CN110132837A - 一种用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置及方法，该用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置包括主体框架、测力传感器以及信号采集处理系统；测力传感器是多个，多个测力传感器均布在主体框架的内表面且分别与信号采集处理系统相连；待测平板置于主体框架中；待测平板所在平面与主体框架所在平面平行。本发明可对待测平板的表面摩擦阻力、来流角度、阻力特性进行测量与计算，也可对同步测量装置水平度进行校核，以光滑平板为参照，可精确测量并对比分析出各种流场条件下非光滑平板的表面摩擦阻力特性。

Description

一种用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置及方法

技术领域

本发明属于船舶水动力学技术领域，涉及一种用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置及方法。

技术背景

随着海洋战略成为我国重要发展战略，海上航行器的节能研究成为热点。航行器在水中主要受到三种阻力：压差阻力、兴波阻力和摩擦阻力。而其中摩擦阻力占有很大比例。作为航行器的基本组成单元，搭建一个成本较低、结构简单、准确测量分析平板表面摩擦阻力的实验装置，对减小航行器运行阻力、节约能耗具有一定意义。

现有技术对水下平板流动阻力测量的小型实验装置主要有以下几种：第一种是旋转式的阻力测量实验装置，这类装置是将水流速度转化为旋转运动，但被待测平板不是圆形，易产生压差阻力，影响测试结果；第二种是拖曳式的阻力测量装置，通过拖动平板代替流体流动，形成相对运动；第三种是流道式的阻力测量装置，这类装置设计复杂，水流稳定性不足，且没有考虑流道边框与水流的摩擦对压差的影响，测试结果准确度不高；还有一种是简化式平板测量装置，结构较简单，未充分考虑湍流的稳定性以及支撑与试验件的摩擦问题，影响了测量精度。

而对平板表面摩擦阻力的测量方法主要是通过顺流向自由、横流向约束的方式对小尺度平板模型进行阻力测量，从大量实验研究发现，这类测量方法与实体船模有很大差别，主要原因有：第一，待测平板模型尺度小，雷诺数较低，流体在模型表面运动状况与实体船模不同；第二，船体在流体中运动状态并不总是沿一个方向运动，顺流向自由、横流向约束对平板运动轨迹较为理想化。

对非光滑表面的阻力特性研究大多是先进行光滑平板测量，然后更换非光滑待测平板再次测量，该方法忽略了流场环境影响，并不能精确对比分析两块平板的水下阻力特性。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可对待测平板的表面摩擦阻力、来流角度以及阻力特性等参数进行测量及计算、能够减少操作次数、节约测试时间以及提高实验效率的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，所述用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置包括主体框架、测力传感器以及信号采集处理系统；所述测力传感器是多个，多个测力传感器均布在主体框架的内表面且分别与信号采集处理系统相连；待测平板置于主体框架中；待测平板所在平面与所述主体框架所在平面平行。

作为优选，本发明所采用的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置还包括置于主体框架中的待测平板夹持装置；所述待测平板夹持装置所在平面与所述主体框架所在平面平行；所述待测平板夹持装置的面积小于主体框架所围成的面积；待测平板通过待测平板夹持装置置于主体框架中。

作为优选，本发明所采用的待测平板夹持装置包括腹板、滑动件以及压杆；所述腹板置于主体框架中，所述腹板的面积小于主体框架所围成的面积；所述腹板所在平面与所述主体框架所在平面平行；沿液体流动方向在主体框架上设置压杆；所述腹板的上表面以及压杆的下表面均设置有滑动件；待测平板置于腹板和压杆之间并通过腹板上表面的滑动件以及压杆下表面的滑动件夹持。

作为优选，本发明所采用的腹板上表面的滑动件以及压杆下表面的滑动件均是多个，多个滑动件均布设置。

作为优选，本发明所采用的滑动件是牛眼轴承。

作为优选，本发明所采用的待测平板夹持装置还包括分别设置在主体框架上的立柱以及用于对待测平板在非使用状态进行限位的限位柱；所述压杆通过立柱设置在主体框架上。

作为优选，本发明所采用的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置还包括设置在立柱上的传感器安装板；所述测力传感器通过传感器安装板固定设置在立柱上。

作为优选，本发明所采用的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置还包括设置在主体框架外周用以消除流场变化的影响的导流罩以及设置在主体框架上用于对主体框架进行辅助作业的辅助架。

作为优选，本发明所采用的测力传感器与信号采集处理系统无线连接或有线连接。

一种基于如前所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

1)组装如前所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，通过设置在主体框架上不同测力传感器的受力情况判别并调整用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置的水平度；

2)将用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置通过通过辅助架与外部辅助运动装备相连，打开与测力传感器相连的信号采集处理系统，带动待测平板在流场中运动，采集测力传感器稳定信号，即测得待测平板表面摩擦总阻力；

3)根据步骤2)测量得到的待测平板表面摩擦总阻力计算均匀流场的来流角度、待测平板的测量阻力以及待测平板表面摩擦阻力。

本发明的优点是：

本发明提供了一种用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置及方法，该用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置包括主体框架、测力传感器以及信号采集处理系统；测力传感器是多个，多个测力传感器均布在主体框架的内表面且分别与信号采集处理系统相连；待测平板置于主体框架中；待测平板所在平面与主体框架所在平面平行。在测量原理上，本发明不同于现有技术对平板表面摩擦阻力的单一参数测量，本发明采用多传感器测量原理，可以校核所述同步测量装置的水平度并测量水下平板的表面摩擦阻力、来流角度和阻力特性等参数，应用更加广泛。在装置方面，不同于现有装置对水下平板表面摩擦阻力的单独测量方法，同步测量装置采用上下两侧平板同时测量的方法，可以同时获取两块平板的表面摩擦阻力值，减少操作次数，可节约测试时间，提高实验效率。在效果方面，在同一实验环境条件下同步测量两块平板的表面摩擦阻力方法，有利于精确对比分析两块平板的水下阻力特性，且适用于更多的实验环境，尤其是不均匀的复杂流场条件。以光滑平板为参照，可精确测量并对比分析出各种流场条件下非光滑平板的表面摩擦阻力特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的装置与测量方法，下面将对实施例附图做简单介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明中的一些实施例，而不是全部的实施例和应用范围。

图1是实施范例中所提供的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置的结构示意图；

图2是实施范例中所提供的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置的水平度校核示意图。

图3是基于本发明所提供的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置进行阻力测量时的示意图；

图4是基于本发明所提供的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置阻力来流角度分析示意图；

其中：

1-导流罩；2-腹板；3-滑动件；4-压杆；5-测力传感器；6-立柱；7-限位柱；8-传感器安装板；9-悬挂机构；10-待测平板。

具体实施方式

下面结合本实施范例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述地实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例和应用范围。

本发明提供了一种用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，该用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置包括主体框架、测力传感器5以及信号采集处理系统；测力传感器5是多个，多个测力传感器5均布在主体框架的内表面且分别与信号采集处理系统相连；待测平板10置于主体框架中；待测平板10所在平面与主体框架所在平面平行。测力传感器均匀安装于主体框架四周边框上，传感器数量依据被测构件、主体框架的形状确定。以方形主体框架为例，应在各条边框上均匀设置2个测量传感器。本发明所提供的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置可固定于水洞、水槽等流道的指定位置进行平板表面摩擦阻力测量，或通过辅助架与运动装备相连后在开放流场中运动并进行平板表面摩擦阻力测量。

用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置还包括置于主体框架中的待测平板夹持装置；待测平板夹持装置所在平面与主体框架所在平面平行；待测平板夹持装置的面积小于主体框架所围成的面积；待测平板10通过待测平板夹持装置置于主体框架中。

待测平板夹持装置包括腹板2、滑动件3以及压杆4；腹板2置于主体框架中，腹板的面积小于主体框架所围成的面积；腹板2所在平面与主体框架所在平面平行；沿液体流动方向在主体框架上设置压杆4；腹板2的上表面以及压杆4的下表面均设置有滑动件3；待测平板10置于腹板2和压杆4之间并通过腹板2上表面的滑动件3以及压杆4下表面的滑动件3夹持。腹板和压杆上的滑动件采用均匀布置方式，减小同步测量装置对待测平板表面摩擦阻力的影响。

主体框架总体结构呈对称的组合式，各零部件尺寸均取决于待测平板10的大小，上下两侧保持完全对称，以便于在同一实验环境下上下两侧同时安装待测平板10进行表面摩擦阻力测量。腹板2呈开孔或闭合的形式，上面安装有例如牛眼轴承等滚动件，压杆4通过立柱沿流动方向固定于主体框架边框上，其内侧安装有轴承或滚珠等滚动件。腹板2上表面的滑动件3以及压杆4下表面的滑动件3均是多个，多个滑动件3均布设置，滑动件3是牛眼轴承。待测平板夹持装置还包括分别设置在主体框架上的立柱6以及用于对待测平板10在非使用状态进行限位的限位柱7；压杆4通过立柱6设置在主体框架上。由于滑动件3的存在，可自由滑动。限位柱安装于主体框架外框内侧，与滑动件贴合并在非实验时间内限制其运动，保护测力传感器。

用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置还包括设置在立柱6上的传感器安装板8；测力传感器5通过传感器安装板8固定设置在立柱6上。用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置还包括设置在主体框架外周用以消除流场变化的影响的导流罩1以及设置在主体框架上用于对主体框架进行辅助作业的辅助架。测力传感器5与信号采集处理系统无线连接或有线连接，信号采集处理系统采用现有技术，本发明直接采购市售产品。辅助架可安装于主体框架外框外侧，与其它运动装备进行连接。主体框架选择方形，也可以是圆形、椭圆形等对称结构，且外框高度尽量与滑动件保持在同一平面内。待测平板10可安装于待测平板夹持装置上，也可替换待测平板夹持装置直接安装于主体框架上。

本发明还公开了一种用于水下平板表面摩擦阻力的同步测试方法，采用平面多传感器测量原理：不考虑微小变形，待测平板可视为刚体，考虑用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置水平和流动不规则等原因导致的平面力偶，待测平板一边受力不均匀，应设置两个及以上的测力传感器，进而计算出待测平板表面摩擦阻力的总值。

一种基于如前记载的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置的测量方法，测量方法包括以下步骤：

1)用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置利用水平仪初步安装完成后，通过各测力传感器受力情况判别安装水平度并进行调整。为消除腹板和压杆滚动件自身摩擦力的影响，可在待测平板夹持装置质量位置添加砝码或施加竖直方向载荷驱动滑动件沿倾斜方向移动，进而从原理上提高水平度校核精度。

2)经水平度校核后，用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置通过辅助架与运动装备相连，打开测力传感器信号采集处理系统，带动待测平板在流场中运动，采集测力传感器稳定信号并分析处理，即可测得平板表面摩擦总阻力。

3)根据上述测量过程中各测力传感器受力情况，可运动和力分析方法计算出均匀流场的来流角度。

4)根据同步测量装置上下两块平板的阻力测量结果，以其中一块平板作为基准(尤其是光滑平板)，可对比分析出另一块平板的阻力特性。

5)如需测量不同平板的表面摩擦阻力，需更换滑动件，并重新校核水平度，再重复2)-4)操作步骤。

下面将以具体实施方式为例，对本发明所提供的技术方案进行详细描述：

图1为本发明实施例中的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置结构示意图，包括导流罩1、腹板2、滑动件3、压杆4、测力传感器5、立柱6、限位柱7、传感器安装板8。导流罩1结构为左右分开对称设置的圆弧钢板，安装在腹板2外框外侧。腹板2，为一块底板与矩形外框通过螺栓连接而成，底板上钻有若干螺纹孔，用以安装滑动件3，侧面四个方向对称攻丝，用于矩形外框安装；矩形外框，为4根型材T型螺栓连接而成，可装拆，长边两端面攻丝，短边钻有通孔，矩形外框侧边均钻有通孔，位置与腹板侧边螺纹孔位置对应，与腹板螺栓可拆卸连接；矩形外框四周各安装有立柱6、传感器安装板8。立柱6相对实验装置顺流向中心线左右各分布1个，采用型材，与矩形外框螺栓连接，用于压杆4的安装；传感器安装板8安装于立柱6内侧，通过螺栓可装拆式连接，用于测力传感器5的安装固定。滑动件3，选择摩擦系数较小的牛眼轴承，错落排布在底板上。相比采用轴承槽放置轴承，牛眼轴承摩擦系数小、精度高、安装方便、承重大、使用寿命长，适用于水下等多种工况。压杆4，采用2根型材，与立柱6螺栓可拆卸式连接；其上钻有螺纹孔，用于滑动件3的安装，既用于待测平板的固定支撑，又避免待测平板与压杆直接接触产生摩擦阻力对实验结果造成影响。测力传感器5通过传感器安装板8安装于立柱6上。传感器安装板8，形状为矩形，优选地中间开有阶梯槽，阶梯槽上下倒圆角，通过T型螺栓与立柱6可拆卸连接。限位柱7安装于矩形外框四周内侧，可装拆，用以待测平板位置的固定。

基于上述水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，本发明提出了一种对同步测量装置水平度校核的方法，如图2所示，具体方法步骤如下：

1)将导流罩1、腹板2、滑动件3、测力传感器5、待测平板等组成的同步测量装置通过悬挂机构9安装在拖曳水池运动平台桁架上，优选地，装置悬挂点相对装置横纵向中心线对称分布，以减小装置平行度对实验结果造成影响；

2)安装好的同步测量装置悬置在水面上方，水平仪放置装置正中心，对装置水平度进行初步调节；

3)若水平仪气泡不在正中间，则通过在悬挂机构横梁下方垫垫片等方式进行调节；

4)初步调节后，将待测平板10手动拨动到装置正中心，不触碰到任何一个传感器；

5)观察待测平板，若待测平板在自身重力G1作用下发生滑动，触碰到测力传感器5，则将传感器示数输出处理。

6)通过分力合成公式，将传感器采集到的阻力值合成，得到推动平板运动的水流总摩擦阻力，记为F，实验装置倾斜角度sinθ＝G1/F。

7)若由于滑动件3的自锁导致待测平板无法在自身重力下发生滑动，则在待测平板重心位置不断地添加砝码，直至待测平板可以在重力作用下发生滑动，测量添加砝码总重量，记为G2，再按照步骤(6)的方式计算实验装置总摩擦阻力F。

8)实验装置倾斜角度sinθ＝(G1+G2)/F。

9)根据实验装置倾斜角度计算出需要悬挂机构9调节的高度h，调节高度h值为sinθ倍的待测平板长度；

10)总摩擦阻力F的矢量方向对应的悬挂支架，向上调节高度h的大小。

基于上述水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，本发明提供了一种阻力测试方法，步骤如下：

1)准备待测平板，待测平板可以为光滑平板，也可以为表面具有非光滑结构(图形化排布的沟槽、凸包、体刺或涂层等)的非光滑平板；

2)将导流罩1、腹板2、滑动件3、压杆4、测力传感器5等零部件组成的同步测试装置通过悬挂机构9安装在拖曳水池运动平台桁架上，此时，装置未浸没水中，优选地，装置悬挂点相对装置横纵向中心线对称分布，以减小装置平行度对实验结果造成影响；

3)拆卸同步测试装置一边立柱6，待待测平板安装结束，将立柱6重新装上；

4)将安装好待测平板的同步测试装置缓缓放入水中，待装置完全浸没在水下，通过水平仪对装置水平度进行初步调节，调节完成后，再对装置水平度细微调节，调节步骤参考上述同步测试装置水平度校核；

5)调节过程结束后，用锁紧螺栓将装置固定在运动平台桁架上；

6)将拖车速度设置为某一值，启动拖车，用拖车带动装置在静水中运动，形成相对运动，拖车启动同时测试系统开始测量；

7)拖车运行结束，保存测力传感器5测得示数，输出数据；

8)根据不同位置测力传感器5示数，对数据进行处理，处理过程如图3所示：

若测力传感器5C5-C8示数均等于0，则所测待测平板阻力为顺水流方向上的力矢量之和；若测力传感器5C5-C8示数不等于0，则先对同边传感器示数进行力合成，再对两个合成力进行矢量合成；

9)将处理好的数据记为待测平板在该速度下的表面摩擦阻力总值。

10)如需更换待测平板测量阻力值，则重复上述步骤3)-9)；如需测量待测平板在另一速度下的阻力值，则重复上述步骤6)-9)。

进一步地，基于上述平板阻力测量结果，本发明还提供了一种基于测力传感器5测得示数，分析来流角度θ的方法：若测力传感器5C5-C8示数均等于0，则所测待测平板阻力为顺水流方向，来流角度θ为0，即来流方向与实验装置平行；若测力传感器5C5-C8示数不等于0，如图4所示，则对同边传感器示数进行矢量力合成；来流方向与实验装置间水平夹角θ满足：tanθ＝F2/F1。

基于上述平板表面摩擦阻力测量步骤，本发明还提供了一种对待测平板表面摩擦阻力特性分析，具体步骤如下：

1)准备两块待测平板10，一块为光滑平板，另一块为表面具有非光滑结构(图形化排布的沟槽、凸包、凹坑或涂层等)的非光滑平板；

2)将导流罩1、腹板2、滑动载体、压杆4、测力传感器5等零部件组成的同步测量装置通过悬挂机构安装在拖曳水池运动平台桁架上，此时，装置未浸没水中，优选地，装置悬挂点相对实验装置横纵向中心线对称分布，以减小装置平行度对实验结果造成影响；

3)将光滑待测平板安装于装置上侧，非光滑待测平板安装于装置下侧；

4)重复上述平板表面摩擦阻力测量步骤4)-7)；

5)记光滑待测平板表面摩擦阻力值为F3，非光滑待测平板表面摩擦阻力值为F4，运用公式(F4-F3)/F3，对待测平板表面摩擦阻力特性进行分析。

以上仅是本发明的某一具体实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明测试原理的前提下，还可以对装置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)

1.一种用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，其特征在于：所述用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置包括主体框架、测力传感器（5）以及信号采集处理系统；所述测力传感器（5）是多个，多个测力传感器（5）均布在主体框架的内表面且分别与信号采集处理系统相连；待测平板（10）置于主体框架中；待测平板（10）所在平面与所述主体框架所在平面平行。

2.根据权利要求1所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，其特征在于：所述用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置还包括置于主体框架中的待测平板夹持装置；所述待测平板夹持装置所在平面与所述主体框架所在平面平行；所述待测平板夹持装置的面积小于主体框架所围成的面积；待测平板（10）通过待测平板夹持装置置于主体框架中。

3.根据权利要求2所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，其特征在于：所述待测平板夹持装置包括腹板（2）、滑动件（3）以及压杆（4）；所述腹板（2）置于主体框架中，所述腹板的面积小于主体框架所围成的面积；所述腹板（2）所在平面与所述主体框架所在平面平行；沿液体流动方向在主体框架上设置压杆（4）；所述腹板（2）的上表面以及压杆（4）的下表面均设置有滑动件（3）；待测平板（10）置于腹板（2）和压杆（4）之间并通过腹板（2）上表面的滑动件（3）以及压杆（4）下表面的滑动件（3）夹持。

4.根据权利要求3所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，其特征在于：所述腹板（2）上表面的滑动件（3）以及压杆（4）下表面的滑动件（3）均是多个，多个滑动件（3）均布设置。

5.根据权利要求4所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，其特征在于：所述滑动件（3）是牛眼轴承。

6.根据权利要求3或4或5所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，其特征在于：所述待测平板夹持装置还包括分别设置在主体框架上的立柱（6）以及用于对待测平板（10）在非使用状态进行限位的限位柱（7）；所述压杆（4）通过立柱（6）设置在主体框架上。

7.根据权利要求6所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，其特征在于：所述用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置还包括设置在立柱（6）上的传感器安装板（8）；所述测力传感器（5）通过传感器安装板（8）固定设置在立柱（6）上。

8.根据权利要求7所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，其特征在于：所述用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置还包括设置在主体框架外周用以消除流场变化的影响的导流罩（1）以及设置在主体框架上用于对主体框架进行辅助作业的辅助架。

9.根据权利要求8所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，其特征在于：所述测力传感器（5）与信号采集处理系统无线连接或有线连接。

10.一种基于如权利要求9所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：

1）组装如权利要求9所述的用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置，通过设置在主体框架上不同测力传感器（5）的受力情况判别并调整用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置的水平度；

2）将用于水下平板表面摩擦阻力的同步测量装置通过通过辅助架与外部辅助运动装备相连，打开与测力传感器（5）相连的信号采集处理系统，带动待测平板（10）在流场中运动，采集测力传感器（5）稳定信号，即测得待测平板（10）表面摩擦总阻力；

3）根据步骤2）测量得到的待测平板（10）表面摩擦总阻力计算均匀流场的来流角度、待测平板的测量阻力以及待测平板表面摩擦阻力。