CN110553816B - 一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置。本发明包括波动壁面组件、整体水路组件、阻力测量组件。波动壁面组件位于整体水路组件的试验段中心处，由驱动电机提供动力，通过联轴器和波动壁面组件转换为正弦波形的波动的壁面。整体水路组件由管路连接组成闭式的循环水路，通过水泵与水泵电机提供水循环的动力。阻力测量组件主要由布置在试验段的引压管、压力传感器组成，通过测量波动壁面组件前后水流的压差变化得到阻力的大小。本发明将偏心圆盘凸轮的旋转运动转变为了表面的弯曲变形，实现了对壁面弯曲变形挠度的定量控制。并且能与各类非光滑表面耦合进行测阻实验，定量测试在不同波动幅度和周期的参数下导致的变形壁面的减阻率。

Description

一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置

技术领域

本发明涉及流体阻力测试领域，具体涉及一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置。

背景技术

海洋生物如鲨鱼、鳐鱼等历经了千万年岁月洗礼经过漫长的自然选择，逐渐掌握了适应环境的各种独有的生存方式。学者发现，鱼的非凡运动能力本质上是一个流动控制问题，即鱼类通过身体变形实现波状摆动，有效地控制其外部流场的时空结构变化，其游动的阻力很小。随着国际上对运用仿生学原理减阻理论研究的不断深入和在减阻装置设计方面投入的人力、资金的加大，减阻技术取得了理论和应用上的重大进步。

学者们研究了鱼体表面和摆动的优化参数并通过软件分析了显微表面的流场，总结发现这些对减阻效率有很大影响。他们发现波状摆动在一定范围内，减阻效果较好，超过这一范围则可能没有减阻效果。由于数值模拟和流体实验等方法存在周期过长，经费需求大等特点，许多研究还仅仅停留在理论层面，很多导致现有的水动力减阻技术尚未走向工程领域。

设计一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置，对于壁面减阻机理的研究和深入很有意义。以上这些现状对小型波动壁面装置设计和减阻技术的开发研究提出了一系列新的要求：基于鱼类波状摆动的模型设计实用的阻力测试装置，揭示鱼的低阻力的功能特征的秘密。

发明内容

为研究鱼类游动的低阻力特性与周围流场的影响，针对鱼类的波状摆动，本发明基于鱼类的波状摆动机制，设计波动壁面组件实现壁面的波状摆动，并且可以通过改变波动幅度和波动周期，改善壁面周围流场的流动状况，该装置驱动原理基于偏心圆盘凸轮结构的工作特点进行改进，将壁面、拉杆组件、凸轮弹簧组件等结构结合，将电机带动凸轮轴的旋转运动转变为了表面的弯曲变形，实现了对壁面变形幅度和周期的定量控制。将波动壁面组件安装在整体水路组件的试验段中，同时通过安装在试验段中的阻力测量组件测出壁面周围流场的压力，基于压差流测阻原理得到阻力的大小，用于研究鱼类波状摆动游姿对周围流场的影响。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置，该装置包括波动壁面组件、整体水路组件、阻力测量组件。波动壁面组件位于整体水路组件的试验段中心处，由驱动电机提供动力，通过联轴器和预先设计的波动壁面组件转换为正弦波形的波动的壁面。整体水路组件由管路连接组成闭式的循环水路，通过管路中的水泵与水泵电机的运转提供水循环的动力。阻力测量组件主要由布置在试验段的引压管、压力传感器组成，通过测量波动壁面组件前后水流的压差变化得到阻力的大小。

所述的波动壁面组件包括壁面、拉杆组件、试验段支撑、凸轮弹簧组件、轴承座、凸轮轴、联轴器、变频电机、波动壁面底座。所述的拉杆组件有多组，组间间隔相等；具备拉伸力和抗变形的壁面下端粘接对应的拉杆组件上，每组拉杆组件与凸轮弹簧组件连接。所述凸轮弹簧组件布置在凸轮轴上，通过凸轮轴上的轴套和键连接实现偏心圆盘凸轮的轴向定位与周向定位。凸轮轴与变频电机通过联轴器连接，凸轮轴的两端分别固定在轴承座中；所述轴承座、试验段支撑、变频电机均固定在波动壁面底座上。所述试验段支撑共两处，分别位于两处轴承座的两端，用于支撑固定试验段，减小振动。

所述的阻力测量组件包括引压管、压力传感器。试验段的圆管上开孔垂直焊接两根引压管，两根引压管分别位于壁面前后。引压管上安装压力传感器，测量流经波动壁面前后的水流压力值，根据压差流测阻原理可得到波动壁面附近流体的阻值。

所述的凸轮弹簧组件包括偏心圆盘凸轮、凸轮滚子、滚子架、第一弹簧脚垫、弹簧、第二弹簧脚垫。5组偏心圆盘凸轮布置时相位相隔90度，偏心圆盘凸轮间距离相同，每组凸轮弹簧组件与拉杆组件螺栓连接。

通过变频电机输出的动力带动凸轮轴转动，5组偏心圆盘凸轮随凸轮轴转动时刻保持90°的相位差。滚子与滚子架通过螺纹螺栓固接，防止滚子出现滚动运动。偏心圆盘凸轮与凸轮滚子紧密接触，凸轮滚子随着偏心圆盘凸轮的转动而转动，自己却不发生相对转动，确保壁面波形的规律性。滚子架上的弹簧可以补偿偏心圆盘凸轮滚动造成的行程差，形变量基于两个极限位置的计算。弹簧原长被设置成偏心圆盘凸轮运动到最低点的长度。第一弹簧脚垫与滚子架连接，第二弹簧脚垫与拉杆组件连接。

所述的拉杆组件包括拉杆、螺纹底座、磁流体密封装置组件、深沟球轴承、第三轴承座。拉杆两端分别连接深沟球轴承和螺纹底座。螺纹底座与凸轮弹簧组件的第二弹簧脚垫螺栓固结，将弹簧的伸缩运动转换为拉杆上下往复的直线运动进而带动壁面变形。在拉杆的顶部设置扁平的支撑面，以增加与壁面粘接的接触面积。在壁面上安装不同的待测非光滑表面。通过改变拉杆与螺纹底座的螺纹配合长度，调节波形振幅。

由于杆子需要穿过试验段管路，故需要对杆子和试验段管路的间隙进行密封，防止液体由于重力作用的下落。拉杆穿过试验段部分为磁流体密封，磁流体密封组件由磁流体、永磁体、磁极、轴承、不导磁座组成。磁流体密封作为非接触式密封可以有效的防止试验段中的水泄露。拉杆组件连接壁面，当偏心圆盘凸轮发生转动时，在壁面上复刻输出正弦波形。

所述的壁面位于试验段的水平中心处，壁面上粘接5组拉杆组件。为了排除拉杆对于流场的影响，在边缘的两根拉杆处焊接防水应变片，即第1组与第5组拉杆组价。应变片表面采用特树脂覆盖的耐水结构，通过粘合剂粘贴在拉杆上。拉杆在管路中承受水的冲击力。拉杆受力后由于测点发生应变，应变片的敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，电信号穿过管路的线路传到专用传感器中测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。根据前后拉杆的相对应变值，在前后实验时，可以排除拉杆对流场环境造成的影响。

所述的整体水路组件主要由管路组件以及对应的支撑组件组成。管路组件包括第一拐角、第一稳定段、收缩段、试验段、扩散段、第二稳定段、第二拐角、水泵、第三稳定段，所有管路组件组成闭式的循环水路。支撑组件包括底座、第三稳定段支撑、第一稳定段支撑、第二稳定段支撑。

所述的第二稳定段上开有注水孔，第一稳定段上开有排气孔，将水注入的同时打开排气孔以排出管路内的气体。当水从排气孔出溢出时停止注水并安上注水口和排气口的堵头，启动水泵以提供水循环的流场条件进行实验。在实验过程中，如需改变流速条件，只需要改变水量和水泵的运行功率；如需改变壁面结构，通过第三稳定段上的排污孔排出水后，拆除试验段更换试验面。压力传感器安装在试验段前后，通过测量不同形态壁面的压降，换算成阻力损失，从而求得减阻率。

本发明的有益效果如下：本装置是一种仿照鱼类游动姿态设计的波动壁面阻力测试装置。本装置将一个支撑板固定在5组拉杆组件上。壁面、螺纹拉杆、弹簧、凸轮滚子结构相结合，将偏心圆盘凸轮的旋转运动转变为了表面的弯曲变形，实现了对壁面弯曲变形挠度的定量控制。并且能与各类非光滑表面耦合进行测阻实验，定量测试在不同波动幅度和周期的参数下导致的变形壁面的减阻率。

附图说明

图1为整体水路组件的主视剖视图；

图2为波动壁面组件的主视剖视图；

图3为凸轮弹簧组件的主视剖视图；

图4为拉杆组件的主视剖视图。

图中序号：图1中，第一拐角1、第一稳定段2、排气口2-1、收缩段3、试验段4、扩散段5、第二稳定段6、注水口6-1、第二拐角7、水泵8、水泵电机9、第三稳定段10、排污口10-1、底座11、第三稳定段支撑12、第一稳定段支撑13、第二稳定段支撑14。

图2中，引压管15、压力传感器16、壁面17、拉杆组件18、应变片19、试验段支撑20、凸轮弹簧组件21、轴承座22、凸轮轴23、联轴器24、变频电机25、支架26。

图3中，凸轮轴23、偏心圆盘凸轮27、凸轮滚子28、滚子架29、第一弹簧脚垫30、弹簧31、第二弹簧脚垫32。

图4中，螺纹底座33、拉杆34、磁流体35、永磁体36、磁极37、轴承38、不导磁座39、试验段3、深沟球轴承40、第三轴承座41，壁面17、非光滑表面42。

具体实施方式

如图1所示，本装置包括波动壁面组件、整体水路组件与阻力测量组件。其中波动壁面组件与阻力测量组件均安装于整体水路组件的试验段4中。试验段4可用于安放试验模型，是进行实验的流场空间。

整体水路组件主要由管路组件、水泵8、水泵电机9以及对应的管路支撑组件组成。管路组件包括第一拐角1、第一稳定段2、收缩段3、试验段4、扩散段5、第二稳定段6、第二拐角7、第三稳定段10。所有管路连接组成闭式的循环水路。水泵8与电机9选用一体化结构的型号，简化了中间结构，增加运行的平稳的动静平衡。水泵8与水泵电机9位于远离试验段4的第二拐角下游，减小运转过程中的振动影响。根据实验要求的流速可以通过调节转速以控制试验段流速，并设置变频器实现变频功能。收缩段3位于试验段4之前，是一个沿水流方向截面积不断减小的管道，不仅可以提高速度均匀性，而且还可以起到降低湍流度、降噪节能的作用。扩散段5则位于试验段4后，主要用于将高速水流的部分动压转化为静压、降低水速以减小压力损失。

管路支撑组件包括底座11、第三稳定段支撑12、第一稳定段支撑13、第二稳定段支撑14。第三稳定段支撑12螺栓固定在底座11的下平面上，第一稳定段支撑13和第二稳定段支撑14固定在底座11的上平面上。第三稳定段10位于底座11间。

第二稳定段6上开有注水孔6-1，第一稳定段2上开有排气孔2-1，将水通过注水孔6-1注入的同时打开排气孔2-1以排出管路内的积气，装置要在装满水的情况下运行，当水从排气孔2-1开始溢出时停止注水并安上注水口6-1和排气口2-1的堵头，启动水泵电机9以提供水循环的流场条件进行实验。当更换试验段模型时，可以打开排污孔10-1的堵头，将水排出后进行拆卸。

如图2所示，波动壁面组件包括壁面17、拉杆组件18、试验段支撑20、凸轮弹簧组件21、轴承座22、凸轮轴23、联轴器24、变频电机25、波动壁面底座26。壁面17为一块长方形的板，外层材料为柔性橡胶板。同时为了抵抗水流对板的冲击力而保持波动形态的相对稳定性，壁面17的内层材料为夹不锈钢网胶板，具有较强的拉伸力和抗变形的特点。每个壁面下端粘接一组拉杆组件18，每组拉杆组件18与凸轮弹簧组件21螺栓连接。凸轮弹簧组件21共五组，布置在凸轮轴23上，通过轴上的轴套和键连接实现偏心圆盘凸轮的轴向定位与周向定位。凸轮轴23与变频电机25通过联轴器24连接，凸轮轴23的两端分别固定在轴承座22中，轴承座22、试验段支撑20、变频电机25均固定在波动壁面底座26上。试验段支撑20共两处，分别位于两处轴承座21的两端，用于支撑固定试验段减小振动，波动壁面组件整体通过波动壁面底座26螺栓固定在大的底座11上。

如图3所示，凸轮弹簧组件21由偏心圆盘凸轮27、凸轮滚子28、滚子架29、第一弹簧脚垫30、弹簧31、第二弹簧脚垫32组成。采用偏心圆盘凸轮27通过键和轴套在凸轮轴23上定位，可轻松实现拆卸和更换不同尺寸的偏心圆盘凸轮，以进行修配和不同波形的实验。

凸轮滚子28为偏心圆盘凸轮27的从动件，从动件的运动为简谐规律，起始与终止升程差固定，周期频率则由变频电机25控制。需保证滚子根据凸轮廓线准确输出正弦波形，故不宜采用滚动从动件，故凸轮滚子28的通孔加工出内螺纹，与滚子架29之间采用螺纹连接固定，确保凸轮滚子28与偏心圆盘凸轮27不发生相对转动。

弹簧31用于补偿偏心圆盘凸轮27前后行程差，设当壁面17水平时弹簧31处于自由长度，当偏心圆盘凸轮27运动时，弹簧31被压缩或者被拉伸，回复力可以带动弯曲的壁面17恢复水平形状。

所述的弹簧31为圆柱螺旋压缩弹簧，由于端部无固定装置，故在两端设计相应的第一弹簧脚垫30与第二弹簧脚垫32，脚垫上割有根据弹簧31螺距所确定的凹槽，使得弹簧31可以深入其中固定。第一弹簧脚垫30与滚子架29连接，第二弹簧脚垫32与拉杆组件18连接，带动其上下往复运动。

如图4所示，拉杆组件由螺纹底座33、拉杆34、磁流体密封组件、深沟球轴承40、第三轴承座41组成。拉杆34垂直穿过试验段3，一端位于管道内，另一端位于管道外。

拉杆34穿过试验段3管路，一端环境为水，另一端环境为空气中，故需要对拉杆34和试验段3通孔之间的间隙进行密封，防止液体由于重力作用的下落。对于介质为水的装置，拉杆34的密封处采用非接触式的磁流体密封组件。所述的磁流体密封组件主要由磁流体35、永磁体36、磁极37、轴承38、不导磁座39组成。

考虑到进行测阻装置需要实现与各种非光滑壁面42进行耦合，且壁面17厚度较薄，故不宜采用机械加工，可以采用粘接各类仿生非光滑表面42，粘接材料选用环氧树脂胶，搭配添加物异氰酸酯，以提高粘接性和抗水性。

拉杆34的一端为螺纹杆，用于连接螺纹底座33；另一端为光杆，安装在深沟球轴承40内。拉杆34通过调节螺纹端与螺纹底座的拧入深度可以改变壁面的振幅参数。深沟球轴承安装在第三轴承座41内。第三轴承座41的底座为平板结构，与壁面17粘接，对壁面施加力时更均匀。

如图2所示，阻力测量组件包括引压管15、压力传感器16、应变片19。试验段4的上端开孔，垂直焊接两根引压管15，两根引压管15分别位于壁面17的前后。引压管15上螺纹连接压力传感器16，测量流经波动的壁面17前后的水流压力值，根据压差流测阻原理可得到波动的壁面17附近流体的阻值。

壁面17位于流道的中心处，为了减小拉杆34对于流场的影响，在边缘的两根拉杆34处焊接防水的应变片19，即第一组拉杆的前侧与第五组拉杆的后侧。应变片19表面采用特树脂覆盖的耐水结构，通过粘合剂粘贴在拉杆上。拉杆34在管路中承受水的冲击力。拉杆34受力后由于测点发生应变，应变片19的敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，电信号穿过试验段3的线缆传到专用传感器中测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。根据前后拉杆34在实验开始前后的相对应变值，可以排除拉杆对流场环境造成的影响。

Claims (6)

1.一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置，其特征在于，该装置包括波动壁面组件、整体水路组件、阻力测量组件；波动壁面组件位于整体水路组件的试验段中心处，由驱动电机提供动力，通过联轴器和波动壁面组件转换为正弦波形的波动的壁面；整体水路组件由管路连接组成闭式的循环水路，通过管路中的水泵与水泵电机的运转提供水循环的动力；阻力测量组件由布置在试验段的引压管、压力传感器组成，通过测量波动壁面组件前后水流的压差变化得到阻力的大小；

所述波动壁面组件包括壁面、拉杆组件、试验段支撑、凸轮弹簧组件、轴承座、凸轮轴、联轴器、变频电机、波动壁面底座；

所述的拉杆组件有多组，组间间隔相等；具备拉伸力和抗变形的壁面下端粘接对应的拉杆组件上，每组拉杆组件与凸轮弹簧组件连接；所述凸轮弹簧组件布置在凸轮轴上，通过凸轮轴上的轴套和键连接实现偏心圆盘凸轮的轴向定位与周向定位；凸轮轴与变频电机通过联轴器连接，凸轮轴的两端分别固定在轴承座中；所述轴承座、试验段支撑、变频电机均固定在波动壁面底座上；所述试验段支撑共两处，分别位于两处轴承座的两端，用于支撑固定试验段，减小振动；

所述的凸轮弹簧组件共五组，每组均包括偏心圆盘凸轮、凸轮滚子、滚子架、第一弹簧脚垫、弹簧、第二弹簧脚垫；五组偏心圆盘凸轮布置时相位相隔90度，偏心圆盘凸轮间距离相同，每组凸轮弹簧组件与拉杆组件螺栓连接；

通过变频电机输出的动力带动凸轮轴转动，五组偏心圆盘凸轮随凸轮轴转动时刻保持90°的相位差；滚子与滚子架固接，防止滚子出现滚动运动；偏心圆盘凸轮与凸轮滚子紧密接触，凸轮滚子随着偏心圆盘凸轮的转动而转动，自己却不发生相对转动，确保壁面波形的规律性；滚子架上的弹簧用于补偿偏心圆盘凸轮滚动造成的行程差，形变量基于两个极限位置的计算；弹簧原长被设置成偏心圆盘凸轮运动到最低点的长度；第一弹簧脚垫与滚子架连接，第二弹簧脚垫与拉杆组件连接；

所述的拉杆组件包括拉杆、螺纹底座、磁流体密封装置组件、深沟球轴承、第三轴承座；拉杆两端分别连接深沟球轴承和螺纹底座；螺纹底座与凸轮弹簧组件的第二弹簧脚垫固结，将弹簧的伸缩运动转换为拉杆上下往复的直线运动进而带动壁面变形；在拉杆的顶部设置扁平的支撑面，以增加与壁面粘接的接触面积；在壁面上安装不同的待测非光滑表面；通过改变拉杆与螺纹底座的螺纹配合长度，调节波形振幅；

所述的拉杆的一端为螺纹杆，用于连接螺纹底座；另一端为光杆，安装在深沟球轴承内；拉杆通过调节螺纹端与螺纹底座的拧入深度来改变壁面的振幅参数；深沟球轴承安装在第三轴承座内；第三轴承座的底座为平板结构，与壁面粘接，对壁面施加力时更均匀。

2.根据权利要求1所述的一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置，其特征在于，所述的整体水路组件由管路组件以及对应的支撑组件组成；管路组件包括第一拐角、第一稳定段、收缩段、试验段、扩散段、第二稳定段、第二拐角、水泵、第三稳定段，所有管路组件组成闭式的循环水路；支撑组件包括底座、第三稳定段支撑、第一稳定段支撑、第二稳定段支撑。

3.根据权利要求2所述的一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置，其特征在于，所述的第二稳定段上开有注水孔，第一稳定段上开有排气孔，将水注入的同时打开排气孔以排出管路内的气体；当水从排气孔出溢出时停止注水并安上注水口和排气口的堵头，启动水泵以提供水循环的流场条件进行实验；在实验过程中，如需改变流速条件，只需要改变水量和水泵的运行功率；如需改变壁面结构，通过第三稳定段上的排污孔排出水后，拆除试验段更换试验面；压力传感器安装在试验段前后，通过测量不同形态壁面的压降，换算成阻力损失，从而求得减阻率。

4.根据权利要求1所述的一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置，其特征在于，所述的试验段的圆管上开孔垂直焊接两根引压管，两根引压管分别位于壁面前后；引压管上安装压力传感器，测量流经波动壁面前后的水流压力值，根据压差流测阻原理可得到波动壁面附近流体的阻值。

5.根据权利要求1所述的一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置，其特征在于，拉杆穿过试验段部分采用磁流体密封，磁流体密封作为非接触式密封防止试验段中的水泄露。

6.根据权利要求1中所述的一种基于鱼类游动姿态的波动壁面阻力测试装置，其特征在于，在边缘的两根拉杆处焊接防水应变片，即第一组与第五组拉杆组件。

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