6和扁平矩形水槽8；
水源提供装置1与大液面水压动力源4通过溢水管道2和供水管道3连通；
大液面水压动力源4与流量精确测量装置6连通；
流量精确测量装置6与扁平矩形水槽8连通；
水源提供装置1与扁平矩形水槽8之间通过出水管道9连通，以使扁平矩形水槽8中的水回流到水源提供装置1中。
在一个实施例中，标定系统还包括：过滤器5，设置于大液面水压动力源4与流量精确测量装置6之间位置。过滤器5用于过滤水中杂质。
在一个实施例中，标定系统还包括：流量调节阀7，设置于流量精确测量装置6与扁平矩形水槽8之间位置。
在一个实施例中，一种水源提供装置如图2所示，水源提供装置1包括：水存储容器、水泵和水温控制系统，水存储容器分别连接溢水管道2、供水管道3和出水管道9。水存储容器与水泵连接，水源提供装置1用于精确提供一定温度的水源。
在一个实施例中，水温控制系统包括：加热装置、制冷装置和铂电阻温度计。优选地，加热装置是加热棒，制冷装置是制冷机。水温控制系统通过加热装置和制冷装置精确控制水温。
在一个实施例中，一种大液面水压动力源如图3和图4所示，大液面水压动力源4包括：进水挡板401，溢水挡板402，用于连通进水管道3的进水口403，用于连通溢水管道2的溢水出水口404，以及设置于较低位置的出水口405。可选地，大液面水压动力源为一定高度的水箱。水从供水管道3流入大液面水压动力源4后，先充满左边的进水挡板401容积，然后水漫过挡板后流入到水箱中。当水充满水箱后，漫过右边的溢流挡板402，从溢流管道2回流到水源提供装置1中。
优选地，大液面水压动力源4是置于高位的横截面相对较大的储水罐，通过水的重力作用产生水动力，并通过溢流装置保证液面高度一定；同时储水罐液面较大，在较短时间内可忽略液面降低对流速的影响。
在一个实施例中，一种流量精确测量装置如图5所示，流量精确测量装置6包括：脉冲计数器和微小椭圆齿轮流量计。该流量精确测量装置6能够精确测量该系统中单位时间内的水流量。
在一个实施例中，一种扁平矩形水槽如图6至图9所示，扁平矩形水槽8包括：多个柔性热膜剪应力微传感器801，进水口802，底座803，上盖板804，多个U型垫片805。优选地，柔性热膜传感器801贴附于扁平矩形水槽8的底部，用于标定流经扁平矩形水槽8中的液体。优选地，所述上盖板804设置有U型槽。优选地，U型垫片805可以是不同高度的U型垫片，以使流体流过的U型槽的高度改变。根据泊肃叶定律，剪应力跟槽道高度正相关，高度改变，单位时间流量相同的情况下剪应力也会随之改变。因此，U型槽配合U型垫片的结构设计可以在流速一定的情况下得到不同量程的剪应力。
在一个实施例中，根据泊肃叶流动，扁平矩形槽道内壁面剪应力计算公式为：其中，μ为水的粘度，Q为单位时间内水的流量，Dh为水力半径；优选地，Dh的计算式为其中，h为矩形槽道横截面的高，w为矩形槽道横截面的宽，A为矩形水道横截面积，A＝h×w，δ(n)为矩形水道形状修正因子，即其中n＝h/w，该修正因子的引入可降低扁薄矩形水道侧壁对中心流速的影响效应。
需要说明的是，在本申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，其特征在于，包括：水源提供装置(1)，大液面水压动力源(4)，流量精确测量装置(6)和扁平矩形水槽(8)；
所述水源提供装置(1)与所述大液面水压动力源(4)通过溢水管道(2)和供水管道(3)连通；
所述大液面水压动力源(4)与所述流量精确测量装置(6)连通；
所述流量精确测量装置(6)与所述扁平矩形水槽(8)连通；
所述水源提供装置(1)与所述扁平矩形水槽(8)之间通过出水管道(9)连通。
2.根据权利要求1所述的柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，其特征在于，还包括：过滤器(5)，设置于大液面水压动力源(4)与流量精确测量装置(6)之间。
3.根据权利要求1所述的柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，其特征在于，还包括：流量调节阀(7)，设置于流量精确测量装置(6)与扁平矩形水槽(8)之间。
4.根据权利要求1所述的柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，其特征在于，所述水源提供装置(1)包括：水存储容器、水泵和水温控制系统，所述水存储容器分别连接所述溢水管道(2)、所述供水管道(3)和所述出水管道(9)。
5.根据权利要求4所述的柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，其特征在于，所述水温控制系统包括：加热装置、制冷装置和铂电阻温度计。
6.根据权利要求5所述的柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，其特征在于，所述加热装置是加热棒，所述制冷装置是制冷机。
7.根据权利要求1所述的柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，其特征在于，所述大液面水压动力源(4)包括：进水挡板(401)和溢水挡板(402)。
8.根据权利要求1所述的柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，其特征在于，流量精确测量装置(6)包括：脉冲计数器和微小椭圆齿轮流量计。
9.根据权利要求1所述的柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，其特征在于，所述扁平矩形水槽(8)包括：柔性热膜剪应力微传感器(801)、进水口(802)、底座(803)、上盖板(804)和U型垫片(805)。
10.根据权利要求1所述的柔性热膜剪应力微传感器水下静态标定系统，其特征在于，所述上盖板(804)设置有U型槽。
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