CN114964706A - 一种高速外流减阻效果测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速外流减阻效果测量装置及测量方法，包括下连接板，所述下连接板的下表面通过紧固件与固定壁面连接，所述下连接板的上表面间隔固定有多个支杆，每个支杆的顶面安装测力天平，在所有测力天平的顶面同时安装上连接板，所述上连接板下侧面与所有测力天平的上侧表面固连，上连接板的上侧表面作为样件安装的基准面，所述上连接板上开有多个圆孔，并通过流向间距的圆孔与样件固连；所述上连接板、测力天平、支杆和下连接板形成框架式整体结构，操作简便，工作可靠性好。

Description

一种高速外流减阻效果测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及流动减阻测量设备技术领域，尤其是一种高速外流减阻效果测量装置及测量方法。

背景技术

流动阻力与空中、水下航行器的动力需求、能量消耗直接相关，减小流动阻力(减阻)是航行器设计和应用中永恒的主题。与管道、明渠等的内流流动不同，航行器周围的流动为典型的外流绕流。现代航行器逐渐向高速化方向发展，高速外流条件下的减阻效果测量需求日益增强。

减阻效果测量的基本原理是模拟实际流动，并在相同来流条件(流速、湍流度等)和姿态角(通常取零攻角、零漂角的直航状态)下，比较试验样和对照样的阻力大小，如图1、图2所示。为模拟实际流动，通常通过支杆将样件置于流场核心区域，调整好样件(试验样或对照样)姿态角，再通过风洞、水洞等设备提供来流条件，最后通过阻力传感器(测力天平)测量样件的阻力值。

测力天平3是减阻效果测量的核心元器件，由弹性天平元件301、应变计303、测量电路302(电桥)组成，如图3所示。样件2将阻力载荷传导给测力天平3后，引起弹性元件的变形；贴附在弹性元件上的应变计303同时发生变形，使得应变计303阻值发生变化；测量电路302再将应变计303阻值变化转换成电压信号。该电压信号可定量反映样件阻力载荷的大小。

测力天平3的设计和选型需要综合考虑其结构安全性和测量量程。高速流动下湍流脉动增强，引起样件阻力载荷脉动增强，进而引起测力天平的结构振动增强，导致其安全性下降，容易在试验测量中损坏失效。因此，若要提高测力天平的结构安全性，就需要增加弹性元件的刚度，带来的结果是弹性降低，量程变大。而在满足阻力载荷测量范围、同等标称精度的情况下，增加量程带来的结果是实际测量精度的降低。不能调和结构安全性和测量量程之间的矛盾，导致测力天平实际测量精度降低，是将传统中低速外流减阻效果测量方法和装置应用于高速流动存在的问题之一。

此外，攻角、漂角对流线型航行器的阻力测量结果影响较大，非零攻角、零漂角时往往会引入额外的法向力f，造成测量值F’相较实际阻力值F偏大，如图4、图5所示。传统外流减阻效果测量方法通常以单个测力天平的上表面作为安装基准面，由于测力天平的结构限制，该基准面的流向尺寸和面积往往较小，相较流向尺寸和面积较大的基准面，相同绝对安装不平整下的攻角偏差，以及相同绝对间隙(安装孔与螺栓间)下的漂角偏差均较大，如图6～图9所示。因此，采用传统外流减阻效果测量方法，更换每件样件时都需要进行精心调整，以确保姿态角的一致性。当试验样件数目较多时，该项工作的工作量往往巨大。样件姿态调整占据了测试人员过多的时间和精力，是传统外流减阻效果测量方法和装置存在的另一项问题。

综上可知，现有外流减阻效果测量方法和装置存在高速流动测量时测力天平实际测量精度降低、多样件测量时样件姿态调整费时费力等问题，尚有较大改进和提升空间。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种高速外流减阻效果测量装置及测量方法，从而有效的解决现有测量时测力天平实际测量精度降低、多样件测量时样件姿态调整费时费力等问题，大大提高了测量精度和效果。

本发明所采用的技术方案如下：

一种高速外流减阻效果测量装置，包括下连接板，所述下连接板的下表面通过紧固件与固定壁面连接，所述下连接板的上表面间隔固定有多个支杆，每个支杆的顶面安装测力天平，在所有测力天平的顶面同时安装上连接板，所述上连接板下侧面与所有测力天平的上侧表面固连，上连接板的上侧表面作为样件安装的基准面，所述上连接板上开有多个圆孔，并通过流向间距的圆孔与样件固连；所述上连接板、测力天平、支杆和下连接板形成框架式整体结构。

其进一步技术方案在于：

所述支杆的数量大于等于两件。

所述测力天平的数目与支杆的数目相同。

所述测力天平与支杆一一对应安装，安装完成后，测力天平与支杆的感测方向与样件所受阻力的方向相同。

在进行减阻效果测量时，样件的阻力载荷通过与样件固连的上连接板传入装置，随后在各测力天平之间进行分配。

样件的阻力载荷在各测力天平之间平均分配，各测力天平感测其所分配的阻力载荷，并将其转换成相应电压信号，各测力天平的电压信号之和可定量反映样件阻力载荷的大小。

一种高速外流减阻效果测量装置的测量方法，包括如下操作步骤：

步骤一：根据实际测量需求，建立高速外流减阻效果测量装置，重点包括所选用测力天平的标称精度、量程、数目，以及上连接板流向长度、圆孔的流向间距；

步骤二：将步骤一中已经安装好的装置置于流场中的目标位置，并将装置的下连接板与固定壁面连接，确保样件安装后可获得目标姿态角；

步骤三：通过上连接板的圆孔将样件与装置固连，并在来流作用下测量获得样件的阻力；

步骤四：通过上连接板的安装孔将样件与装置分离，更换样件，重复步骤三；

步骤五：根据测量获得的各样件阻力值，按(对照样阻力-试验样阻力)/对照样阻力，计算获得试验样相对对照样的减阻率。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过改进测量装置的结构形式，更换样件更加方便，测量精度高，测量效果好，大大提高了测量装置的工作可靠性，并有效的解决了现有方法存在的高速流动测量时测力天平实际测量精度降低、多样件测量时样件姿态调整费时费力等问题。

附图说明

图1为减阻效果测量基本原理示意图之侧向视图。

图2为减阻效果测量基本原理示意图之流向视图。

图3为测力天平的原理示意图。

图4为样件攻角示意图。

图5为样件漂角示意图。

图6为安装偏差引起的攻角偏差示意图(一)。

图7为安装偏差引起的攻角偏差示意图(二)。

图8为安装偏差引起的漂角偏差示意图(一)。

图9为安装偏差引起的漂角偏差示意图(二)。

图10为本发明提出的高速外流减阻效果测量方法与装置示意图。

图11为上连接板示意图。

图12为本发明提出的高速外流减阻效果测量方法流程图。

图13为实施例一的高速外流减阻效果测量装置侧向示意图。

图14为实施例一的高速外流减阻效果测量装置流向示意图。

图15为实施例一的高速外流减阻效果测量装置垂向示意图。

其中：1、流体介质；2、样件；3、测力天平；4、支杆；5、基准面上的绝对安装偏差；6、螺栓；7、上连接板；8、下连接板；9、固定壁面；

301、弹性天平元件；302、测量电路；303、应变计；

701、圆孔。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图15所示，本实施例的高速外流减阻效果测量装置，包括下连接板8，下连接板8的下表面通过紧固件与固定壁面9连接，下连接板8的上表面间隔固定有多个支杆4，每个支杆4的顶面安装测力天平3，在所有测力天平3的顶面同时安装上连接板7，上连接板7下侧面与所有测力天平3的上侧表面固连，上连接板7的上侧表面作为样件2安装的基准面，上连接板7上开有多个圆孔701，并通过流向间距的圆孔701与样件2固连；上连接板7、测力天平3、支杆4和下连接板8形成框架式整体结构。

支杆4的数量大于等于两件。

测力天平3的数目与支杆4的数目相同。

测力天平3与支杆4一一对应安装，安装完成后，测力天平3与支杆4的感测方向与样件2所受阻力的方向相同。

在进行减阻效果测量时，样件2的阻力载荷通过与样件2固连的上连接板7传入装置，随后在各测力天平3之间进行分配。

样件2的阻力载荷在各测力天平3之间平均分配，各测力天平3感测其所分配的阻力载荷，并将其转换成相应电压信号，各测力天平3的电压信号之和可定量反映样件2阻力载荷的大小。

本实施例的高速外流减阻效果测量装置的测量方法，包括如下操作步骤：

步骤一：根据实际测量需求，建立高速外流减阻效果测量装置，重点包括所选用测力天平3的标称精度、量程、数目，以及上连接板7流向长度、圆孔701的流向间距；

步骤二：将步骤一中已经安装好的装置置于流场中的目标位置，并将装置的下连接板8与固定壁面9连接，确保样件2安装后可获得目标姿态角；

步骤三：通过上连接板7的圆孔701将样件2与装置固连，并在来流作用下测量获得样件2的阻力；

步骤四：通过上连接板7的安装孔701将样件2与装置分离，更换样件2，重复步骤三；

步骤五：根据测量获得的各样件阻力值，按(对照样阻力-试验样阻力)/对照样阻力，计算获得试验样相对对照样的减阻率。

首先，采用由多个测力天平3组成的框架式整体结构进行样件的阻力测量，既可以减小结构振动，又可以减小所选用测力天平的量程，从而提高测力天平3的实际测量精度，进而提高样件2阻力的测量精度；其次，将框架式整体结构的上连接板7(流向狭长表面)作为安装基准面，并结合流向间距较大的安装孔，进一步减小相同绝对安装偏差下样件的攻角和漂角变化范围，以实现更换样件时攻角、漂角的免调整，如图6～图9所示。

本发明所述的高速外流减阻效果测量装置的结构为：

主要包括上连接板7、测力天平3、支杆4和下连接板8，如图8所示。其中，下连接板8为一件，下连接板8的下表面与固定壁面连接，上表面与支杆4下侧表面固连；支杆4的数量大于等于两件，作为测力天平3的底座，与测力天平3下侧表面固连；测力天平3数目与支杆4相同，并与支杆4一一对应安装，安装完成后其感测方向需与样件所受阻力的方向相同；上连接板7为一件，其下侧面与所有测力天平3的上侧表面固连，其上侧表面作为样件2安装的基准面，并通过流向间距较大的圆孔701与样件2固连，如图11所示。上连接板7、测力天平3、支杆4和下连接板8形成框架式整体结构，其中，除测力天平部分为弹性外，其余部分均为刚性。

在进行减阻效果测量时，样件2的阻力载荷通过与样件2固连的上连接板7传入装置，随后在各测力天平3之间进行分配。一般情况下，各测力天平3的结构、在装置中的相对位置和姿态一致。

因此，样件2的阻力载荷在各测力天平3之间平均分配。各测力天平3感测其所分配的阻力载荷，并将其转换成相应电压信号。装置中各测力天平3的电压信号之和可定量反映样件2阻力载荷的大小。

本发明所述的高速外流减阻效果测量方法，主要包括以下步骤：

步骤一：根据实际测量需求，建立上述高速外流减阻效果测量装置，重点包括所选用测力天平的标称精度、量程、数目，以及上连接板流向长度、其上安装孔的流向间距等；

步骤二：将装置置于流场中的目标位置，并将装置的下连接板与固定壁面连接，确保样件安装后可获得目标姿态角；

步骤三：通过上连接板的圆孔将样件与装置固连，并在来流作用下测量获得样件的阻力；

步骤四：通过上连接板的圆孔将样件与装置分离，更换样件，重复步骤三；

步骤五：根据测量获得的各样件阻力值，按(对照样阻力-试验样阻力)/对照样阻力，计算获得试验样相对对照样的减阻率。

至于测力天平3的标定、支架干扰扣除等内容，可参照传统减阻效果测量中的相关方法进行，此处无需赘述。

实施例一：

翼型平板样件高速水洞外流减阻效果测量案例

本实施例进一步说明如何采用本发明提出的方法与装置进行翼型平板样件高速水洞外流减阻效果测量。方法流程图和装置示意图见图10、图12，主要包括以下步骤：

步骤一：根据实际测量需求，建立高速外流减阻效果测量装置；

本实施例需要在高速水洞中建立翼型平板样件外流减阻效果的测量方法与装置。其中，水洞试验段为长方体，主尺度为1600×225×225mm(长×宽×高)；翼型平板样件主尺度为800×200×14mm(长×宽×厚)，首部为1:5(短轴：长轴)半椭圆，尾部为1:5(短轴：长轴)楔形；试验最高水速需≥14m/s，测力天平实际测量精度需≤0.1N，样件安装引起的攻角、漂角变化需≤3”(即0.05°)。

根据估算，确定装置的阻力测量量程为0～200N。采用标称(满量程)精度0.1％的测力天平，量程为200N时测力天平的实际测量精度为200×0.1％＝0.2N，量程为100N时测力天平的实际测量精度为100×0.1％＝0.1N。根据测力天平的实际测量精度需要，确定所选用测力天平量程为100N，数目为2个。

根据估算，样件2的最大绝对安装不平整和绝对间隙(安装孔与螺栓间)均为0.35mm。因此，要使样件安装引起的攻角、漂角变化≤3”，参照图6～图9，上连接板及其上安装孔的流向间距应大于0.35mm/tan(3”)＝401mm。最终确定上连接板总长为441mm，其上安装孔的流向间距为421mm。故样件安装偏差引起的最大攻角、漂角偏差将分别为arctan(0.35mm/441mm)＝2.7”、arctan(0.35mm/421mm)＝2.9”，均小于3”，可实现更换样件后免姿态调整。

为了减小测量装置对样件周围流动的干扰，将上连接板和支杆做成流线型，将测力天平的大部分主体置于流线型支杆内部。最终建立的翼型平板样件高速水洞外流减阻效果测量装置以及各组件及其连接情况如图13～图15所示。

步骤二：将装置置于流场中的目标位置，并将装置的下连接板与固定壁面连接，确保样件安装后可获得目标姿态角；

由于本实施例中装置的上连接板与样件平行，因此，上连接板的姿态角与样件的姿态角相同。

将上述测量装置的下连接板与水洞底壁平齐安装，参照水洞中心线，精确调整上连接板的位置和姿态。调整完成后，不再改变装置及各组件的位置和姿态。

步骤三：通过上连接板的安装孔将样件与装置固连，并在来流作用下测量获得样件的阻力；

通过上连接板的安装孔，将试验样与装置固连。根据步骤一中的分析结果，此时试验样安装偏差引起的最大攻角、漂角偏差均小于3”，可不进行姿态调整。

水洞注水并开启水速，待试验段获得14m/s来流速度后，采集装置中各测力天平的输出信号，获得试验样的阻力值F1。

步骤四：通过上连接板的安装孔将样件与装置分离，更换样件，重复步骤三；

通过上连接板的安装孔，将试验样与装置分离。通过上连接板的安装孔，将对照样与装置固连。根据步骤一中的分析结果，此时对照样安装偏差引起的最大攻角、漂角偏差均小于3”，可不进行姿态调整。

水洞注水并开启水速，待试验段获得14m/s来流速度后，采集装置中各测力天平的输出信号，获得对照样的阻力值F2。

步骤四：根据测量获得的各样件阻力值，计算获得减阻率。

按(F2-F1)/F2计算获得试验样相对对照样的减阻率。

以具体实施例一为例，实际加工了相应装置，并测量了三件相同外形和尺寸的光滑平板样件的阻力，通过相同水速下的阻力值极差/阻力值均值，分析了该装置的测量精度，见表1。结果表明，6m/s～14m/s水速范围内，测量精度优于1.2％，远高于采用传统装置对平板样件约4％的阻力测量精度。此外，样件姿态调整工作仅在安装第一件样件时进行，更换样件时无需重新调整。相比采用传统装置时每次更换样件后均需重新调整，大大提高了试验测量的工作效率。

表1光滑平板样件阻力测量结果

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种高速外流减阻效果测量装置，其特征在于：包括下连接板(8)，所述下连接板(8)的下表面通过紧固件与固定壁面(9)连接，所述下连接板(8)的上表面间隔固定有多个支杆(4)，每个支杆(4)的顶面安装测力天平(3)，在所有测力天平(3)的顶面同时安装上连接板(7)，所述上连接板(7)下侧面与所有测力天平(3)的上侧表面固连，上连接板(7)的上侧表面作为样件(2)安装的基准面，所述上连接板(7)上开有多个圆孔(701)，并通过流向间距的圆孔(701)与样件(2)固连；所述上连接板(7)、测力天平(3)、支杆(4)和下连接板(8)形成框架式整体结构。

2.如权利要求1所述的一种高速外流减阻效果测量装置，其特征在于：所述支杆(4)的数量大于等于两件。

3.如权利要求1所述的一种高速外流减阻效果测量装置，其特征在于：所述测力天平(3)的数目与支杆(4)的数目相同。

4.如权利要求1所述的一种高速外流减阻效果测量装置，其特征在于：所述测力天平(3)与支杆(4)一一对应安装，安装完成后，测力天平(3)与支杆(4)的感测方向与样件(2)所受阻力的方向相同。

5.如权利要求1所述的一种高速外流减阻效果测量装置，其特征在于：在进行减阻效果测量时，样件(2)的阻力载荷通过与样件(2)固连的上连接板(7)传入装置，随后在各测力天平(3)之间进行分配。

6.如权利要求1所述的一种高速外流减阻效果测量装置，其特征在于：样件(2)的阻力载荷在各测力天平(3)之间平均分配，各测力天平(3)感测其所分配的阻力载荷，并将其转换成相应电压信号，各测力天平(3)的电压信号之和可定量反映样件(2)阻力载荷的大小。

7.一种高速外流减阻效果测量装置的测量方法，其特征在于：包括如下操作步骤：

步骤一：根据实际测量需求，建立高速外流减阻效果测量装置，重点包括所选用测力天平(3)的标称精度、量程、数目，以及上连接板(7)流向长度、圆孔(701)的流向间距；

步骤二：将步骤一中已经安装好的装置置于流场中的目标位置，并将装置的下连接板(8)与固定壁面(9)连接，确保样件(2)安装后可获得目标姿态角；

步骤三：通过上连接板(7)的圆孔(701)将样件(2)与装置固连，并在来流作用下测量获得样件(2)的阻力；

步骤四：通过上连接板(7)的安装孔(701)将样件(2)与装置分离，更换样件(2)，重复步骤三；

步骤五：根据测量获得的各样件阻力值，按(对照样阻力-试验样阻力)/对照样阻力，计算获得试验样相对对照样的减阻率。

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