CN110486550B - 一种可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置 - Google Patents

Abstract

一种可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置，包括：底座、驱动装置，固装于支撑平面上，包括驱动电机和联轴器，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与试验装置的动力输入轴连接；试验装置的入水口与管路系统的伸缩式仿生入水管路出水口管路连通，试验装置的的出水口通过管路系统的出水管路与储水装置管路连通；以及管路系统，包括伸缩式仿生入水管路和出水管路，其中所述伸缩式仿生入水管路包括测量管、伸缩套管以及用于支撑伸缩套管的支撑架。本发明的有益效果是：管路调节方便，长度以及高度均可以调整，通过添加仿生沟槽的模式，减小了管路内部流动的不稳定性，提高了试验的准确性；可以简便的测量管路内所需要的各种数据。

Description

一种可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置

技术领域

本发明涉及一种可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置。

背景技术

流体机械应用十分广泛，不论是市政、工业等基础领域，或者是航天航空等高科技领域，流体机械都扮演着必不可少的角色。为了能够在各种领域提供合适工况的流体机械，很多高校都在从事流体机械的设计及其试验。试验台的组装，往往由水箱、管道和流体机械组成。由于流体机械种类繁多，如离心泵、容积泵、风机、透平机等。不同的流体机械结构各异，尺寸不一，如果针对每一种流体机械的试验测量均设计和排布不同的试验装置，则成本较高，试验设备的调试、安装所消耗的人力物力均难以估量。现有的调节不同流体机械试验装置的方法主要依赖吊葫芦，无论是移动流体机械还是管路系统，都需要将设备起吊，拼接后移动到新的位置。这样的主要弊端就是调试繁琐、危险系数高。同时，试验系统中任何单一设备需要拆解或更换，所有管路系统和设备都需要全部拆解才能再次组装和试验。

基于上述原因，如何简化不同试验过程中，对装置和设备的安装和调试，就成为了简化流体机械试验的最重要的一环。其中待试验的流体机械部分，由于是主要的待更换部件，是难以进行简化的。而连接水箱和流体机械的管路系统，是最有可能进行结构改进，以实现整体试验装置的简化的。最主要的一个方法，就是使管路系统成为长度和高度可变的模式，这样设计，测试时管路伸长，连接水箱、试验装置；当需要更换流体机械时，将管路缩短，更换流体机械部分，并调节管路的长度和位置，进行下一轮的测试和试验。此外，由于管路系统输送流体介质，所以设计其调节方案时，不仅要考虑简便性，还要考虑其密封性。

发明内容

针对在技术背景中所提到的现有的流体机械试验装置中存在的调试繁琐、危险系数高等问题，本发明通过结构改进，设计了一种一种可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置。

本发明所述的一种可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置，其特征在于，包括：

底座，底部安装于安装面上，上部设有用于装载试验部件的支撑平面；

驱动装置，固装于支撑平面上，包括驱动电机和联轴器，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与试验装置的动力输入轴连接；试验装置的入水口与管路系统的伸缩式仿生入水管路出水口管路连通，试验装置的的出水口通过管路系统的出水管路与储水装置管路连通；

以及管路系统，包括伸缩式仿生入水管路和出水管路，其中所述伸缩式仿生入水管路包括测量管、伸缩套管以及用于支撑伸缩套管的支撑架，所述测量管沿径向设有测量孔，所述测量管的两端各配装一套伸缩套管，所述伸缩套管包括内管和同轴套设于内管外部的外管，所述内管的内壁设有仿生沟槽，而内管落在外管之外的第一端作为伸缩端与水箱的出水口管路连通，所述内管的第二端伸入外管内，并与外管密封滑动连接；外管的第一端通过法兰与测量管的端部密封固接，使得两套伸缩套管内腔通过测量管相互连通形成测量通道；所述出水管路的进水口与测试流体机械的的出水口管路连通，出水管路的出水口与储水装置管路连通。

测量管以及设置于测量管两端的伸缩套管水平同轴。

所述支撑架共两套，分别支撑在两套伸缩套管底部，两套伸缩套管分列于测量管的两端，并保持测量管、伸缩套管水平同轴；所述支撑架包括支架、悬臂、丝杆以及底架，所述底架底部与支撑平面固接，所述支撑架包括支架、悬臂、丝杆以及底架，所述底架底部与支撑平面固接，底架上部设有用于插接丝杆的套管，并且套管内设有可与丝杆螺接的内螺纹；所述丝杆的下部垂直插入套管内，并保持丝杆的螺纹段与套管螺接，丝杆的上部固装作为把手的悬臂，所述丝杆的顶部螺接用于支撑伸缩套管的支架，通过旋转悬臂驱动丝杆绕竖直中心轴旋转以带动支架纵向升降。

所述支架为V型支架。

所述内管的第一端部配装用于与水箱进水口密封连通的连接法兰，所述内管的第二端设有可与外管内壁配合的凸缘，其中连接法兰外径大于外管的内径，以保证内管的第一端始终落于外管之外。

外管的第二端部内壁面周向设有用于防止内管第二端从外管拉出的环形凹槽，环形凹槽内嵌装弹性密封圈，其中弹性密封圈始终与内管管壁接触，以保证外管第二端部与内筒筒壁密封。

为了解决流体机械试验中管路、设备更换时工序繁琐的问题，通过引入类似于注射器工作原理的结构设计，在保证管路系统的密封性的同时，使其结构成为了可伸缩式。具体是将伸缩套管由内管和外管两部分组成，内管和外管的管径几乎相同，外管管径稍大于内管。内管的端部和外管的第二端部分别有凸缘和弹性限位凸，当需要伸长管路时，拉动内管，使内管逐渐从外管中伸长，而两管的凸缘和弹性限位凸形成相互卡合的凹凸结构，从而约束两管不会分离，且在外凸和内凹处设置弹性密封圈，管路的密封性。调整好管路的长度后，将管路与试验的流体机械连接，开始试验。管路的中段改装成测量管，其上有测量孔（此处的测量孔为螺旋孔，可以连接各种仪表），以测量各种管道内的流体数据，并分别通过法兰与左右两端的伸缩套管连接。

伸缩式仿生进水管路系统内的流体，由于管径的细微变化、测量段的加入，会引起流动特性的些许改变，为此，对管路内壁进行结构改善。本发明采用的是增加仿生沟槽的模式。开设仿生沟槽，可以改变管路内流体的近壁流流动模式，大幅增加边界层厚度，抑制边界层流体的湍流和转戾。边界层厚度增加，即便管路的管径有少许变化，也仅仅会影响边界层内流体的流动特性，而减小对管路内主流的影响，大幅增加了试验设备内对各项数据测量的准确性。

同时，对支撑架进行改进，使支撑架的主体结构成为丝杠形式，通过旋转丝杠作为把手的悬臂，丝杆顶部的支架随丝杠上下运动，可以手动调节支架的高度，针对不同高度的流体机械进行配套调试。

由于大多数试验装置都需要动力来源，即电机，所以本发明将电机的位置和调节考虑入内。而事实上，由于电机通常无需调整位置，所以电机的底座选用固定式，提高了电机运转时的稳定性。电机和水箱中间的距离通常是固定的，这是由于水箱通常也是试验装置中的不动件。因此，即便待试验流体机械的尺寸是变化的，由于管路系统的占装置长度可调节，则试验的流体机械的位置亦可为固定的。因此，流体机械的底座也选用固定式，与电机相似，流体机械多为离心式或容积式，采用固定底座也会减少流体机械运转时振动对试验结果带来的影响。

本发明的有益效果是：管路调节方便，长度以及高度均可以调整，还对管道的流道结构进行了一定的改善，即通过添加仿生沟槽的模式，减小了管路内部流动的不稳定性，提高了试验的准确性。在管路中段设置测量段，可以简便的测量管路内所需要的各种数据。为流体机械的设计和测试工作，提供了进一步发展的空间，具有重要的工程实践意义。

附图说明

图1是试验装置的整体结构示意图；

图2是管路支架结构示意图；

图3是仿生沟槽截面示意图。

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本发明所述的一种可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置，包括：

底座，底部安装于安装面上，上部设有用于装载试验部件的支撑平面16；

驱动装置，固装于支撑平面上，包括驱动电机15和联轴器14，所述驱动电机15的输出轴通过联轴器14与试验装置的动力输入轴连接；试验装置的入水口与管路系统的伸缩式仿生入水管路出水口管路连通，试验装置的的出水口通过管路系统的出水管路与储水装置管路连通；

以及管路系统，包括伸缩式仿生入水管路和出水管路，其中所述伸缩式仿生入水管路包括测量管8、伸缩套管以及用于支撑伸缩套管的支撑架5，所述测量管8沿径向设有测量孔，所述测量管8的两端各配装一套伸缩套管，所述伸缩套管包括内管2和同轴套设于内管外部的外管4，所述内管2的内壁设有仿生沟槽10，而内管2落在外管4之外的第一端作为伸缩端与水箱的出水口管路连通，所述内管2的第二端伸入外管4内，并与外管4密封滑动连接；外管4的第一端通过法兰7与测量管8的端部密封固接，使得两套伸缩套管内腔通过测量管相互连通形成测量通道；所述出水管路的进水口与测试流体机械的的出水口管路连通，出水管路的出水口与储水装置管路连通。

测量管8以及设置于测量管两端的伸缩套管水平同轴。

所述支撑架5共两套，分别支撑在两套伸缩套管底部，两套伸缩套管分列于测量管的两端，并保持测量管、伸缩套管水平同轴；所述支撑架包括支架17、悬臂18、丝杆以及底架20，所述底架20底部与支撑平面16固接，底架20上部设有用于插接丝杆的套管19，并且套管19垂直于支撑平面，内设有可与丝杆螺接的内螺纹；所述丝杆的下部垂直插入套管19内，并保持丝杆的螺纹段与套管螺接，丝杆的上部固装作为把手的悬臂，所述丝杆的顶部螺接用于支撑伸缩套管的支架，通过旋转悬臂驱动丝杆绕竖直中心轴旋转以带动支架纵向升降。

所述支架为V型支架。

所述内管的第一端部配装用于与水箱进水口密封连通的连接法兰，所述内管的第二端设有可与外管内壁配合的凸缘，其中连接法兰外径大于外管的内径，以保证内管的第一端始终落于外管之外。

外管的第二端部内壁面周向设有用于防止内管第二端从外管拉出的环形凹槽，环形凹槽内嵌装弹性密封圈，其中弹性密封圈始终与内管管壁接触，以保证外管第二端部与内筒筒壁密封。

实施例2结合图1说明可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置的设计原理和工作方式。由于测试装置主要测试流体机械的流动特性和各项参数，因此示意图中采用水泵13作为待试验的测试装置，以说明各部分部件的工作原理。首先，支撑平面16为试验装置各部分安装和固定的底座，其直接安装固定在实验室地面上，装载试验装置的各部分组件。电机15与水泵13采用固接的方式直接安装在支撑台16上，这样可以最大程度减少电机15和待测流体机械工作时的振动对试验带来的影响，并通过联轴器14联结。水泵13的出水口12和入水口11分别与伸缩式仿生入水管路和出水管路相连通，伸缩式仿生入水管路和出水管路均需要设计和安装成可改变长度和高度的结构，这样才能通过调节管路位置，便捷的拆卸和更换待试验的流体机械。

由于伸缩式仿生入水管路和出水管路的位置、工作原理相似，因此图1仅画出入水管路，并且对入水管路的各管段进行描述，并阐述其长度伸缩和高度调节的机理。入水管段可以分为左右两套伸缩套管管段、与伸缩套管配套的支撑架和测量管8。测量管8通过法兰7与左右两侧的伸缩套管管路连通，而测量管8的中部有螺旋孔9，各种测量仪器和传感器可以安装在螺旋孔9中，测量和监控入水管段中的流体的各项参数。比如，安装压力表可以测量流体机械进口压力，安装流量计则可以测试流量。左右两套伸缩套管的结构相同，仅仅方向相反，因此描述左侧的伸缩套管部分的结构，阐述其工作原理。伸缩套管包括内管2和伸外管4，内管2的第一端部配装用于与水箱进水口密封连通的连接法兰1，第二端部加工有凸缘6，外管4的第二端部也加工有环形凹槽，内管2和外管4通过类似于注射器一样的模式，通过调节内管在外管中的长度，调节整个伸缩套管的长度。内外管的凸缘出加工出环形凹槽并安装密封圈3，以保证管路的密封性。内管2的第一端部配装的连接法兰1连接水箱的出水口，通常，左管段达到最大长度后，与水箱出水口连接，这样管路的长度调节范围是最大的。右管段的工作原理与左管段相似，不同点在于，右管段与流体机械连接，通常右管段伸缩至最大长度后，与流体机械连接。

结合图3说明管路内壁加工有仿生沟槽10，依据对皮皮虾生物表面结构特征参数进行提取，皮皮虾表皮主要的结构形态为：锯齿形特征，主要表现在各个流动凹凸结构之间；再根据锯齿形结构构造符合流线型的特征结构，通过仿生原理将皮皮虾背脊结构简化成的正三角形凸起结构，这些凹凸结构特性比较符合流体的流动形态。其最大的作用在于大幅度增加了管路中边界层的厚度。管路中的流动，基本上呈现着由管壁至中心速度逐渐增大的趋势，而由于伸缩内外管的存在，管径变化会引起管内流体流动状态的改变。而仿生沟槽10使边界层厚度增大，抑制了管径变化对管内主流的流动的影响，将这种影响控制在边界层内部，最大程度上减少了管径变化对管内流体各项参数的影响。

结合图2说明管路支架的结构和工作原理，支撑架由支架17、悬臂18、丝杠19和底座20组成。在两套伸缩套管与支撑平面之间分别设置一套支撑架，由支架17支撑在伸缩套管的外管底部，其主体是丝杠结构，通过旋转悬臂18，丝杆19沿底架的套筒上下运动，调节整个管段的高度，同时通过底座20固定在支撑台16上。

试验装置正常运行时，伸缩管路均应处于最长的状态，当一阶段试验结束后，需要更换流体机械时，打开右管段与流体机械连接的法兰盘，将右管段的伸缩管路缩短，移除流体机械并更换新的待测流体机械，调节右管段长度至合适长度，并通过法兰连接，便可开始新的试验。

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 (4)

1.一种可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置，其特征在于，包括：

底座，底部安装于安装面上，上部设有用于装载试验部件的支撑平面；

驱动装置，固装于支撑平面上，包括驱动电机和联轴器，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与试验装置的动力输入轴连接；试验装置的入水口与管路系统的伸缩式仿生入水管路出水口管路连通，试验装置的出水口通过管路系统的出水管路与储水装置管路连通；

以及管路系统，包括伸缩式仿生入水管路和出水管路，其中所述伸缩式仿生入水管路包括测量管、伸缩套管以及用于支撑伸缩套管的支撑架，所述测量管沿径向设有测量孔，所述测量管的两端各配装一套伸缩套管，所述伸缩套管包括内管和同轴套设于内管外部的外管，所述内管的内壁设有仿生沟槽，而内管落在外管之外的第一端作为伸缩端与水箱的出水口管路连通，所述内管的第二端伸入外管内，并与外管密封滑动连接；外管的第一端通过法兰与测量管的端部密封固接，使得两套伸缩套管内腔通过测量管相互连通形成测量通道；所述出水管路的进水口与测试流体机械的出水口管路连通，出水管路的出水口与储水装置管路连通；所述支撑架包括支架、悬臂、丝杆以及底架，所述底架底部与支撑平面固接，底架上部设有用于插接丝杆的套管，并且套管内设有可与丝杆螺接的内螺纹；所述丝杆的下部垂直插入套管内，并保持丝杆的螺纹段与套管螺接，丝杆的上部固装作为把手的悬臂，所述丝杆的顶部螺接用于支撑伸缩套管的支架，通过旋转悬臂驱动丝杆绕竖直中心轴旋转以带动支架纵向升降；

所述外管的第二端部内壁面周向设有用于防止内管第二端从外管拉出的环形凹槽，环形凹槽内嵌装弹性密封圈，其中弹性密封圈始终与内管管壁接触，以保证外管第二端部与内管管壁密封；

内管的内壁设有仿生沟槽，使得内管中的流动呈现由管壁至中心速度逐渐增大的趋势，而由于伸缩套管的存在，管径变化会引起管内流体流动状态的改变；而仿生沟槽使边界层厚度增大，抑制了管径变化对管内主流的流动的影响，将这种影响控制在边界层内部，减少了管径变化对管内流体各项参数的影响。

2.如权利要求1所述的一种可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置，其特征在于：测量管以及设置于测量管两端的伸缩套管水平同轴。

3.如权利要求1所述的一种可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置，其特征在于：所述支架为V型支架。

4.如权利要求1所述的一种可伸缩式仿生沟槽管道流体特性试验装置，其特征在于：所述内管的第一端部配装用于与水箱出水口密封连通的连接法兰，所述内管的第二端设有可与外管内壁配合的凸缘，其中连接法兰外径大于外管的内径，以保证内管的第一端始终落于外管之外。