CN112478043B - 一种基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置 - Google Patents

一种基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，包括具有收容空间的基体、体刺结构和角度调节机构；基体设有用于支撑体刺结构的多孔刚性基底，体刺结构包括滚动体以及与滚动体固定连接的减阻元，滚动体置于刚性基底开设的孔内并与其相适配，减阻元伸出基体外，角度调节机构与滚动体相连；刚性基底的外表面覆盖有弹性层，弹性层与减阻元紧密贴合、并与基体形成密闭腔体；角度调节机构带动滚动体在刚性基体的孔内转动，进而调节减阻元的角度。本发明可实现减阻最优化且可适用于各种条件，避免试验中多次更换构件造成浪费、节约时间来提高试验的效率，优化减阻效果的同时，降低构件损坏率，并提高构件适用性。

Description

一种基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置
技术领域
本发明涉及一种可调减阻装置，特别是涉及一种基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置。
背景技术
随着能源消耗的不断增加，对船舶，潜艇等航行体的综合性能提出了更高的要求。在航行过程中需要克服的各种阻力，例如兴波阻力，涡流阻力和摩擦阻力，其中摩擦阻力占总阻力的40％-80％，可见降低流体摩擦阻力可以提高航行体的航行速度和能源利用率等综合性能。仿生学研究表明，非光滑的结构可以通过调节体表结构来改变边界层的流场结构，从而减少摩擦阻力。
现有表面减阻技术仿生多种生物对象，包括仿鲨鱼表面的沟槽结构、沟槽与表皮黏液耦合的减阻表面以及仿河鲀表皮形貌的水下减阻表面。但是，现有技术中的减阻装置减阻效果差，装置的损坏率较高，适用场景受限。如CN201810372796.1公开的仿生物表皮的表面参数可调减阻装置，其包括具有容纳空间的基体，覆盖于该基体上、以使其构成密闭型腔的高弹性薄膜，填充于密闭型腔内的介质和沿竖直方向上设置支撑件，基体内还设有可沿其壁上下移动、用于支撑介质和支撑件的基板，密闭型腔内介质压力和基板位置可有液压控制中心协调控制，进而调节减阻装置的表面参数。通过刚柔耦合的表面参数调节装置以实现减阻的作用，但是这种结构运用于实际中，使得结构(高弹性薄膜)造成损坏，加之基体上的开孔与薄膜会产生一定的间隙，以此造成减阻效果差。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，减阻效果好，适用性强，且不易损坏。
技术方案：本发明的一种基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，该装置包括具有收容空间的基体，体刺结构，以及设置于基体内部的角度调节机构；基体设有用于支撑体刺结构的多孔刚性基底，体刺结构包括滚动体以及与滚动体固定连接的减阻元，滚动体置于刚性基底开设的孔内并与其相适配，减阻元伸出基体外，角度调节机构与滚动体相连；刚性基底的外表面覆盖有弹性层，弹性层与减阻元紧密贴合、并与基体形成密闭腔体；角度调节机构带动滚动体在刚性基体的孔内转动，进而调节减阻元的角度。
为了进一步调节减阻元的角度，以提高减阻效果；减阻元角度包括倾斜角度α和来流角度β；倾斜角度α是指减阻元轴线与其在弹性覆盖层表面的投影线所形成的夹角；来流角度β是指减阻元轴线在弹性覆盖层表面的投影线与来流方向所形成的夹角。采用的减阻元角度可调范围：倾斜角度α的范围约为30°～150°，来流角度β的范围为0°～360°。应用于本发明的减阻，根据生物的特性，倾斜角度α的范围设为30°～90°，来流角度β的范围设为0°～50°或310°～360°。
角度调节机构包括与滚动体相连的四杆机构群，以及与四杆机构群相连的倾斜角度调节装置和来流角度调节装置；倾斜角度调节装置和来流角度调节装置均与位移控制器相连。位移控制器通过控制倾斜角度调节装置和来流角度调节装置的角度调节四杆机构群，进而调节减阻元的角度，即倾斜角度和来流角度。
优选地，四杆机构群包括若干竖直连杆和水平连杆，竖直连杆与滚动体的底部采用螺栓固定连接，且竖直连杆和滚动体的轴线重合；竖直连杆与水平连杆铰接形成四杆机构群。
其中，减阻元位于滚动体上方，减阻元呈凸起结构。优选地，所述减阻元为圆锥结构。
其中，所述弹性层粘贴于多孔刚性基底上，与其形成密封性良好的型腔，与外界工作介质相接触、实现减阻，其尺寸由减阻表面整体尺寸决定。
其中，减阻元和滚动体两者之间固定作为整体，且两者的轴线重合；减阻元与弹性覆盖层紧密结合，同时减阻元和滚动体作为整体被支撑在刚性基底的孔上，通过四杆机构群调节减阻元角度。
优选地，体刺结构的数量为若干个，呈均匀排布。体刺结构也可根据实际设计需要进行设计位置。
并且，上述减阻元、滚动体、弹性覆盖层等需与刚性基底配套使用，安装过程中位置需要严格对中。
本发明的一种基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置的基体容纳空间且有支撑作用，基体顶端支撑有固定基底，形成密闭的型腔，且容纳能调节减阻元角度的四杆机构群。该装置具有弹性覆盖层、减阻元构成的柔性非光滑表面，多孔刚性基体与弹性覆盖层紧密结合、并支撑减阻元和滚动体，四杆机构群用于调节减阻元角度，四杆机构群由电磁驱动位移控制中心协调控制。
本发明可实现减阻最优化且可适用于各种条件，避免试验中多次更换构件造成浪费、节约时间来提高实验的效率，优化减阻效果的同时，降低构件损坏率，并提高构件适用性。
有益效果：与现有技术相比，本发明结合了传统的非光滑刚性结构的优秀的减阻性能和高弹性薄膜的柔性缓冲优点，可调节减阻元角度的可调减阻装置，优化减阻效果；且减阻装置的适用性极强，可以根据流速、介质等工作条件，通过电磁驱动位移控制器，实现硬质减阻元的角度(减阻元倾斜角度α和来流角度β)的调节，以达到最优的减阻效果；同时大幅降低了构件的损坏率，减阻装置的稳定性提高；避免试验中多次更换构件造成浪费、节约时间来提高试验效率。
本发明的产业化前景广，不仅适用于舰船、潜艇等水下航行器，也可以应用于陆地上汽车、空中飞机等领域的航行器。
附图说明
图1为本发明装置的俯视图，其倾斜角度α为90°；
图2为图1中的主视图之剖面图，其倾斜角度α为90°；
图3为图1中的侧视图之剖面图，其倾斜角度α为90°；
图4为基底的俯视图；
图5为减阻元的倾斜角度α和来流角度β示意图；
图6为本发明装置的俯视图，其倾斜角度α为60°及来流角度β为30°；
图7为本发明装置的主视图之剖面图，其来流角度β为0°；
图8为本发明装置的侧视图之剖面图，其来流角度β为270°；
图9为本发明装置内部的三维结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。
如图1～8所示，本发明基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，其包括第一电磁驱动位移控制器1、倾斜角度调节装置2、基体3、多孔刚性基底4、弹性覆盖层5、减阻元6、滚动体7、竖直连杆8、第二电磁驱动位移控制器9、来流角度调节装置10、销(套筒)11、水平连杆12。基体3支撑基底4，且基体3容纳倾斜角度调节装置2、竖直连杆8、来流角度调节装置10、销(套筒)11、水平连杆12，以及固定第一电磁驱动位移控制器1和第二电磁驱动位移控制器9。弹性覆盖层5粘贴在刚性基底4上表面，与基体3形成密闭的型腔。减阻元6与滚动体7固定作为整体，且两者轴线重合，一同安装于刚性基底4的孔上，起到支撑、滚动的作用。竖直连杆8与滚动体7通过螺纹固定，且两者轴线重合。竖直连杆8与水平连杆12通过销(套筒)11进行铰接组合作为四杆机构群。电磁驱动位移控制器1和9控制调节倾斜角度调节装置2和来流角度调节装置10，进而控制四杆机构群调节减阻元角度，包括来流角度β和倾斜角度α。
如图9所示，本实施例中设有三行五列均匀排布的体刺结构，每个滚动体底部向下竖直延伸有连接杆，第一行和第三行的滚动体连接杆的底部连接有竖直连杆，沿每一列向的滚动体均设有水平连杆依次相连；竖直连杆与滚动体采用螺栓固定连接，且竖直连杆和滚动体的轴线重合；竖直连杆与水平连杆铰接形成四杆机构群。
第一行和第三行的竖直连杆底部设有水平连杆依次横向连接，且在一侧铰接有倾斜角度调节装置(调节连杆)，倾斜角度调节杆与第一电磁驱动位移控制器1连接；第一列滚动体下方依次相连的水平连杆一侧铰接有来流角度调节装置(调节连杆)，来流角度调节杆与第二电磁驱动位移控制器9连接。使用过程中，第一电磁驱动位移控制器1和第二电磁驱动位移控制器9控制倾斜角度调节杆和来流角度调节杆的角度，进而控制减阻元的角度。
弹性覆盖层5紧贴在刚性基底4上表面，与减阻元6紧密贴合，形成弹性非光滑表面，随着表面水流速度不同形成自适应变化，同时可以延缓流体从层流向湍流的转变，增加边界层厚度，减小了边界的速度梯度和剪切应力，从而实现减阻，同时避免表面流体与基体3内的结构接触，造成结构的损坏。
工作时，流体流经弹性覆盖层5和减阻元6的表面，通过调节电磁驱动位移控制器1和9，对斜角度调节装置2和来流角度调节装置10进行调节，竖直连杆8和水平连杆12被带动，进而通过滚动体7的作用，使得固定在滚动体7上的减阻元6的角度被调节调节，实现高效减阻。
本实施例中采用的减阻元角度可调范围：倾斜角度α的范围设为30°～90°，来流角度β的范围为0°～50°或310°～360°。
其中，多孔刚性基底4和滚动体7可采用高碳铬轴承钢，弹性覆盖层5可采用PDMS材料制成；本实施例其他未详细说明之处均可采用现有技术轻易实现。
本发明的角度可调减阻装置，可应用于舰船、潜艇等水下航行器，或应用于陆地上汽车、高铁等，或应用于飞机等空中飞行器。本发明装置中的减阻元结构不仅适用于圆锥结构，所有的凸起形状的结构都适用于本发明。

Claims (8)

1.一种基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，其特征在于：包括具有收容空间的基体，体刺结构，以及设置于基体内部的角度调节机构；基体（3）设有用于支撑体刺结构的多孔刚性基底（4），体刺结构包括滚动体（7）以及与滚动体固定连接的减阻元（6），滚动体置于刚性基底开设的孔内并与其相适配，减阻元伸出基体外，角度调节机构与滚动体相连；刚性基底（4）的外表面覆盖有弹性层（5），弹性层与减阻元紧密贴合、并与基体（3）形成密闭腔体；角度调节机构带动滚动体在刚性基体的孔内转动，进而调节减阻元的角度；
角度调节机构包括与滚动体相连的四杆机构群，以及与四杆机构群相连的倾斜角度调节装置和来流角度调节装置；倾斜角度调节装置和来流角度调节装置均与位移控制器相连。
2.根据权利要求1所述的基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，其特征在于：减阻元的倾斜角度α为30~90°，来流角度β为0°~50°或310°~360°。
3.根据权利要求1所述的基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，其特征在于：四杆机构群包括若干竖直连杆和水平连杆，竖直连杆与滚动体固定连接，且竖直连杆和滚动体的轴线重合；竖直连杆与水平连杆铰接形成四杆机构群。
4.根据权利要求1所述的基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，其特征在于：减阻元位于滚动体上方，减阻元呈凸起结构。
5.根据权利要求4所述的基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，其特征在于：所述减阻元为圆锥结构。
6.根据权利要求1所述的基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，其特征在于：所述弹性层（5）粘贴于多孔刚性基底上。
7.根据权利要求1所述的基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，其特征在于：减阻元（6）和滚动体（7）两者之间固定作为整体，且两者的轴线重合。
8.根据权利要求1所述的基于仿河鲀体刺的角度可调减阻装置，其特征在于：体刺结构的数量为若干个，呈均匀排布。
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