CN112067250A - 可变射流方向及射流孔大小的仿生射流减阻表面测试装置 - Google Patents

可变射流方向及射流孔大小的仿生射流减阻表面测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可变射流方向及射流孔大小的仿生射流减阻表面测试装置。本发明中射流供给机构的射流内腔与第一组流量调控机构的进液口连通，第一组流量调控机构的出液口嵌在仿生结构试验板；主流供给机构的出液口与第二组流量调控机构的进液口连通，第一组流量调控机构的出液口与所述的矩形测试管道的进液口连通；仿生结构试验板的侧边缘与移动装置的滚轮螺丝固定连接；移动装置的边缘与所述的矩形测试管道的顶部螺丝固定连接；射流孔大小变换装置与射流孔底部螺丝固定连接。本发明可以改变射流方向及射流孔大小，比较不同射流结构下最优减阻工况，还可以精确的控制试验模型的射流速度和主流速度，模拟不同射流环境。

Description

可变射流方向及射流孔大小的仿生射流减阻表面测试装置
技术领域
本发明涉及一种表面阻力测试装置，具体地说是一种可变射流方向及射流孔大小的仿生射流减阻表面测试装置。
背景技术
随着当代能源快速消耗，节能迫在敏捷，减阻意义不言而喻。日常生活中，针对船等水面航行器，其所受湍流阻力主要表现为摩擦阻力，约占总阻力的50%；而对于潜艇等水下航行器，所占比例更高，约达70%-80%。研究减阻技术对降低能源消耗、减小油气管道输送动力、提高船舶和飞行体等运载设备航速、提升军事作战能力、提高高层消防灭火水炮射程等具有重要意义。
自20世纪30年代，国内外相关学者就开始对流体与固体界面之间的运动减阻问题进行了广泛深入的理论探索及应用研究，并成功的在多方面取得了较为显著的进展。其中仿生射流表面减阻技术是近年来流体减阻领域中快速兴起的一种技术，仿生射流技术属被动方式，源自仿生学，是基于鲨鱼鳃部射流特征而提出，可应用于水面或水下航行器表面，目的是改变近壁面边界层结构，从而减小壁面阻力，是一种新型高效的减阻节能途径。
传统的减阻试验研究大多在水洞环境中进行，但是由于其造价昂贵，体积庞大，日常维护困难，噪声大，试验条件不易控制，试验模型复杂，在试验条件的各个方面都具有一定的局限性。因此，研究设计台小型、成本低廉、结构简单且试验方便的射流减阻测试试验装置显得尤为重要。
发明内容
本发明针对表面减阻和解决目前的流体力学测试装置机构复杂的问题，提出一种成本低廉、结构简单且，射流方向及射流孔大小可变的仿生射流减阻表面测试装置。
本发明的整体结构：
本发明包括射流供给机构、主流供给机构、两组流量调控机构、仿生结构试验板、矩形测试管道、移动装置以及射流孔大小变换装置。所述的射流供给机构的射流内腔与第一组流量调控机构的进液口连通，所述的第一组流量调控机构的出液口嵌在所述的仿生结构试验板；所述的主流供给机构的出液口与第二组流量调控机构的进液口连通，所述的第二组流量调控机构的出液口与所述的矩形测试管道的进液口连通；所述的仿生结构试验板的侧边缘与所述的移动装置的滚轮螺丝固定连接；所述的移动装置的边缘与所述的矩形测试管道的顶部螺丝固定连接；所述的射流孔大小变换装置与射流孔底部螺丝固定连接。
上述装置或部件的具体结构：
所述的射流供给机构包括变频器、电机、射流泵、水槽、射流内腔，所述的变频器通过调频对电机转速进行调控，所述的电机的动力输出端与所述的射流泵动力输入端相连，所述的射流泵的进液口通过进水管与所述的水槽连通，所述的射流泵的出液口通过出水管与所述的射流内腔密封连通。
所述的主流供给机构包括变频器、电机、射流泵、水槽，所述的变频器通过调频对电机转速进行调控，所述的电机的动力输出端与所述的射流泵动力输入端相连，所述的射流泵的进液口通过进水管与所述的水槽连通，所述的射流泵的出液口通过出水管与第二组流量调控机构的进液口连通。
所述的两组流量调控机构包括若干流量调控件，第一组的流量调控件包括第一电动球阀、第一射流管、第二射流管和第一流量计，所述的第一射流管的上端进液口与射流内腔密封连通，第一射流管道里集成了所述的第一电动球阀和第一流量计；所述的第二射流管的上端进液口通过防水密封胶与所述的第一射流管的下端出液口黏连，第二射流管的下端出液口嵌入所述的仿生结构试验板的射流孔内。所述的第二组流量调控机构包括第三射流管、第二电动球阀和第二流量计，所述的射流管集成了所述的第二电动球阀和第二流量计，所述的第三射流管的进液口与主流供给机构的射流泵出液口连通，所述的第三射流管的出液口与矩形测试管道的进液口连通。
所述的仿生结构试验板为方形，并且所述的仿生结构试验板上表面均布若干射流孔，每个射流孔对应第一组中的一个流量调控件，且每个射流孔底部装置有射流孔大小变换装置，在所述的仿生结构试验板的末端射流孔的两端开孔并安装固定两个高精度压力计，所述的仿生结构试验板的侧边缘与移动装置的滚轮螺丝固定连接。
所述的矩形测试管道的进液口与第二组流量调控机构的射流管出液口连通，进液口安装有蜂鸣器和阻尼网，所述的矩形测试管道的出液口与回流管道连通，所述的矩形测试管道的顶部与移动装置的边缘螺丝固定连接。
所述的移动装置包括滚轮、导轨、安装板，所述的滚轮通过螺丝固定连接在仿生结构试验板上，所述的导轨通过螺丝固定连接在安装板上，所述的安装板通过螺丝固定于矩形测试管道顶部，滚轮可在导轨上滚动，使得仿生结构试验板移动，从而改变射流方向。
所述的射流孔大小变换装置包括转盘、叶片，所述的转盘固定连接在射流孔底部，所述的叶片固定连接在所述的转盘上；所述转盘由内圈、外圈和内排滚珠组成。内圈固定在射流孔底部，叶片固定在外圈上，通过转动外圈改变射流孔的大小。
为了测定不同射流方向以及不同射流孔大小情况下的减阻率，将仿生试验板末端射流孔两端开孔并安装固定两个高精度压力计，并进行以下操作：
①启动射流供给机构和主流供给机构的射流泵，关闭射流供给机构的电动球阀，打开主流供给机构的电动球阀，此时射流速度为0m/s，两个高精度压力计测量的是未使用仿生射流结构试验板的情况，记录下两个压力计测得的压力值，相减得到压力差F。
②当打开射流供给机构的电动球阀，通过调节主流供给机构的电动球阀，保持与第一个步骤的主流速度相等，同时记录射流状况下两个高精度压力计的压力差f，且可以记录不同射流状况下的fi。
③仿生射流表面的减阻效果用减阻率DR来表示：DR=100%×(F-f)/F，减阻率DR越大，减阻效果越好，可通过比较不同射流状况下的减阻率DRi得到最优减阻情况。当变换射流方向或射流孔大小时，重复以上步骤，可以测出不同射流工况下的减阻效果，得出有最优减阻效果时的射流工况。
本实验装置还可以通过调节射流供给机构和主流供给机构的电动球阀，改变射流速度以及主流速度，模拟出在不同射流速度和主流速度的减阻情况。
本发明的有益效果：本发明通过利用仿生射流结构试验板，具有减小主流场流动过程中与接触壁面之间的摩擦阻力的效果，可以降低能量损失，提高输送效率，节约能源，可以轻松的改变射流方向及射流孔大小，比较不同射流结构下最优减阻工况。为了研究射流方向对射流减阻的影响，移动装置的滚轮通过螺丝固定连接在仿生结构试验板上，通过滚动滚轮可以带动仿生结构试验板移动，从而改变射流方向。同时考虑到射流方向变化时，试验板上圆形通孔壁面会影响斜向射流，将圆柱形通孔改造为上小下大的圆台形通孔。为了研究射流孔大小对射流减阻的影响，转盘通过螺丝固定连接在射流孔底部，通过转动转盘带动叶片发生偏转，从而改变射流孔大小。本装置占地面积小、成本低廉、结构简单、使用方便，评估仿生射流表面减阻效果的方法简单直观，结果可靠，还可以精确的控制试验模型的射流速度和主流速度，模拟不同射流环境，试验过程中实现了水的循环利用，环保节能，无污染。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是移动装置的结构示意图；
图3是移动装置移动过程示意图；
图4是射流孔大小变换装置结构示意图；
图5是射流孔大小变换装置（未安装叶片时）俯视图；
图6是射流孔大小变化过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述。
结合图1，本发明所述的一种可变射流方向及射流孔大小的仿生射流减阻表面测试装置，包括射流供给机构、主流供给机构、两组流量调控机构、移动装置10、矩形测试管道11、射流孔大小变换装置24以及仿生结构试验板25。所述的射流供给机构的射流内腔5与第一组流量调控机构的进液口连通，所述的第一组流量调控机构的出液口嵌在所述的仿生结构试验板25；所述的主流供给机构的出液口与第二组流量调控机构的进液口连通，所述的第二组流量调控机构的出液口与所述的矩形测试管道11的进液口连通；所述的仿生结构试验板25的侧边缘与所述的移动装置10的滚轮螺丝固定连接；所述的移动装置10的边缘与所述的矩形测试管道11的顶部螺丝固定连接；所述的射流孔大小变换装置24与射流孔底部螺丝固定连接；
结合图1，所述的射流供给机构包括水槽1、射流泵2、电机3、变频器4、射流内腔5，所述的变频器4通过调频对电机3转速进行调控，所述的电机3的动力输出端与所述的射流泵2动力输入端通过联轴器相连，所述的射流泵2的进液口通过进水管与所述的水槽1连通，所述的射流泵2的出液口通过出水管与所述的射流内腔5密封连通。通过变频器4调节电机3的转速，电机3带动射流泵2把水槽1中的水通过出水管泵入射流内腔5中。
结合图1，所述的主流供给机构包括变频器14、电机15、泵16、水槽13，所述的变频器14通过调频来用于控制电机15的转速，所述的电机15的动力输出端与所述的泵16动力输入端通过联轴器相连，所述的泵16的进液口通过进水管与所述的水槽13连通，所述的泵16的出液口通过出水管与第二组流量调控机构的进液口连通。通过变频器14调节电机15的转速，电机15带动泵16运行，将水槽13中的水通过出水管泵入矩形测试管道11中。
结合图1，所述的两组流量调控机构包括若干流量调控件，第一组的流量调控件包括第一电动球阀8、第一射流管、第二射流管和第一流量计9，所述的第一射流管的上端进液口通过内丝接头6嵌入射流内腔5，且有密封垫片7起着密封的作用，第一射流管道里集成了所述的第一电动球阀8和第一流量计9；所述的第二射流管的上端进液口通过防水密封胶与所述的第一射流管的下端出液口黏连，所述的第二射流管的下端出液口嵌入所述的仿生结构试验板25的射流孔内。所述的第二组流量调控机构包括第三射流管、第二电动球阀17和第二流量计18，所述的第三射流管集成了所述的第二电动球阀17和第二流量计18，所述的第三射流管的进液口与主流供给机构的泵16出液口连通，所述的第三射流管的出液口与矩形测试管道11的进液口连通。第一流量计9、第二流量计18的功能是用于监控系统中流体供给流量，流量的大小通过第一电动球阀8、第二电动球阀17进行控制，从而实现调节射流速度和主流速度的功能。
结合图1、图2和图3，所述的仿生结构试验板25为方形，并且所述的仿生结构试验板25上表面均布若干射流孔，每个射流孔对应一个流量调控件，且每个射流孔底部装置有射流孔大小变换装置24，在所述的仿生结构试验板的末端射流孔的两端开孔并安装固定两个高精度压力计21、22，所述的仿生结构试验板25的侧边缘与移动装置10的滚轮螺丝固定连接。
结合图1，所述的矩形测试管道11的进液口与第二组流量调控机构的射流管出液口连通，经过装有蜂窝器19及阻尼网20的整流段，能起到整流的作用，提高流场品质，在收缩段中进行加速后，泵入矩形测试管道11中，之后通过回流管道12实现水的循环，所述的矩形测试管道11的顶部与移动装置10的边缘螺丝固定连接。
结合图2和图3，所述的移动装置10包括滚轮10-1、导轨10-2、安装板10-5，滚轮10-1通过螺丝10-3固定在仿生结构试验板25上，导轨10-2通过螺丝10-4固定在安装板10-5上。滚轮10-1可在导轨10-2上滚动，使得试验板移动，从而改变射流方向。其中安装板10-5通过螺丝10-6固定于矩形测试管道11顶部。
结合图4、图5和图6，所述的射流孔大小变换装置24包括转盘、叶片24-4，所述的转盘由内圈24-1、外圈24-2和内排滚珠24-3组成。内圈24-1通过螺丝24-5固定在射流孔底部，叶片24-4通过螺丝24-6和24-7固定在外圈上，通过转动外圈24-2可以改变射流孔的大小。
安装过程：将已经安装有高精度测力计21、22的仿生结构试验板25的侧边缘与移动装置10的滚轮螺丝固定连接，将移动装置10的安装板10-5通过螺丝10-6固定于矩形测试管道11顶部，矩形测试管道11的进液口与第二组流量调控机构的第三射流管出液口连通，出液口与回流管道12连通。流量计通过螺纹连接连入射流管道，电动球阀上外丝连接到射流管道，将第二射流管道两端分别通过防水密封胶固连在仿生结构试验板25和射流管道支撑板上，将第二射流管的上端进液口通过防水密封胶与所述的第一射流管的下端出液口黏连，第一射流管的上端进液口通过内丝接头6嵌入射流内腔5，且有密封垫片7起着密封的作用。最后依次连接好变频器4、14、电机3、15、射流泵2、16、把电机3、15的抽水管放入水槽1、13中，进行抽水。
整个试验装置的工作原理是：通过变频器4调节电机3的转速，电机3带动射流泵2把水槽1中的水通过出水管泵入射流内腔5中。通过变频器14调节电机15的转速，电机15带动泵16抽出水槽13中的水通过出水管，随后经过装有蜂窝器19及阻尼网20的整流段，能起到整流的作用，提高流场品质，在收缩段中进行加速后，泵入矩形测试管道11中，之后通过回流管道12实现水的循环。流量计的功能是用于监控系统中流体供给流量，流量的大小通过电动球阀进行控制，从而实现调节射流速度和主流速度的功能。通过移动装置10可以改变射流方向，通过装置于射流孔底部的射流孔大小变换装置24可以改变射流孔的大小。
本发明评估仿生射流表面减阻效果的方法：
①启动射流供给机构和主流供给机构的射流泵2、16，关闭射流供给机构的电动球阀，打开主流供给机构的电动球阀，此时射流速度为0m/s，两个高精度压力计21、22测量的是未使用仿生射流结构试验板25的情况，记录下两个压力计测得的压力值，相减得到压力差F。
②当打开射流供给机构的电动球阀，通过调节主流供给机构的电动球阀，保持与第一个步骤的主流速度相等，同时记录射流状况下两个高精度压力计21、22的压力差f，且可以记录不同射流状况下的fi。
③仿生射流表面的减阻效果用减阻率DR来表示：DR=100%×(F-f)/F，减阻率DR越大，减阻效果越好，可通过比较不同射流状况下的减阻率DRi得到最优减阻情况。
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.可变射流方向及射流孔大小的仿生射流减阻表面测试装置，其特征在于：包括射流供给机构、主流供给机构、两组流量调控机构、仿生结构试验板、矩形测试管道、移动装置以及射流孔大小变换装置；
所述的两组流量调控机构包括若干流量调控件，第一组的流量调控件包括第一电动球阀、第一射流管、第二射流管和第一流量计，所述的第一射流管的上端进液口与射流供给机构中的射流内腔密封连通，第一射流管道里集成了所述的第一电动球阀和第一流量计；所述的第二射流管的上端进液口通过防水密封胶与所述的第一射流管的下端出液口黏连，所述的第二射流管的下端出液口嵌入所述的仿生结构试验板的射流孔内；第二组流量调控机构包括第三射流管、第二电动球阀和第二流量计，所述的第三射流管集成了所述的第二电动球阀和第二流量计，所述的第三射流管的进液口与主流供给机构的射流泵出液口连通，所述的第三射流管的出液口与矩形测试管道的进液口连通；
所述的仿生结构试验板为方形，并且所述的仿生结构试验板上表面均布若干射流孔，每个射流孔对应第一组中的一个流量调控件，且每个射流孔底部装置有射流孔大小变换装置，在所述的仿生结构试验板的末端射流孔的两端开孔并安装固定两个高精度压力计，所述的仿生结构试验板的侧边缘与移动装置的滚轮固定连接；
所述的移动装置包括滚轮、导轨和安装板，所述的滚轮固定连接在仿生结构试验板上，所述的导轨固定连接在安装板上，所述的安装板固定于矩形测试管道顶部，滚轮可在导轨上滚动，使得仿生结构试验板移动，从而改变射流方向；
所述的射流孔大小变换装置包括转盘、叶片，所述的转盘固定连接在射流孔底部，所述的叶片固定连接在所述的转盘上；所述转盘由内圈、外圈和内排滚珠组成；内圈固定在射流孔底部，叶片固定在外圈上，通过转动外圈改变射流孔的大小。
2.根据权利要求1所述的可变射流方向及射流孔大小的仿生射流减阻表面测试装置，其特征在于：所述的射流供给机构包括变频器、电机、射流泵、水槽、射流内腔，所述的变频器通过调频对电机转速进行调控，所述的电机的动力输出端与所述的射流泵动力输入端相连，所述的射流泵的进液口通过进水管与所述的水槽连通，所述的射流泵的出液口通过出水管与所述的射流内腔密封连通。
3.根据权利要求1所述的可变射流方向及射流孔大小的仿生射流减阻表面测试装置，其特征在于：所述的主流供给机构包括变频器、电机、射流泵、水槽，所述的变频器通过调频对电机转速进行调控，所述的电机的动力输出端与所述的射流泵动力输入端相连，所述的射流泵的进液口通过进水管与所述的水槽连通，所述的射流泵的出液口通过出水管与第二组流量调控机构的进液口连通。
4.根据权利要求1所述的可变射流方向及射流孔大小的仿生射流减阻表面测试装置，其特征在于：所述的矩形测试管道的进液口与第二组流量调控机构的射流管出液口连通，进液口安装有蜂鸣器和阻尼网，所述的矩形测试管道的出液口与回流管道连通，所述的矩形测试管道的顶部与移动装置的边缘固定连接。
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