CN111458267A - 一种超疏水表面减阻性能的测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种超疏水表面减阻性能的测试装置及测试方法，属于表面减阻性能测试技术领域，特别是涉及一种超疏水表面减阻性能的测试装置及测试方法。解决了现有超疏水表面的减阻性能测试准确度低、使用受限、成本高、测试过程复杂及温度特性差的问题。它包括水箱、测试流道机构、摩擦阻力检测机构和数据处理机构，所述测试流道机构由水流管路将水箱出口、水泵、节流阀、流量计和喷管依次相连组成，摩擦阻力检测机构包括弹性单元、杠杆、铰链和位移传感器，所述位移传感器与数据处理机构通信连接。它主要用于超疏水表面减阻性能的测试。

Description

一种超疏水表面减阻性能的测试装置及测试方法
技术领域
本发明属于表面减阻性能测试技术领域，特别是涉及一种超疏水表面减阻性能的测试装置及测试方法。
背景技术
超疏水材料表面具有自清洁、防结冰、防锈蚀和减阻等优良特性，因此被广泛应用于国防工业、航空航天工业、能源行业、通信和信息技术以及医疗技术等领域。超疏水表面具有减阻性能的主要原因是其粗糙结构中封存空气导致润湿系统中气-液界面的存在，减小了流体与表面的接触面积，降低了固体表面对流体的粘滞作用。超疏水表面的减阻性能能够提高微流体器件的动力学性能、减小船体及飞行器航行时所受流体阻力、减少石油天然气在输运管道中的耗散，对于微机电系统、交通运输及能源输送等产业的发展具有重要的意义。
目前超疏水表面的减阻性能研究主要从减阻性能仿真研究、表面微结构对减阻效应的机制与理论分析以及表面减阻性能的表征方法与测试手段三方面展开。超疏水表面减阻性能的仿真分析及机理研究已取得了较多的成果，国内外对于超疏水表面的减阻性能测试提出了较多方法。目前主要的测试方法是测量一定流量下的压差来间接表征减阻效果，然而流场的压差不仅与流体和管道的阻力情况相关，还受到管路尺寸、管路附件及流动状态等因素的影响，因此流量压差法用来表征减阻性能的准确度下降，无法直观表示超疏水表面在流场中受到的阻力情况；此外，对于尺寸较小的超疏水表面减阻性能的测试，准确的压差数值难以测定，流量压差法的应用受到了限制。
直接测定及表征超疏水表面减阻性能的方法受到广泛关注。PIV粒子图像测试技术和多普勒频移技术能够直观展现微小尺度内流场中的流速分布，同时为解释超疏水表面的减阻机理提供了有效的观察和表征手段，然而较高的成本和复杂的测试过程限制了其现阶段的推广应用。利用应变测力法能够直接表示超疏水表面在流场中所受阻力情况，成本低廉，然而这种方法的固有缺陷在于其温度特性较差，需要外接温度补偿电路，对测定结果的准确度产生影响。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种超疏水表面减阻性能的测试装置及测试方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种超疏水表面减阻性能的测试装置，它包括水箱、测试流道机构、摩擦阻力检测机构和数据处理机构，所述测试流道机构由水流管路将水箱出口、水泵、节流阀、流量计和喷管依次相连组成，所述喷管位于水箱内，形成流动循环系统，所述摩擦阻力检测机构包括弹性单元、杠杆、铰链和位移传感器，所述铰链固定连接在水箱顶端，所述杠杆竖直设置并与铰链相连，所述弹性单元水平设置，一端与杠杆中点相连，另一端固定连接在水箱内壁上，所述位移传感器与弹性单元处于同一水平高度，且与弹性单元位置相对的固定连接在水箱内壁上，所述位移传感器与数据处理机构通信连接，所述数据处理机构提供待测工件所受的阻力值Fi，i＝1、2、3……N。
更进一步的，所述位移传感器为采用激光三角测量原理的激光位移传感器。
更进一步的，所述数据处理机构包括数据采集卡和计算机，所述位移传感器将信号传递至数据采集卡，所述数据采集卡将处理后的信号传递至计算机，通过计算机显示待测工件所受的阻力值Fi。
更进一步的，所述测试流道机构中水箱出口、水泵和节流阀安装在同一水平高度上，所述流量计和喷管处于安装在同一水平高度上，所述喷管所处水平位置高于水箱出口所处水平位置。
更进一步的，所述弹性单元为弹簧。
更进一步的，所述流量计为电磁流量计。
本发明还提供了一种超疏水表面减阻性能的测试方法，它包括以下步骤：
步骤一：将未经过超疏水表面处理的待测工件水平粘贴在杠杆底端，保证待测表面与喷管处于同一水平高度；
步骤二：打开水泵，待水流状态稳定后打开位移传感器，记录此时流量计的读数Q以及数据处理机构显示的工件所受阻力值F1，关闭测试装置；
步骤三：将经过超疏水表面处理的待测工件水平粘贴在杠杆底端，保证待测表面与喷管处于同一水平高度；
步骤四：打开水泵，调节节流阀使流量计得读数为Q，待水流状态稳定后打开位移传感器，记录此时数据处理机构显示的阻力值F2，关闭测试装置；
步骤五：通过公式
Figure BDA0001953648070000021
计算得出超疏水表面的减阻率；
步骤六：调节调节节流阀至不同位置，获得多组流场的流速值，流速值的计算公式为：
Figure BDA0001953648070000022
其中D为喷管的管径；
步骤七：每组流速值重复步骤一到步骤五，完成不同流场流速下超疏水表面减阻性能的测试。
更进一步的，所述未经过超疏水表面处理的待测工件所受阻力值及经过超疏水表面处理的待测工件所受阻力值均通过公式x＝2Fi/k计算所得，其中x为位移传感器检测到的杠杆位移量，k为弹性单元的刚度，i＝1、2、3……N。
更进一步的，所述未经过超疏水表面处理的待测工件及经过超疏水表面处理的待测工件的外形尺寸均为25mm×6mm×1.5mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实现了对超疏水表面减阻性能的快速、准确测试及不同流场流速下减阻性能的测试。本发明保证了摩擦阻力与被测位移信号呈严格的线性关系，测试结果相比于应变测力法具有更高的精确度；所使用的激光位移传感器温度特性好，分辨率可达到0.1μm，能够精确分辨由于微小摩擦阻力所导致的弹性单元压缩量，相比于流量压差法更加适用于较小表面的减阻性能测试；通过调节节流阀能够改变流场的流量，实现不同流场流速下超疏水表面的减阻性能测试与研究；结构简单紧凑，测试过程易于实现，成本低廉、结果直观。
附图说明
图1为本发明所述的一种超疏水表面减阻性能的测试装置结构示意图
图2为本发明所述的一种超疏水表面减阻性能的测试装置水箱出口处连接结构示意图
1-弹性单元，2-杠杆，3-铰链，4-位移传感器，5-数据采集卡，6-计算机，7-流量计，8-水流管路，9-节流阀，10-水泵，11-水箱，12-喷管，13-待测工件，14-管路接头，15-橡胶密封圈，16-管道接头螺母
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-2说明本实施方式，一种超疏水表面减阻性能的测试装置，它包括水箱11、测试流道机构、摩擦阻力检测机构和数据处理机构，所述测试流道机构由水流管路8将水箱11出口、水泵10、节流阀9、流量计7和喷管12依次相连组成，所述喷管12位于水箱内，形成流动循环系统，所述摩擦阻力检测机构包括弹性单元1、杠杆2、铰链3和位移传感器4，所述铰链3固定连接在水箱11顶端，所述杠杆2竖直设置并与铰链3相连，所述弹性单元1水平设置，一端与杠杆2中点相连，另一端固定连接在水箱11内壁上，所述位移传感器4与弹性单元1处于同一水平高度，且与弹性单元1位置相对的固定连接在水箱11内壁上，所述位移传感器4与数据处理机构通信连接，所述数据处理机构提供待测工件13所受的阻力值Fi，i＝1、2、3……N。
本实施例所述位移传感器4为采用激光三角测量原理的激光位移传感器，所述弹性单元1为弹簧，所述流量计7为电磁流量计，所述测试流道机构中水箱11出口、水泵10和节流阀9安装在同一水平高度上，所述流量计7和喷管12处于安装在同一水平高度上，所述喷管12所处水平位置高于水箱11出口所处水平位置，工件的待测表面与喷管12处于同一水平高度上，所述水流管路8与水箱11出口通过管路接头14相连，为保证水箱11出口处的密封效果，所述水箱11出口内外壁及管路接头14上均套接有橡胶密封圈15，利用管道接头螺母16在水箱11出口外侧将管路接头14紧固，所述工件待测表面未受到水流的摩擦阻力时杠杆2不发生偏转，此时弹簧处于自由状态，工件待测表面受到水流的摩擦阻力时杠杆2随待测工件13一同产生偏转，此时弹簧处于压缩状态，在本装置中弹簧不允许处于拉伸状态，所述节流阀9能够改变测试流道系统的流量状态，电磁流量计7定量地显示测试流道机构的流量数值；改变测试流道机构的流量状态，根据电磁流量计7测定的流量数值及喷管管径D计算得出喷管出口处的流速，能够实现不同流速下超疏水表面减阻性能的测试，所述数据处理机构包括数据采集卡5和计算机6，激光位移传感器检测到杠杆2中点处偏转的位移信号，并将该位移信号传递至数据采集卡5进行放大、滤波及模数转换等处理，数据采集卡5将处理后的信号传递至计算机6，计算机6将信号换算成标定后对应的阻力值并显示出来，通过对数据进行处理即可得出超疏水表面减阻性能及不同流场流速下减阻性能的测试结果。
本发明还提供了一种超疏水表面减阻性能的测试方法，它包括以下步骤：
步骤一：将未经过超疏水表面处理的待测工件水平粘贴在杠杆2底端，保证待测表面与喷管12处于同一水平高度；
步骤二：打开水泵10，待水流状态稳定后打开位移传感器4，记录此时流量计7的读数Q以及数据处理机构显示的工件所受阻力值F1，关闭测试装置；
步骤三：将经过超疏水表面处理的待测工件水平粘贴在杠杆2底端，保证待测表面与喷管12处于同一水平高度；
步骤四：打开水泵10，调节节流阀9使流量计7得读数为Q，待水流状态稳定后打开位移传感器4，记录此时数据处理机构显示的阻力值F2，关闭测试装置；
步骤五：通过公式
Figure BDA0001953648070000041
计算得出超疏水表面的减阻率；
步骤六：调节调节节流阀9至不同位置，获得多组流场的流速值，流速值的计算公式为：
Figure BDA0001953648070000051
其中D为喷管12的管径；
步骤七：每组流速值重复步骤一到步骤五，完成不同流场流速下超疏水表面减阻性能的测试。
本发明中杠杆2对待测表面所受到的摩擦阻力起到了线性放大的作用，另外根据Hooke定律，弹簧所受压缩力与压缩量成线性关系，因此激光位移传感器检测到的位移信号能够间接反映待测表面受到的摩擦阻力情况，且弹簧位移与摩擦阻力成线性关系；所述未经过超疏水表面处理的待测工件所受阻力值及经过超疏水表面处理的待测工件所受阻力值均通过公式x＝2Fi/k计算所得，其中x为位移传感器4检测到的杠杆2位移量，k为弹性单元1的刚度，i＝1、2、3……N。所述未经过超疏水表面处理的待测工件及经过超疏水表面处理的待测工件的外形尺寸均为25mm×6mm×1.5mm。
以上对本发明所提供的一种超疏水表面减阻性能的测试装置及测试方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种超疏水表面减阻性能的测试装置，其特征在于：它包括水箱(11)、测试流道机构、摩擦阻力检测机构和数据处理机构，所述测试流道机构由水流管路(8)将水箱(11)出口、水泵(10)、节流阀(9)、流量计(7)和喷管(12)依次相连组成，所述喷管(12)位于水箱内，形成流动循环系统，所述摩擦阻力检测机构包括弹性单元(1)、杠杆(2)、铰链(3)和位移传感器(4)，所述铰链(3)固定连接在水箱(11)顶端，所述杠杆(2)竖直设置并与铰链(3)相连，所述弹性单元(1)水平设置，一端与杠杆(2)中点相连，另一端固定连接在水箱(11)内壁上，所述位移传感器(4)与弹性单元(1)处于同一水平高度，且与弹性单元(1)位置相对的固定连接在水箱(11)内壁上，所述位移传感器(4)与数据处理机构通信连接，所述数据处理机构提供待测工件(13)所受的阻力值Fi，i＝1、2、3……N。
2.根据权利要求1所述的一种超疏水表面减阻性能的测试装置，其特征在于：所述位移传感器(4)为采用激光三角测量原理的激光位移传感器。
3.根据权利要求1所述的一种超疏水表面减阻性能的测试装置，其特征在于：所述数据处理机构包括数据采集卡(5)和计算机(6)，所述位移传感器(4)将信号传递至数据采集卡(5)，所述数据采集卡(5)将处理后的信号传递至计算机(6)，通过计算机(6)显示待测工件(13)所受的阻力值Fi。
4.根据权利要求1所述的一种超疏水表面减阻性能的测试装置，其特征在于：所述测试流道机构中水箱(11)出口、水泵(10)和节流阀(9)安装在同一水平高度上，所述流量计(7)和喷管(12)处于安装在同一水平高度上，所述喷管(12)所处水平位置高于水箱(11)出口所处水平位置。
5.根据权利要求1所述的一种超疏水表面减阻性能的测试装置，其特征在于：所述弹性单元(1)为弹簧。
6.根据权利要求1所述的一种超疏水表面减阻性能的测试装置，其特征在于：所述流量计(7)为电磁流量计。
7.根据权利要求1所述的一种超疏水表面减阻性能的测试装置，其特征在于：所述水流管路(8)与水箱(11)出口通过管路接头(14)相连，所述水箱(11)出口内外壁及管路接头(14)上均套接有橡胶密封圈(15)，利用管道接头螺母(16)在水箱(11)出口外侧将管路接头(14)紧固。
8.一种基于权利要求1所述的超疏水表面减阻性能的测试装置的测试方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：将未经过超疏水表面处理的待测工件水平粘贴在杠杆(2)底端，保证待测表面与喷管(12)处于同一水平高度；
步骤二：打开水泵(10)，待水流状态稳定后打开位移传感器(4)，记录此时流量计(7)的读数Q以及数据处理机构显示的工件所受阻力值F1，关闭测试装置；
步骤三：将经过超疏水表面处理的待测工件水平粘贴在杠杆(2)底端，保证待测表面与喷管(12)处于同一水平高度；
步骤四：打开水泵(10)，调节节流阀(9)使流量计(7)得读数为Q，待水流状态稳定后打开位移传感器(4)，记录此时数据处理机构显示的阻力值F2，关闭测试装置；
步骤五：通过公式
Figure FDA0001953648060000021
计算得出超疏水表面的减阻率；
步骤六：调节调节节流阀(9)至不同位置，获得多组流场的流速值，流速值的计算公式为：
Figure FDA0001953648060000022
其中D为喷管(12)的管径；
步骤七：每组流速值重复步骤一到步骤五，完成不同流场流速下超疏水表面减阻性能的测试。
9.根据权利要求8所述的一种超疏水表面减阻性能的测试方法，其特征在于：所述未经过超疏水表面处理的待测工件所受阻力值及经过超疏水表面处理的待测工件所受阻力值均通过公式x＝2Fi/k计算所得，其中x为位移传感器(4)检测到的杠杆(2)位移量，k为弹性单元(1)的刚度，i＝1、2、3……N。
10.根据权利要求8所述的一种超疏水表面减阻性能的测试方法，其特征在于：所述未经过超疏水表面处理的待测工件及经过超疏水表面处理的待测工件的外形尺寸均为25mm×6mm×1.5mm。
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