CN111141479B - 一种提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置 - Google Patents

一种提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置，其包括：试验件承载盒，用于承载试验件；以及密封腔体，试验件承载盒设置在密封腔体内，使得试验件的待测量表面与密封腔体的一个表面齐平，待测量表面裸露在密封腔体外，密封腔体与试验件承载盒形成一个准密闭空间，试验件承载盒的侧面与密封腔体之间留有微小空隙，密封腔体的表面内设有与试验件承载盒的侧面相对的端壁，端壁与试验件承载盒的侧面形成流道，流道沿远离待测量表面的方向扩张。

Description

一种提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置
技术领域
本公开属于阻力测量领域，尤其涉及一种提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置。
背景技术
在平板摩擦阻力的风洞测量试验中，通常将试件由支架固定，放置在风洞中。通常平板表面与风洞壁面平齐，气流从上表面吹过试验件，试验件产生微小位移，再利用采用力传感器测量平板受力，从而测得平板表面的摩擦阻力。
发明内容
本公开提供了一种提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置，其包括：试验件承载盒，用于承载试验件；以及密封腔体，试验件承载盒设置在密封腔体内，使得试验件的待测量表面与密封腔体的一个表面齐平，待测量表面裸露在密封腔体外，密封腔体与试验件承载盒形成一个准密闭空间，试验件承载盒的侧面与密封腔体之间留有微小空隙，密封腔体的表面内设有与试验件承载盒的侧面相对的端壁，端壁与试验件承载盒的侧面形成流道，流道沿远离待测量表面的方向扩张。
根据本公开的至少一个实施方式，密封腔体内的体积为流道体积的100倍以上。
根据本公开的至少一个实施方式，端壁为楔形。
根据本公开的至少一个实施方式，试验件承载盒的侧面与待测量表面垂直。
根据本公开的至少一个实施方式，试验件承载盒的侧面与待测量表面的夹角为锐角。
根据本公开的至少一个实施方式，试验件承载盒的侧面与待测量表面的夹角为锐角，端壁为柱形。
根据本公开的至少一个实施方式，试验件承载盒的侧面为光滑壁面。
根据本公开的至少一个实施方式，试验装置还包括测力装置，设置在密封腔体内，与试验件连接，用于测量待测量表面的受力。
根据本公开的至少一个实施方式，测力装置为空气阻力天平。
根据本公开的至少一个实施方式，试验装置还包括风洞管道，待测量表面与风洞管道的内表面齐平。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开至少一个实施方式的提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置的整体结构示意图。
图2是根据本公开至少一个实施方式的提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置的端壁和试验件承载盒放大图。
图3是根据本公开另一个实施方式的提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置的端壁和试验件承载盒放大图。
图4是根据本公开又一个实施方式的空气阻力测试天平的受力化简示意图。
图5是根据本公开又一个实施方式的空气阻力天平的双孔梁传感器的结构示意图。
图6是根据本公开又一个实施方式的提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置的端壁和试验件承载盒放大图。
图7是根据本公开至少一个实施方式的狭缝宽为0.5mm的普通狭缝的结构示意图。
图8根据本公开至少一个实施方式的狭缝宽为0.1mm的普通狭缝的结构示意图。
图9根据本公开至少一个实施方式的提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置的流道结构示意图。
图10是根据本公开至少一个实施方式的试验件承载盒上游侧面压强分布图(狭缝宽为0.5mm的普通狭缝)。
图11是根据本公开至少一个实施方式的试验件承载盒下游侧面压强分布图(狭缝宽为0.5mm的普通狭缝)。
图12是根据本公开至少一个实施方式的试验件承载盒上游侧面压强分布图(狭缝宽为0.1mm的普通狭缝)。
图13是根据本公开至少一个实施方式的试验件承载盒下游侧面压强分布图(狭缝宽为0.1mm的普通狭缝)。
图14是根据本公开至少一个实施方式的试验件承载盒上游侧面压强分布图(楔形端壁)。
图15是根据本公开至少一个实施方式的试验件承载盒下游侧面压强分布图(楔形端壁)。
图16是根据本公开至少一个实施方式的试验件承载盒侧面中心线压强曲线(狭缝宽为0.5mm的普通狭缝)。
图17是根据本公开至少一个实施方式的试验件承载盒侧面中心线压强曲线(狭缝宽为0.1mm的普通狭缝)。
图18是根据本公开至少一个实施方式的试验件承载盒侧面中心线压强曲线(楔形端壁)。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
在平板摩擦阻力的风洞测量试验中，试件由支架固定，放置在风洞中，使得平板待测试表面与风洞内壁面平齐，气流从上表面，即待测试表面吹过，试验件产生微小位移，再利用采用力传感器测量平板受力，从而测得平板表面的摩擦阻力。基于这样的设置，在试验件和风洞之间不可避免地产生缝隙，进而产生泄漏流，这种泄露流将导致试验件前后两端存在压力差，这不可避免地产生压差阻力。由于平板试验件本身摩擦阻力很小，压差阻力的存在严重影响了摩擦阻力的测量精度。
为了精确测量沿流向的摩擦阻力，降低甚至消除压差阻力对测量结果的影响，本公开提出了一种提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置。该装置基于低压差阻力控制方法，采用一系列几何构型，可将平板试验件的压差力分布调整为二维对称式分布，且范围减小到微观量级，从而使得传感器测得的水平的力更接近真实的摩擦阻力。
在本公开的至少一个实施方式中，本公开提供了一种提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置，如图1所示，其包括：试验件承载盒，用于承载试验件；以及密封腔体，试验件承载盒设置在密封腔体内，使得试验件的待测量表面与密封腔体的一个表面齐平，待测量表面裸露在密封腔体外，密封腔体与试验件承载盒形成一个准密闭空间，试验件承载盒的侧面与密封腔体之间留有微小空隙。该空隙的宽度记为d，其量级通常在1mm以内，其大小与测力装置的量程有关，量程越大，缝隙越大，压差力也就越大。因此，在满足测试装置的测试范围内，缝隙尽量取小值。密封腔体的表面内设有与试验件承载盒的侧面相对的端壁，端壁与试验件承载盒的侧面形成流道，流道沿远离待测量表面的方向扩张。
根据本公开的至少一个实施方式，密封腔体内的体积为流道体积的100倍以上。
根据本公开的至少一个实施方式，为了在密封腔体的端壁和试验件承载盒的侧面之间形成扩张形的流道，可以有如下设置方式，如图1所示，端壁设置为楔形，夹角为θ，试验件承载盒的侧面与待测量表面垂直；或者端壁设置为楔形，夹角为θ1，试验件承载盒的侧面与待测量表面的夹角为锐角θ2(图2)；或者端壁为柱形，试验件承载盒的侧面与待测量表面的夹角为锐角θ2(图3)。端壁和试验件承载盒的面可以为平面，还可以设计为曲线，例如根据流道内气流的流动，设计流线型的表面。当然，端壁和侧面还可以有其他设置方式，只要能够形成扩张形的流道即可，这些设置方式也包含在本公开的范围内。流道扩张角度越大，气流在流道内越快滞止，即压差力分布的范围越小。但是考虑到风洞管道壁面必有一定的厚度，因此扩张角度只能取接近90度。
为了减小气体在流道内流动的阻力，试验件承载盒的侧面设置为光滑壁面。
根据本公开的至少一个实施方式，试验装置还包括测力装置，设置在密封腔体内，与试验件连接，用于测量待测量表面的受力。该测力装置可以为空气阻力天平，也可以为其他测力装置。为了保证测量的准确性，该测力装置需根据测量的力的大小和精度要求相适应地进行配备。通常测力的精度要求：误差不超过实际值的千分之五。由于试验所测的平板摩擦阻力通常不超过10N，因此市售的普通测量装置达不到相应的精度要求。
本公开采用的空气阻力测试天平，包括双孔梁传感器和上板。双孔梁传感器配置在上板的下方，并与上板固定连接。如图4所示，每个双孔梁传感器包括梁部、上孔和下孔，上孔和下孔沿梁部的纵向配置，上孔配置在梁部的上部，下孔配置在梁部的下部。双孔梁传感器还包括第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片。第一应变片和第三应变片配置在梁部的下部外侧，第一应变片和第三应变片关于下孔对称配置；第二应变片和第四应变片配置在梁部的上部外侧，第二应变片和第四应变片关于上孔对称配置。
双孔梁传感器的读数应变为：εd＝ε1-ε2-ε3+ε4，其中ε1～ε4分别为第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片的应变。
对上板进行原始受力分析可知，如图5所示，上板原始受力为：切向摩擦力Fτ，力臂未知的压差力F(z)Δp和竖直方向的力Fp。
对上板的原始受力进行简化，将整个流向上上板受到的总的力大小平移到上板的底部，则受力简化为：整个流向上上板受到的力F，力的平移引起的力偶矩M，以及z方向的重力G。
对每个双孔梁传感器，根据应变片的位置，第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片的应变大小分别为：
Figure BDA0002383518840000061
Figure BDA0002383518840000062
Figure BDA0002383518840000063
Figure BDA0002383518840000064
其中，ε1～ε4分别为第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片的应变大小，E为双孔梁的杨氏模量，W为双孔梁的抗弯截面系数，εG为重力G在应变片处产生的应变，L1为上板的底部到双孔梁的上孔的中心的距离，L2为上板的底部到双孔梁的下孔的中心的距离。
设置双孔梁的读数应变εd＝ε1-ε2-ε3+ε4，根据以上各应变大小，可得双孔梁传感器的读数应变为：
Figure BDA0002383518840000065
根据读数应变εd，可以计算得到上板的上表面受到的摩擦力F。
这样得到的应变只是由沿流向方向上的力产生，刚好消除了重力G和力偶矩M，只剩下需要测得的沿流向的力F。从而可以不必考虑竖直方向的力G未知问题。力F可看作是切向摩擦力Fτ和力臂未知的压差力F(z)Δp之和。进一步地，通过本公开提供的提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置，可以减小或消除压差力F(z)Δp的影响。因此，测量得到的力F更接近真实的摩擦力Fτ。
下面以具体的优选实施例，详细说明本公开提供的提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置的工作原理。然而，所选的实施例仅用于说明本公开，而不限制本公开的范围。
如图1所示，在实际测量中，试验件承载盒与密封腔体一起置于风动管道内，待测量表面与风洞管道的内表面齐平。为描述方便，风动管道的设置方向记为x轴，气流方向为沿x轴正方向，即图1中由左至右流过。竖直向上记为y轴正方向，水平垂直于x轴记为z轴，三轴正方向符合右手螺旋法则。试验件承载盒、密封腔体及测力装置设置在风动管道外侧。试验件承载盒用于承载试验件，使得试验件上表面，即待测量表面与风洞的内表面齐平，且试验件承载盒的侧面设置为光滑壁板，因而气流压力仅分布在承载盒体的沿气流方向的前后两端。
密封腔体与试验件承载盒形成一个准密闭空间，仅在试验件承载盒的侧面与密封腔体之间留有微小空隙，由于试验件承载盒两端缝隙的存在，气流不可避免地会由风动管道上方泄露到下方密闭腔体内，具体而言，如图6所示，气流从左侧狭缝流入，根据腔内流量守恒原理，气流会从右侧狭缝流出。当密封腔体足够大时，即密封腔体内的体积远大于由狭缝流入或流出的气体体积，或者说密封腔体内的体积远大于(100倍以上)流道的体积，在上端风洞气流稳定的工况下，腔体内部压强将最终达到一个稳定压强状态p。
密封腔体的表面内设有与试验件承载盒的侧面相对的端壁，端壁为楔形，夹角为15度。端壁与试验件承载盒的侧面形成流道，流道沿远离待测量表面的方向，即y轴负方向扩张。由于图1可知，楔形角度和流道扩张角度互为余角，则该实施例中，流道扩张角度为75度。由于整个流道沿y轴负方向处于扩张过程，因而泄漏流在密封腔体内迅速滞止，使得试验件承载盒表面压强沿y轴负方向迅速接近密封腔体内压强p。如图6所示，试验件承载盒前后端壁附近泄漏流流动方向相反，试验件承载盒侧面底端压强均等于腔体压强p，而压差存在的区域仅局限于靠近主流流道，即风洞管道的一个微观尺度区域。也就是说在试验件承载盒侧面上的压强可以近似认为是均匀分布的，与密封腔体内的压强p相等。这大大降低了压差力的存在，使得测力装置测得的水平力更加接近试验件的摩擦阻力。
下面将比较不同狭缝的试验件承载盒上游和下游侧面的压强分布，以证明本公开提供的试验装置可以有效提高平板摩擦阻力测量精度。测试的情况分为三种，其中两种为普通狭缝，如图7和图8所示，狭缝的宽度d不变，分别为0.5mm和0.1mm；第三种为楔形端壁形成的扩张流道，如图9所示，该楔形端壁的角度为15度，楔形端壁前端与试验件承载盒侧面的狭缝宽度为0.5mm。三种情况下，试验件承载盒的高度t均为30mm。
通过模拟气流从狭缝上方流过，得到三种情况下试验件承载盒上游和下游两个侧面的压强分布图，如图10至图15所示，图中压强为表压，即高出标准大气压的数值。当狭缝宽度为0.5mm时(图10和图11)，单一侧面上的压强分布不均匀，上游侧面上下端的压强差约为50Pa，下游侧面上下端的压强差约为35Pa。将侧面上的压强积分，可以得到该侧面上的压力。经计算得到，上游侧面的压力为0.397247N，下游侧面的压力为0.329034N，压力差为0.068213N(见表1)。
当狭缝宽度减小到0.1mm时，单一侧面上的压强分布较0.5mm时均匀，上游侧面上下端的压强差约为12Pa，下游侧面上下端的压强差约为30Pa。将侧面上的压强积分，得到该侧面上的压力。经计算得到，上游侧面的压力为0.247285N，下游侧面的压力为0.190538N，压力差为0.056747N(见表1)，压力差较0.5mm狭缝要小。因此，通过减小狭缝的宽度可以减小侧面的压力差，从而减小其带来的实验误差。但是，也应看到，该方法的效果有限，还需寻找其他更加有效的控制压力差的方法。
当采用本公开提供的带楔形端壁的提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置时，试验件承载盒上游和下游两个侧面的压强分布如图14和图15所示。可以看出，压强的分布非常均匀，仅在靠近狭缝口(即y＝0)的微小区域内存在压强差，上游侧面上下端的压强差约为20Pa，下游侧面上下端的压强差约为11Pa。经计算得到，上游侧面的压力为0.312024N，下游侧面的压力为0.311656N，压力差为0.000368N(见表1)。与标准狭缝相比，本公开提供的实验装置将上下游侧面的压力差减小了两个数量级，见表1。
表1各示例的上下游侧面压力及压力差
Figure BDA0002383518840000091
为了更清晰地表示压强沿竖直方向的变化，图16至图18示出了试验件承载盒侧面中心线处的压强曲线图。每张图分别示出了上下游侧面的压强曲线，则两条曲线所夹的面积即是沿y方向的压力差，比较这三个图，可以清晰地看到，第一种情况，即狭缝宽度为0.5mm时，两条曲线间的面积最大。当狭缝变小时，曲线间的面积有所减小，且在狭缝底端的小部分区域，两个侧面的压强相等，说明减小狭缝对于减小压力差有一定的作用。同时也应看到，这两种情况的面积变化并不是很大，也就是说作用的效果有限。当采用本公开提供的带楔形端壁的试验装置时，在大部分区域，上下游的线基本重合，即上下游两个侧面的压强相等，且和底部的腔体压强一致，曲线呈竖直状，仅在靠近风洞管道主流的狭缝端口处，即y＝0的微小区域内，约为0.6mm高的区域，才存在压强差。和前两种情况相比，可以发现扩张流道对于试验件承载盒上下游侧面的压力差作用明显。
本公开通过一系列的几何构型，将平板摩擦阻力试验中的压差力分布区域控制在试验件承载盒前后端壁这两个平面上，并利用扩张形的流道设计，例如楔形端壁结构，进一步将压差力优化成二维对称式分布，并将压差力存在的区域控制在微观范围，从而使得测力装置测得的水平方向的力更接近真实平板摩擦阻力，提高了测量精度。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (9)

1.一种提高平板摩擦阻力测量精度的试验装置，其特征在于，所述试验装置包括：
试验件承载盒，所述试验件承载盒用于承载试验件；以及
密封腔体，所述试验件承载盒设置在所述密封腔体内，使得所述试验件的待测量表面与所述密封腔体的一个表面齐平，所述待测量表面裸露在所述密封腔体外，所述密封腔体与所述试验件承载盒形成一个准密闭空间，所述试验件承载盒的侧面与所述密封腔体之间留有微小空隙，所述密封腔体的表面内设有与试验件承载盒的侧面相对的端壁，所述端壁与所述试验件承载盒的侧面形成流道，所述流道沿远离所述待测量表面的方向扩张；所述密封腔体内的体积为所述流道体积的100倍以上。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述端壁为楔形。
3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述试验件承载盒的侧面与所述待测量表面垂直。
4.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述试验件承载盒的侧面与所述待测量表面的夹角为锐角。
5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验件承载盒的侧面与所述待测量表面的夹角为锐角，所述端壁为柱形。
6.根据权利要求1至5任一项所述的试验装置，其特征在于，所述试验件承载盒的侧面为光滑壁面。
7.根据权利要求6所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括测力装置，设置在所述密封腔体内，与所述试验件连接，用于测量所述待测量表面的受力。
8.根据权利要求7所述的试验装置，其特征在于，所述测力装置为空气阻力天平。
9.根据权利要求7所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括风洞管道，所述待测量表面与所述风洞管道的内表面齐平。
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