CN112413240B - 一种用于流体力学试验的人工加糙管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于流体力学试验的人工加糙管及其制造方法，属于流体力学设备领域。该人工加糙管包括内壁光滑的圆管和同轴装配于圆管内部的螺旋线，所述螺旋线的外径等于或略小于圆管的内径，螺旋线的线截面为圆形，螺旋线与圆管内壁构成的阴角中通过填充熔化后再固化的锡实现固定。本发明的人工加糙管结构形式，能够通过调整螺旋线的线径以及节距，方便地改变普通管道内部的粗糙度，以适应于不同水力学试验的对于管内粗糙度的调节要求。同时，本发明提供的此类人工加糙管的制造工艺，能够实现螺旋线与圆管之间双侧锡焊点的稳定加固，在保证两者强度的情况下最大化简化工艺流程，无需特殊加工设备，能够大大降低成本。

Description

一种用于流体力学试验的人工加糙管及其制造方法

技术领域

本发明属于流体力学设备领域，具体涉及一种人工加糙管及其制造方法。

背景技术

在流体力学中，通常用粗糙系数来综合反映壁面对流动阻滞作用的系数，粗糙系数会直接改变管道内流体的运动状态。一般而言，粘性底层大于粗糙凸起高度，沿程阻力系数只与雷诺数有关的一种现象称为水力光滑；而糙高度远大于黏性底层厚度，阻力系数只依粗糙程度而变化的一种现象称为水力粗糙。圆管内流体流速受管壁的扰动影响，在横截面上呈U型分布。圆管壁对管内流体流态的影响范围随管壁粗糙度变化而变化，圆管管壁相对粗糙度越大，管内受扰动流体范围越大，即管内层流范围越小。

在进行水力学试验时，通常需要试验不同的管壁粗糙度下水流的流动状态，因此需要设计具有不同管壁粗糙度的管道。一般将此类在普通管道基础上特定增加粗糙度的管道称为人工加糙管。在现有技术中，人工加糙管可以通过3D打印或者型腔浇筑等方式进行加工，也可以在现有管道中对内壁进行粗糙加工，但这些加工方式工艺较为复杂，其成本也较高。而且其基于现有管道进行加工时，粗糙度有一定限制，不能实现粗糙度的大范围改变。

因此，如何设计一种新的粗糙管和简易、低成本的加工方法，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中人工加糙管制造不便的问题，并提供一种新型的人工加糙管及其制造方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种用于流体力学试验的人工加糙管，其包括内壁光滑的圆管和同轴装配于圆管内部的螺旋线，所述螺旋线的外径等于或略小于圆管的内径，螺旋线的线截面为圆形，螺旋线与圆管内壁构成的阴角中通过填充熔化后再固化的锡实现固定。

作为优选，所述螺旋线的材质为低导热系数材料。

进一步的，所述螺旋线的材质为玻璃、陶瓷、含锰或铬的合金、外包隔热涂层的金属。

作为优选，所述圆管的材质为导热材料。

进一步的，所述圆管的材质为不锈钢、铜或铝。

第二方面，本发明提供了一种如第一方面任一方案所述的人工加糙管的制造方法，其步骤如下：

S1：将螺旋线同轴装配于圆管内部，保持其两端相对于圆管两端内缩；

S2：保持装配有螺旋线的圆管直立于托盘上，然后向圆管内部逐渐填充锡粉，直至圆管内腔被锡粉完全充满；

S3：将填充满锡粉的圆管从托盘上以直立状态提起，使其底部开口脱离托盘保持悬空；

S4：利用振动器对圆管外壁施加振动，使圆管内部填充的锡粉逐渐从底部开口脱落，而螺旋线与圆管内壁构成的朝上的阴角中锡粉保留，直至圆管内除所述阴角位置外的其余锡粉全部脱落；

S5：保持圆管的姿态不变，并将其置于温度高于锡熔点但低于螺旋线和圆管的熔点的环境中，待所述阴角中的锡粉完全熔化后，将圆管移至室温中冷却使熔化后的锡重新固化，完成所述螺旋线一侧阴角的固定；

S6：将冷却后的圆管倒转180°并直立于托盘上，使其未填充锡的一侧所述阴角朝上；

S7：再次向圆管内部逐渐填充锡粉，直至圆管内腔被锡粉完全充满，然后重复S3～S4，使其朝上的所述阴角被锡粉填满；

S8：保持圆管的姿态不变，并将其预热至接近锡熔点但略低于锡熔点的温度，然后将圆管移至室温环境中，利用火焰喷枪从圆管上方从上到下进行间歇性火焰喷射，使朝上的所述阴角中的锡粉完全熔化，而朝下的所述阴角中的锡焊点保持固态；

S9：停止对圆管的加热使其逐渐冷却，使得所述螺旋线两侧的阴角均由熔化后再固化的锡固定。

作为优选，所述S2和S7中，锡粉逐层填充至圆管内并通过对圆管施加高频振动填实。

作为优选，所述S4中振动以及所述S2和S7中高频振动的频率为50～150HZ。

作为优选，所述S8中，预热的终点温度低于锡熔点30～50℃。

作为优选，所述人工加糙管加工完毕后，利用锉刀对螺旋线朝向圆管轴心的内侧进行打磨，以去除毛刺。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明的人工加糙管结构形式，能够通过调整螺旋线的线径以及节距，方便地改变普通管道内部的粗糙度，以适应于不同水力学试验的对于管内粗糙度的调节要求。同时，本发明提供的此类人工加糙管的制造工艺，能够实现螺旋线与圆管之间双侧锡焊点的稳定加固，在保证两者强度的情况下最大化简化工艺流程，无需特殊加工设备，能够大大降低成本。

附图说明

图1为人工加糙管制造过程中的部件分解示意图；

图2为人工加糙管制造过程中的第一个状态示意图；

图3为人工加糙管制造过程中的第二个状态示意图；

图4为人工加糙管制造过程中的第三个状态示意图；

图5为人工加糙管制造过程中的第四个状态示意图；

图6为人工加糙管制造过程中的第五个状态示意图；

图7为人工加糙管制造过程中的第六个状态示意图；

图8为人工加糙管制造过程中的第七个状态示意图；

图中附图标记为：螺旋线1、圆管2、托盘3、锡粉4、振动器5、锡焊点6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的一个较佳实施例中，我们提供了一种全新结构形式的人工加糙管，与传统的人工加糙管通过一体成型或者后续刻蚀等方式加工而成不同，本发明是利用内壁光滑的圆管2和螺旋线1装配而成的，螺旋线1同轴装配在圆管2内部，且螺旋线1的外径等于或略小于圆管2的内径，螺旋线1的线截面为圆形。由此，螺旋线1可以与圆管2内壁紧贴，其两侧与圆管2均可以构成的阴角，在两侧的阴角中通过填充熔化后再固化的锡，即可实现螺旋线1和圆管2的固定。螺旋线1的具体外径应当根据实际进行优化，其目标是保证螺旋线1能顺利进入圆管2的情况下，与圆管2的内壁之间尽量贴合，避免出现过大的间隙。本实施例中选用外径等于圆管2的内径的螺旋线1，以保证两者之间具有足够的摩擦力在后续直立状态下不会脱落。

在这种人工加糙管结构形式下，管内的粗糙度可以通过螺旋线1的节距(即相邻两圈弹簧之间的距离)和线径进行灵活调整，而且该调整也不会改变后续的加工制造方法，因此能够大大提高整体制造的自动化程度和便捷性。由于该结构属于全新的形式，因此下面详细描述该人工加糙管的制造工艺流程。

在本发明中，该人工加糙管的制造方法，步骤如下：

S1：取螺旋线1、圆管2、托盘3，然后将螺旋线1、圆管2以垂直状态置于托盘3上方，如图1所示。将螺旋线1同轴装配于圆管2内部，保持其两端相对于圆管2两端内缩，管内纵剖面如图2所示，此时螺旋线1可以与圆管2内壁紧贴，其两侧与圆管2均可以构成的阴角。为了便于叙述，将螺旋线1两侧的阴角分别称为朝上的阴角和朝下的阴角。

需要注意的是，本实施例中选用外径等于圆管2的内径的螺旋线1，因此可以保证两者之间具有足够的摩擦力在直立状态下不会脱落，但是如果螺旋线1的外径略小于圆管2的内径，则该步骤中需要利用外部装置对螺旋线1进行临时固定，以避免脱落。

S2：保持装配有螺旋线1的圆管2直立于托盘3上，圆管2的底部开口平贴托盘3的表面，以避免锡粉漏出。然后向圆管2内部逐渐填充锡粉4，直至圆管2内腔被锡粉4完全充满。在填充过程中，锡粉本身的粒度不宜过大，应尽量选择最细的锡粉。同时为了保证螺旋线1和圆管2的阴角处均能够被锡粉填满，锡粉尽量逐层进行填充，即填充一层锡粉后对圆管2进行振动，是这一层锡粉填充满整个圆管2的内部横截面空间，然后再进行下一层锡粉的填充。此处，可利用高频振动器对圆管2施加高频振动，以充分振捣分散锡粉。最终锡粉填充完毕的状态如图3所示。

S3：在图3所示的基础上，将填充满锡粉4的圆管2从托盘3上以直立状态提起，使其底部开口脱离托盘3保持悬空，形成图4的状态。

S4：图4状态下圆管2内部锡粉在自身摩擦力作用下大部分不会自动脱落，因此需要利用振动器5对圆管2外壁施加高频振动，使圆管2内部填充的锡粉4逐渐从底部开口脱落并存储于托盘3中。由于螺旋线1与圆管2内壁构成的朝上的阴角，锡粉在该朝上的阴角中会由于螺旋线1的阻挡而不掉落，但其中朝下的阴角以及螺旋线1的内腔中的锡粉均会在振动下自动掉落。由此，在不断振动过程中，螺旋线1与圆管2内壁构成的朝上的阴角中锡粉4得以保留，如图5所示。当圆管2内除朝上的阴角位置外的其余锡粉4全部脱落后，即可停止振动。

S5：保持圆管2的姿态处于图5所示状态不变，并将其置于温度高于锡熔点但低于螺旋线1和圆管2的熔点的环境中。该环境可以通过加热设备原位对圆管2进行加热实现，也可以通过将圆管2整体转移至高温炉中进行加热实现，本实施例中优选采用高温炉进行加热，以便于控制温度。锡粉的熔点为231.89℃，本实施例中控制高温炉中的温度为240℃。加热过程中，待朝上的阴角中的锡粉4完全熔化后，即可将圆管2移至室温中冷却，使熔化后的锡重新固化，完成螺旋线1中朝上的阴角的固定。此时，圆管2内的状态如图6所示，螺旋线1与圆管2在阴角位置形成了一个锡焊点6。

另外，圆管2的材质为导热材料，可采用不锈钢、铜或铝等。本实施例中采用不锈钢管。

以上步骤完成了螺旋线1单侧锡焊的固定，但是在实际使用中为了避免另一侧阴角引起过大的水力扰动，需要对另一侧的阴角也进行锡焊。但是由于一侧已经具有了锡焊点6，如果采用相同的加热方式会导致已有的锡焊点6熔化脱落，因此下面介绍对另一侧阴角进行锡焊的特殊方式。

S6：将冷却后的圆管2倒转180°并直立于托盘3上，使其未填充锡的一侧阴角朝上，而已有的锡焊点6朝下。

S7：再次向圆管2内部逐渐填充锡粉4，直至圆管2内腔被锡粉4完全充满，该过程可沿用S2中逐层填充振动的做法。当管内锡粉填充完毕后，重复S3～S4，使其朝上的阴角被锡粉4填满，具体过程如下：

将填充满锡粉4的圆管2从托盘3上以直立状态提起，使其底部开口脱离托盘3保持悬空。然后利用振动器6对圆管2外壁施加振动，使圆管2内部填充的锡粉4逐渐从底部开口脱落，而螺旋线1与圆管2内壁构成的朝上的阴角中锡粉4保留，直至圆管内除朝上的阴角位置外的其余锡粉全部脱落，形成如图7所示的状态。

S8：保持圆管2的姿态不变，并将其预热至接近锡熔点但略低于锡熔点的温度，然后将圆管2移至室温环境中，利用火焰喷枪从圆管2上方从上到下进行间歇性火焰喷射，使朝上的所述阴角中的锡粉4完全熔化，而朝下的所述阴角中的锡焊点6保持固态。

该步骤为本发明特定的加热工序，本发明采用的工艺是进行预热和间歇式火焰加热，其中需要保证螺旋线1的材质为低导热系数材料，例如玻璃、陶瓷、含锰或铬的合金、外包隔热涂层的金属均可。本实施例中，采用外包隔热涂层的铁丝制成螺旋线1，该螺旋线1由于导热系数较低，因此受到火焰加热使不会迅速传导热量，升温较慢。因此由于圆管2内朝上的阴角处的锡粉4已经被预热到接近熔点，因此当接触火焰时其会迅速熔化。但是朝下阴角处的锡焊点6由于内缩在阴角中，无法接触从上到下喷射的火焰，而螺旋线1外部的隔热涂层又无法迅速传导火焰的热量，因此其短时不会熔化。由于火焰是间歇性喷射的，锡焊点6中的热量不会累积，因此该加热方式可以保持锡焊点6不熔化的同时使得上部的锡粉4熔化。

另外，为了保证朝下的阴角处锡焊点6的可靠性，S8中预热的终点温度最好低于锡熔点30～50℃。否则过于接近锡熔点，仍有可能在火焰的喷射下导致朝下的阴角处锡焊点6部分熔化，破坏焊点结构。

S9：当S8中朝上的阴角处锡粉4完全熔化后，即可停止对圆管2的加热使其逐渐冷却，由此螺旋线1两侧的阴角均由熔化后再固化的锡焊点6固定，即如图8所示。

另外，本发明中在锡粉4的填充工序以及使锡粉4脱落的工序中，高频振动的频率应当根据试验进行优化，一般可以设置为50～150HZ。填充工序中频率优化的目的是保证锡粉被完全填充至朝上的阴角处，因此其频率可设置较高，脱落的工序中频率优化的目的是使朝上的阴角处的锡粉不会被振出脱落，因此其频率不宜过高。

另外，上述人工加糙管的加工过程中，仍然有可能存在锡粉粘附在螺旋线1的朝下的阴角处锡焊点6，或者在阴角处锡粉熔化过程中向下流动，进而形成毛刺。这些毛刺会造成管内异常的水力扰动，不利于准确反映粗糙度对于水流形态的影响，因此最好在上述S1～S9的工序加工完毕后，利用锉刀对螺旋线1朝向圆管2轴心的内侧进行打磨，以去除这些残余的毛刺，保持螺旋线1表面光滑。

由此可见，本发明的人工加糙管结构形式，能够通过调整螺旋线1的线径以及节距，方便地改变普通管道内部的粗糙度，以适应于不同水力学试验的对于管内粗糙度的调节要求。同时，本发明提供的此类人工加糙管的制造工艺，能够实现螺旋线1与圆管2之间双侧锡焊点的稳定加固，在保证两者强度的情况下最大化简化工艺流程，无需特殊加工设备，能够大大降低成本。

另外，需注意的是，上述人工加糙管中的粗糙度与弹簧式电阻丝线径和节距之间的关系，可以预先通过试验确定对应关系，后续即可通过查表法方便地确定。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于流体力学试验的人工加糙管的制造方法，其特征在于，所述用于流体力学试验的人工加糙管包括内壁光滑的圆管和同轴装配于圆管内部的螺旋线，所述螺旋线的外径等于或略小于圆管的内径，螺旋线的线截面为圆形，螺旋线与圆管内壁构成的阴角中通过填充熔化后再固化的锡实现固定；

所述制造方法步骤如下：

S1：将螺旋线同轴装配于圆管内部，保持其两端相对于圆管两端内缩；

S2：保持装配有螺旋线的圆管直立于托盘上，然后向圆管内部逐渐填充锡粉，直至圆管内腔被锡粉完全充满；

S3：将填充满锡粉的圆管从托盘上以直立状态提起，使其底部开口脱离托盘保持悬空；

S4：利用振动器对圆管外壁施加振动，使圆管内部填充的锡粉逐渐从底部开口脱落，而螺旋线与圆管内壁构成的朝上的阴角中锡粉保留，直至圆管内除所述阴角位置外的其余锡粉全部脱落；

S5：保持圆管的姿态不变，并将其置于温度高于锡熔点但低于螺旋线和圆管的熔点的环境中，待所述阴角中的锡粉完全熔化后，将圆管移至室温中冷却使熔化后的锡重新固化，完成所述螺旋线一侧阴角的固定；

S6：将冷却后的圆管倒转180°并直立于托盘上，使其未填充锡的一侧所述阴角朝上；

S7：再次向圆管内部逐渐填充锡粉，直至圆管内腔被锡粉完全充满，然后重复S3~S4，使其朝上的所述阴角被锡粉填满；

S8：保持圆管的姿态不变，并将其预热至接近锡熔点但略低于锡熔点的温度，然后将圆管移至室温环境中，利用火焰喷枪从圆管上方从上到下进行间歇性火焰喷射，使朝上的所述阴角中的锡粉完全熔化，而朝下的所述阴角中的锡焊点保持固态；

S9：停止对圆管的加热使其逐渐冷却，使得所述螺旋线两侧的阴角均由熔化后再固化的锡固定。

2.如权利要求1所述的人工加糙管的制造方法，其特征在于，所述螺旋线的材质为低导热系数材料。

3.如权利要求2所述的人工加糙管的制造方法，其特征在于，所述螺旋线的材质为玻璃、陶瓷、含锰或铬的合金、外包隔热涂层的金属。

4.如权利要求1所述的人工加糙管的制造方法，其特征在于，所述圆管的材质为导热材料。

5.如权利要求4所述的人工加糙管的制造方法，其特征在于，所述圆管的材质为不锈钢、铜或铝。

6.如权利要求1所述的人工加糙管的制造方法，其特征在于，所述S2和S7中，锡粉逐层填充至圆管内并通过对圆管施加高频振动填实。

7.如权利要求1所述的人工加糙管的制造方法，其特征在于，所述S4中振动以及所述S2和S7中高频振动的频率为50~150HZ。

8.如权利要求1所述的人工加糙管的制造方法，其特征在于，所述S8中，预热的终点温度低于锡熔点30~50℃。

9.如权利要求1所述的人工加糙管的制造方法，其特征在于，所述人工加糙管加工完毕后，利用锉刀对螺旋线朝向圆管轴心的内侧进行打磨，以去除毛刺。

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