CN110530606A - 湍流传感器的测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种湍流传感器的测试系统及其测试方法，属于湍流探测技术领域。本发明包括气压水箱、水泵、空气压缩机、流量计、喷水柱桶和积水槽，气压水箱分为密闭部和敞口部，水泵置于敞口部内并通过抽水阀与密闭部连接，空气压缩机、流量计均与密闭部连接，流量计的另一端与喷水柱桶底部连接，喷水柱桶的顶部与积水槽连接，积水槽分为同心设置的主水槽和副水槽，主水槽通过输水管路与敞口部连接，副水槽上设置有用于固定待测湍流传感器的固定支架。本发明测试系统能够有效地进行湍流传感器的湍流实验，测量不同水流流速下传感器受到的剪切力大小，从而为该传感器外场海洋环境下的实验提供有力的方案与数据支持。

Description

湍流传感器的测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及湍流探测技术领域，具体是一种湍流传感器的测试系统及其测试方法。

背景技术

湍流是自然界中流体普遍存在的一种流动状态，当流体的流速增加到很大时，在流场中会产生很多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间发生混合，从而形成湍流。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动，在湍流中流体的各种运动参数，如速度、温度、压力等都随时间和空间发生随机的变化。

虽然湍流的研究已有一百多年，但是迄今还没有成熟的精确理论，许多基本技术问题得不到理论解释。诺贝尔物理学奖获得者、量子物理学家R·费曼称湍流为“经典物理学尚未解决的最重要的难题”。2014年12月，中国科学院院士吴立新教授提出了“透明海洋”的概念，其中包含了对海洋湍流的精细观测。鉴于湍流是自然界和各种技术过程中普遍存在的流体运动过程，研究、预测和控制湍流在认识自然现象、发展现代技术中显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种全新的湍流传感器的测试系统。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种湍流传感器的测试系统，包括气压水箱、水泵、空气压缩机、流量计、喷水柱桶和积水槽；

气压水箱分为一侧的密闭部和另一侧的敞口部，位于气压水箱内的密闭部的侧壁上部设置有排气阀和抽水阀，位于气压水箱外的密闭部的侧壁下部设置有流速阀；

水泵置于气压水箱敞口部的底部，同时水泵通过抽水管与气压水箱密闭部上的抽水阀连接；

空气压缩机通过管路与气压水箱密闭部的外侧壁上部连接相通；

流量计的一端与气压水箱密闭部上的流速阀连接、另一端与喷水柱桶的下部连接相通；

积水槽包括敞口设置的主水槽，在主水槽内的中心处固定有敞口设置的副水槽，主水槽和副水槽同轴心设置，主水槽的高度高于副水槽的高度；副水槽的顶部设置有用于固定湍流传感器的固定支架；喷水柱桶的顶部与主、副水槽的同轴心处连接相通；主水槽的底部连接有输水管，输水管的另一端出口置于气压水箱的敞口部上方。

本发明装置中，气压水箱可以实现湍流传感器测试与水泵工作的分时进行，以避免水泵产生的振动通过地面或管路水流对湍流传感器的测试造成影响。

作为优选的技术方案，主水槽的外形为圆柱形，副水槽的外型为圆台型。圆台型结构可使副水槽中溢出的水沿其外壁流下，减小水垂直下落对平台造成的振动干扰。

作为优选的技术方案，喷水柱桶包括圆柱桶体，圆柱桶体的顶部设置有用于与积水槽连接的圆柱型出水口，圆柱桶体的直径大于圆柱型出水口的直径，且圆柱桶体与圆柱型出水口之间通过斜壁过渡段衔接，圆柱桶体侧壁的底部设置有用于与流量计连接的圆柱型进水口。

此外，本发明还提供了上述湍流传感器的测试系统的测试方法，包括如下步骤：

1）向气压水箱的敞口部内倒入水，然后打开排气阀和抽水阀，同时关闭流速阀，接着启动水泵，向气压水箱的密闭部内抽入占密闭部体积2/3的水，最后关闭水泵；

2）关闭排气阀和抽水阀，启动空气压缩机，向气压水箱的密闭部内加压；

3）将待测湍流传感器固定在副水槽的固定支架上，使待测湍流传感器的中心正对喷水柱桶的顶部出水口；

4）打开流速阀，由于气压水箱的密闭部中高气压作用，推动水从流速阀流出，然后通过流量计和喷水柱桶，最终由喷水柱桶顶部的出水口以射流的方式作用于待测湍流传感器，由流量计测出流量大小，并换算成流速，同时采集待测湍流传感器的输出信号；.

5）调节流速阀打开的大小，分别记录不同流速下待测湍流传感器的输出信号，最后即可得到水流速与待测湍流传感器输出信号的关系。

本发明测试系统能够有效地进行湍流传感器的湍流实验，测量不同水流流速下传感器受到的剪切力大小，从而为该传感器在外场海洋环境下的实验提供有力的方案与数据支持。

附图说明

此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明测试系统的结构示意图。

图2为本发明测试系统中喷水柱桶和积水槽的结构示意图。

图3为本发明测试系统对湍流传感器的湍流测试结果图。

图4为平台振动测试结果图。

图中：1-气压水箱、1-1-密闭部、1-2-敞口部、2-水泵、3-空气压缩机、4-流量计、5-喷水柱桶、5-1-圆柱桶体、5-2-圆柱型出水口、5-3-斜壁过渡段、5-4-圆柱型进水口、6-积水槽、6-1-主水槽、6-2-副水槽、7-排气阀、8-抽水阀、9-流速阀、10-固定支架、11-输水管、A-待测湍流传感器。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，一种湍流传感器的测试系统，包括气压水箱1、水泵2、空气压缩机3、流量计4、喷水柱桶5和积水槽6；

气压水箱1分为一侧的密闭部1-1和另一侧的敞口部1-2，位于气压水箱1内的密闭部1-1的侧壁上部设置有排气阀7和抽水阀8，位于气压水箱1外的密闭部1-1的侧壁下部设置有流速阀9；

水泵2置于气压水箱1敞口部1-2的底部，同时水泵2通过抽水管与气压水箱1密闭部1-1上的抽水阀8连接；

空气压缩机3通过管路与气压水箱1密闭部1-1的外侧壁上部连接相通；

流量计4的一端与气压水箱1密闭部1-1上的流速阀9连接、另一端与喷水柱桶5的下部连接相通；

喷水柱桶5包括圆柱桶体5-1，圆柱桶体5-1的顶部设置有用于与积水槽6连接的圆柱型出水口5-2，圆柱桶体5-1的直径大于圆柱型出水口5-2的直径，且圆柱桶体5-1与圆柱型出水口5-2之间通过斜壁过渡段5-3衔接，圆柱桶体5-1侧壁的底部设置有与流量计4连接的圆柱型进水口5-4；

积水槽6包括敞口设置的主水槽6-1，在主水槽6-1内的中心处固定有敞口设置的副水槽6-2，主水槽6-1和副水槽6-2同轴心设置，主水槽6-1的高度高于副水槽6-2的高度；副水槽6-2的顶部设置有用于固定待测湍流传感器A的固定支架10；主水槽6-1的外型为圆柱形，副水槽6-2的外型为圆台型，这样副水槽6-2中溢出的水就会沿其外壁流下，减小水垂直下落对平台造成的振动干扰；主、副水槽6-1、6-2的同轴心处开设有连接通孔，喷水柱桶5顶部的出水口插装在该连接通孔内并通过水密胶粘合固定；主水槽6-1的底部连接有输水管11，输水管11的另一端出口置于气压水箱1的敞口部1-2上方，这样即实现了水的循环利用。

具体实施时，如图2所示，上述装置中喷水柱桶5和积水槽6的设计尺寸如下：

喷水柱桶5的尺寸：圆柱桶体5-1的高为57cm、直径为11cm，圆柱型出水口5-2的高度为2.5cm、直径为1.6cm，斜壁过渡段5-3的高度为5.8cm，圆柱型进水口5-4的长度为8cm、直径为1.6cm，圆柱型进水口5-4的最底部至圆柱桶体5-1的最底部的距离为2cm。

积水槽6的尺寸：主水槽6-1的高度为24cm、直径为32cm，副水槽6-2的高度为21cm、顶部直径为20cm、底部直径为24cm。

上述湍流传感器的测试系统的测试方法，包括如下步骤：

1）向气压水箱1的敞口部1-2内倒入水，然后打开排气阀7和抽水阀8，同时关闭流速阀9，接着启动水泵2，向气压水箱1的密闭部1-1内抽入占密闭部1-1体积2/3的水，最后关闭水泵2；

2）关闭排气阀7和抽水阀8，启动空气压缩机3，向气压水箱1的密闭部1-1内加压；

3）根据前期用comsol软件对该系统仿真得到的平台内水流速度分布图可得，在距离喷水柱桶5顶部圆柱型出水口5-2七厘米的高度处，其水流速度与喷水柱桶5底部圆柱型进水口5-4的速度一致，也即流量计测得的流速。因此，将待测湍流传感器A固定在固定支架10上，使得待测湍流传感器A正对喷水柱桶5的顶部圆柱型出水口5-2，并且使得待测湍流传感器A距离喷水柱桶5顶部圆柱型出水口5-2的高度为7cm；

4）打开流速阀9，由于气压水箱1的密闭部1-1中高气压作用，推动水从流速阀9流出，然后通过流量计4和喷水柱桶5，最终由喷水柱桶5顶部的出水口以射流的方式作用于待测湍流传感器A，由流量计4测出流量大小，并换算成流速，同时采集待测湍流传感器A的输出信号；.

5）调节流速阀9打开的大小，分别记录不同流速下待测湍流传感器A的输出信号，最后即可得到水流速与待测湍流传感器A输出信号的关系。

图3为湍流测试结果图，也就是水流速与湍流传感器输出信号的关系图。由图中可以看出，湍流传感器受到的剪切力大小与水流速成正比关系，因此，在该测试点，湍流强度随着水流速的增大而呈线性关系增强，初步验证了该测试系统测试湍流传感器的可行性。

为了分析湍流平台振动对传感器输出造成的影响，将传感器固定于副水槽6-2上方，使测试时水槽中的水不接触到传感器，并重复进行上述步骤中的1）、2）、4）和5），以此来测试由于平台的振动造成传感器电压输出的大小。图4为平台振动测试结果图，对比图3传感器测试过程输出电压的幅值，平台振动测试在不同水流速下输出的电压幅值最大的仅有十几个毫伏，因此该平台振动对传感器测试造成的影响可以忽略不计。

上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种湍流传感器的测试系统，其特征在于：包括气压水箱、水泵、空气压缩机、流量计、喷水柱桶和积水槽；

气压水箱分为一侧的密闭部和另一侧的敞口部，位于气压水箱内的密闭部的侧壁上部设置有排气阀和抽水阀，位于气压水箱外的密闭部的侧壁下部设置有流速阀；

水泵置于气压水箱敞口部的底部，同时水泵通过抽水管与气压水箱密闭部上的抽水阀连接；

空气压缩机通过管路与气压水箱密闭部的外侧壁上部连接相通；

流量计的一端与气压水箱密闭部上的流速阀连接、另一端与喷水柱桶的下部连接相通；

积水槽包括敞口设置的主水槽，在主水槽内的中心处固定有敞口设置的副水槽，主水槽和副水槽同轴心设置，主水槽的高度高于副水槽的高度；副水槽的顶部设置有用于固定湍流传感器的固定支架；喷水柱桶的顶部与主、副水槽的同轴心处连接相通；主水槽的底部连接有输水管，输水管的另一端出口置于气压水箱的敞口部上方。

2.根据权利要求1所述的湍流传感器的测试系统，其特征在于：主水槽的外形为圆柱形，副水槽的外型为圆台型。

3.根据权利要求2所述的湍流传感器的测试系统，其特征在于：喷水柱桶包括圆柱桶体，圆柱桶体的顶部设置有用于与积水槽连接的圆柱型出水口，圆柱桶体的直径大于圆柱型出水口的直径，且圆柱桶体与圆柱型出水口之间通过斜壁过渡段衔接，圆柱桶体侧壁的底部设置有用于与流量计连接的圆柱型进水口。

4.根据权利要求3所述的湍流传感器的测试系统，其特征在于：喷水柱桶的尺寸为：圆柱桶体的高为57cm、直径为11cm，圆柱型出水口的高度为2.5cm、直径为1.6cm，斜壁过渡段的高度为5.8cm，圆柱型进水口的长度为8cm、直径为1.6cm，圆柱型进水口的最底部至圆柱桶体的最底部的距离为2cm；积水槽的尺寸：主水槽的高度为24cm、直径为32cm，副水槽的高度为21cm、顶部直径为20cm、底部直径为24cm。

5.如权利要求1-4任一所述的湍流传感器的测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）向气压水箱的敞口部内倒入水，然后打开排气阀和抽水阀，同时关闭流速阀，接着启动水泵，向气压水箱的密闭部内抽入占密闭部体积2/3的水，最后关闭水泵；

2）关闭排气阀和抽水阀，启动空气压缩机，向气压水箱的密闭部内加压；

3）将待测湍流传感器固定在副水槽的固定支架上，使待测湍流传感器的中心正对喷水柱桶的顶部出水口；

4）打开流速阀，由于气压水箱的密闭部中高气压作用，推动水从流速阀流出，然后通过流量计和喷水柱桶，最终由喷水柱桶顶部的出水口以射流的方式作用于待测湍流传感器，由流量计测出流量大小，并换算成流速，同时采集待测湍流传感器的输出信号；.

5）调节流速阀打开的大小，分别记录不同流速下待测湍流传感器的输出信号，最后即可得到水流速与待测湍流传感器输出信号的关系。

6.根据权利要求5所述的湍流传感器的测试系统的测试方法，其特征在于：步骤3）中，将待测湍流传感器固定在副水槽的固定支架上时，使得待测湍流传感器和喷水柱桶的顶部出水口之间的距离为7cm。