CN202049100U

CN202049100U - 流体边界层阻力测试天平

Info

Publication number: CN202049100U
Application number: CN2010205331027U
Authority: CN
Inventors: 叶经方; 范宝春
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2020-09-17

Abstract

本实用新型公开了一种流体边界层阻力测试天平，由移动床、悬挂装置及磁感应铁片和磁感应位移传感器探头组成，将移动床板盒的面板和周板焊接，盒底板与周板螺栓连接；将悬臂板支板粘结于水洞通道侧壁，悬臂板与悬臂板支板螺栓连接，弹性片两端两螺栓分别与移动床的盒底板及悬臂板连接；将磁感应铁片粘结在移动板盒端面，磁感应位移传感器探头螺纹安装于水洞通道凹下的端壁板；根据移动床的重力及浮力，计算并配置配重，粘结于移动床的盒底板，安装底板、密封圈、螺栓将通道底部密封。本实用新型能有效地测试水洞流体速度变化时的边界层阻力及流体速度不变时减阻壁面的边界层阻力。

Description

流体边界层阻力测试天平

技术领域

本实用新型属于一种测试仪器，特别是一种用于水洞流体参数测试的流体边界层阻力测试天平。

背景技术

流体的粘性是流体的一种基本属性。粘性流体的流动具有两个基本特征(景思睿，张鸣远.流体力学.第一版.西安交通大学出版社.2001：210～211)：一是在固体壁面上，由于分子引力的作用，流体始终要粘附于固体壁面上，流体与固体壁面的相对速度为零，这一特征称为流动的无滑移(粘附)条件，二是当流体之间发生相对运动(或角变形)时，流体之间存在剪切力。由于流体粘性的存在，使得流动的流体在一定范围内作相对运动，内部流层间出现成对的切向力，称为内摩擦力。牛顿在《自然哲学的属性原理》中论述了流体的粘性(罗惕乾.流体力学.第一版.机械工业出版社.1999：180～183)，提出了“流动内部的剪切应力与垂直于流体运动方向的速度梯度成正比”，剪切应力也就是流体的摩擦阻力。流体壁面附近的薄层内存在着很大的速度梯度和漩涡，粘性影响不能忽略，这一薄层称为边界层。流体边界层摩擦阻力是研究流体流动中各种现象及其流动特性的重要参数。

目前国内外流体边界层摩擦阻力测试方法有以下几种：

1)测压法工作原理是测试出附面层内层的压强，然后计算壁面应力(戴昌晖.流体流动测试.第一版.航空工业出版社.1992：13～16)。适合在附面层内测压的探头有Stanton管、Preston管、底层隔板法等。测压法的缺点是破坏了被测壁面的流体流动，对流场形成了一个扰动。

Stanton管是在与壁面垂直的小孔上方覆盖极薄的金属片，以形成顺流或逆流的通道，利用测试近壁处流体动压完成剪切力测试的(王子延，庞宣明，邱平.Stanton-Tube在测试流体壁面剪切力中的几个问题.西安交通大学学报.1995(29)：79～83)。测试方法是通过边界层的速度分布对某种设置在固体壁面上的装置所产生的压力变化效应来测试剪切力。使用同样测力原理的装置还有K型管、穴型管及微孔表面差压管等(Frei D，Thomann H.Direct measurements of skin friction in a turbulent boundary layer with a strong adverse pressure gradient[J].J Fluid Mech，1980，101(1)：79～95)。

Preston管是紧贴壁面Pitot管。Preston在发表的采用壁面Pitot管测试摩擦应力的论文中首次提出(程忠宇，吴学忠，李圣怡.基于MEMS的流动主动控制技术及其研究进展.力学进展.2005(35)：577～582)。紊流附面层内层有层流底层和对数律层组成，其中对数律层的速度分布符合对数规律，Preston管的测试依据就是壁面(对数)律的成立。Preston管的直径要小，可伸入附面层内测试总压，其有效管心必须保持在对数律层范围内(王子延，庞宣明，邱平.几种流体壁面剪切力测压管的性能研究.气动实验与测试控制.1995(9)：69～74)。

底层隔板是使用底层隔板上前后两个静压孔的压力差来计算壁面摩擦力的方法(戴昌晖，刘天舒，滕永光，明晓.湍流附面层壁面摩擦应力的测试方法.航空学报.1988(9)：203～210)。该法较精确，对流体流动干扰小，但结构复杂，制造困难，使用起来较不方便。

2)热线热膜法工作原理是利用热膜上的热量损失与流体流动之间的关系，用一个敏感的电阻元件，被加热后并控制在一个较高的温度上使其保持温度恒定值。流体流过被加热的敏感元件时产生冷却效应，通过测试在敏感元件中消散的电能的总量而推算出流体壁面摩擦应力。该方法的优点是动态特性好，反应快，适用于非定常量测试。缺点是间接测试，需复杂的推算换算成阻力，同时也对流场形成了扰动(Junguo Pang，Kwing-So Choi，Angelica Aessopos.Control of Near-wall Turbulence for Drag Reduction by Spanwise Oscillating Lorentz Force，2nd AIAA Flow Control Conference.2004.7)。

3)摩擦天平法利用天平力平衡原理对流体边界层摩擦阻力测试的方式。由于边界层粘性力的存在，固体壁面必然受到流体粘性力的作用。将固体壁面换成可移动的壁面，则在流体粘性力的作用下壁面会产生移动。力传感器装配在移动部位，对其移动的状态进行测量，从而获得流体边界层阻力。美国普林斯顿大学James C.S.Meng等学者针对水洞设计并制作一个表面摩擦力平衡装置来提供空间整体切应力的测试，利用传感元件(变形测试器)对流体切应力进行测试(James C.S.Meng，Stephen A.Huyer，John M.Castano，Daniel P.Thivierge，Peter J.Hendricks.Experimental Study of Span wise Vortex Resonance Hypothesis for Turbulent Drag Reduction Over a Flat Plate in Salt Water.NUWC-NPT Technical Report 10，680.1997(3)。该法的优点是使用阻力天平仪直接测试流体摩擦力，缺点是移动壁面的重力和浮力不平衡，力传感器弹性片连接移动壁面与水洞壁面，预应力调试工作复杂。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于水洞的流体边界层阻力测试天平。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种流体边界层阻力测试天平，水洞通道的下壁部开有凹槽，流体边界层阻力测试天平安装于该凹槽的内部，并由凹槽的底板、密封圈、螺栓将水洞通道底部密封；流体边界层阻力测试天平由移动床、悬挂装置、磁感应铁片和磁感应位移传感器探头构成，移动床包括移动板盒、调节螺栓和配重，悬挂装置包括两个悬臂板支板、两个悬臂板和两个弹性片；移动板盒由面板、周板及盒底板组成，面板和周板焊接，盒底板与周板螺栓连接，盒底板四角开有安装弹性片的螺孔，按测试对象选择面板为单一的平面板或将面板开孔埋装需试验的材料板；两个悬臂板支板分别粘结于水洞通道的两侧侧壁，两个悬臂板分别与两个悬臂板支板螺栓连接，悬臂板开有安装弹性片的螺孔，弹性片的两端焊有螺栓，两螺栓分别与移动床的盒底板及悬臂板连接；磁感应铁片粘结在移动板盒端面，磁感应位移传感器探头螺纹安装于水洞通道凹槽的端壁板；当流体流经移动床壁面时，由于流体边界层存在的阻力而导致移动床在该力作用下产生一个相应的位移，进而导致移动板盒端面的磁感应铁片与装于水洞通道凹下的端壁板的磁感应位移传感器探头间位移变化，位移传感器探头将感应到的位移信号转换为电信号，经前置驱动器进入记录仪显示和记录，实现流体壁面边界层阻力测试。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点：本实用新型能有效地测试水洞流体速度变化时的边界层阻力及流体速度不变时减阻壁面的边界层阻力。

来流流过移动床时，移动床在流体粘性力作用下产生移动，阻力信号转换为位移信号，该信号由安装于移动床端面与水洞端壁间的磁感应位移传感器检测，从而获得相关电压信号。

1)根据弹性原理及牛顿内摩擦定律，位移信号正比于流体壁面摩擦阻力，正比于来流速度，有效地测试流体速度变化时的边界层阻力。

2)来流速度一定的情况下，在移动床的上壁面嵌装各种减阻物体(如沟槽面、柔壁、波形表面、仿生面振动壁面)或在表面输入一定的能量(如加声波、吹吸气、反压、电磁洛仑兹力等)，可减小壁面摩擦阻力，达到减阻的目的。这时移动床的位移信号正比于流体壁面摩擦阻力，得到流体速度不变时减阻壁面的边界层阻力。

附图说明

图1是本实用新型流体边界层阻力测试天平剖面图中的主视图。

图2是本实用新型流体边界层阻力测试天平剖面图中的左视图。

图3是本实用新型流体边界层阻力测试天平剖面图中的俯视图。

图4是安装本实用新型流体边界层阻力测试天平的水洞结构图，其中，1、回流扩散段；2、水洞通道段；3、来流收缩段；4、排气阀；5、连通阀；6、水箱；7、液位计；8、进水口9、水泵；10、电机.

图5是本实用新型流体边界层阻力测试天平的测试系统框图。

图6是本实用新型不同流速下阻力相对变化电压信号曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

结合图1图2、图3，本实用新型流体边界层阻力测试天平，水洞通道1的下壁部开有凹槽，流体边界层阻力测试天平安装于该凹槽的内部，并由凹槽的底板8、密封圈9、螺栓10将水洞通道1底部密封，凹槽的底板8开有螺孔，凹槽下端设置法兰，螺栓10将凹槽的底板8、密封圈9法兰紧固；流体边界层阻力测试天平由移动床、悬挂装置、磁感应铁片11和磁感应位移传感器探头12构成，移动床包括移动板盒3、调节螺栓2和配重5，悬挂装置包括两个悬臂板支板7、两个悬臂板4和两个弹性片6；移动板盒3由面板、周板及盒底板组成，面板和周板焊接，盒底板与周板螺栓连接，盒底板四角开有安装弹性片6的螺孔，按测试对象选择面板为单一的平面板或将面板开孔埋装需试验的材料板；两个悬臂板支板7分别粘结于水洞通道1的两侧侧壁，两个悬臂板4分别与两个悬臂板支板7螺栓连接，悬臂板4开有安装弹性片6的螺孔，弹性片6的两端焊有螺栓，两螺栓分别与移动床的盒底板及悬臂板4连接；磁感应铁片11粘结在移动板盒3端面，磁感应位移传感器探头12螺纹安装于水洞通道1凹槽的端壁板；当流体流经移动床壁面时，由于流体边界层存在的阻力而导致移动床在该力作用下产生一个相应的位移，进而导致移动板盒3端面的磁感应铁片11与装于水洞通道凹下的端壁板的磁感应位移传感器探头12间位移变化，位移传感器探头12将感应到的位移信号转换为电信号，经前置驱动器进入记录仪显示和记录，实现流体壁面边界层阻力测试。

本实用新型流体边界层阻力测试天平，在移动板盒3面板上攻制一螺孔，安装调节螺栓，可以调节移动板盒3内的气量；在盒底板上粘结配重5，可以调节移动床的重力，当重力大于浮力或浮力大于重力时，配置配重块5，同时调节移动板盒3内空气量，达到重力与浮力平衡态，改善悬挂装置中弹性片的预应力。

本实用新型流体边界层阻力测试天平，根据移动床的重力及浮力，计算并配置配重5，配重5可选择密度较大的金属块，如不锈钢板。

安装本实用新型流体边界层阻力测试天平的水洞结构图，见附图4。通道内水流按箭头方向从右往左流动，流体流经移动床壁面时，由于流体边界层存在的阻力而导致移动床在该力作用下产生一个相应的位移，阻力信号转换为位移信号，导致移动板盒端面的铁片与装于水洞通道凹下的端壁板的磁感应位移传感器探头间位移，位移传感器探头将感应到的位移信号转换为电信号，经前置驱动器进入记录仪显示和记录，实现流体壁面边界层阻力测试，见附图5。

根据弹性原理及牛顿内摩擦定律，位移信号正比于流体壁面摩擦阻力，正比于来流速度。来流速度一定的情况下，在移动床的上壁面嵌装各种减阻物体(如沟槽面、柔壁、波形表面、仿生面振动壁面)或在表面输入一定的能量(如加声波、吹吸气、反压、电磁洛仑兹力等)，可减小壁面摩擦阻力，达到减阻的目的。这时移动床的位移信号正比于流体壁面摩擦阻力。

移动床的法向受重力及浮力作用，附加了悬挂于水洞壁面悬臂板上弹性片的预应力，本专利设计了移动板盒内气量的调节螺栓2和配重5。移动板盒顶板攻制一螺孔，配制螺栓。选择一定质量的不锈钢板作为配重放置于移动板盒底板。当重力大于浮力或浮力大于重力时，配置配重块，同时调节移动板盒内空气量，达到重力与浮力平衡态，有效地改善悬挂装置中弹性片的预应力，使弹性片感应横向的阻力，克服纵向重力的影响。

设计采用电涡流传感器探头12和配套的铁片11来感应位移变化。电涡流传感器是一种能将机械位移或振动幅度转换成电信号输出的非电量电测装置，由探头、延伸电缆和变换器(前置驱动器)组成。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场，当铁片靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流(电涡流)，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗)。当电涡流线圈与金属板的距离减小时，电涡流线圈的等效电感L1减小，等效电阻R增大。感抗X_L的变化比R的变化大得多，流过电涡流线圈的电流i₁增大。通过前置器电子线路的处理，将头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。

测得电信号的变化，即流体边界层阻力变化的相对量，通过与标准力传感器的标定，则可折算出流体边界层阻力的大小。

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例：水洞流体速度变化时边界层阻力测试

水洞为卧式回流水洞(见图4)，由回流扩散段、水洞试验通道段、来流收缩段、电机、水泵及水箱等构成。其工作过程是由水泵将水箱中的水送到水洞收缩段，经过试验通道段，再经扩散段回到水箱，使得水洞中流体循环流动。水洞试验通道段截面(高×宽)尺寸0.29m×0.292m，长度1.3m，由有机玻璃制成，以便观察和摄取图像。水洞供排水循环系统的驱动装置为一台磁力驱动水泵(型号为CQB80-65-125)，并由变频器(型号为CVF-G2)进行水泵电机转速控制，通过设定变频器的工作频率，调节电机转速，进而调节水洞水流速度。水流的方向从左往右。

当水流流经浮动床时，在流体粘性力作用下浮动床产生移动。

选用的电涡流位移传感器为501型，探头直径φ6，量程0-1mm，灵敏度8±2％mV/um。

不同流速下阻力相对变化电压信号曲线，见图6。

Claims

1.一种流体边界层阻力测试天平，其特征在于：水洞通道[1]的下壁部开有凹槽，流体边界层阻力测试天平安装于该凹槽的内部，并由凹槽的底板[8]、密封圈[9]、螺栓[10]将水洞通道[1]底部密封；流体边界层阻力测试天平由移动床、悬挂装置、磁感应铁片[11]和磁感应位移传感器探头[12]构成，移动床包括移动板盒[3]、调节螺栓[2]和配重[5]，悬挂装置包括两个悬臂板支板[7]、两个悬臂板[4]和两个弹性片[6]；移动板盒[3]由面板、周板及盒底板组成，面板和周板焊接，盒底板与周板螺栓连接，盒底板四角开有安装弹性片[6]的螺孔，按测试对象选择面板为单一的平面板或将面板开孔埋装需试验的材料板；两个悬臂板支板[7]分别粘结于水洞通道[1]的两侧侧壁，两个悬臂板[4]分别与两个悬臂板支板[7]螺栓连接，悬臂板[4]开有安装弹性片[6]的螺孔，弹性片[6]的两端焊有螺栓，两螺栓分别与移动床的盒底板及悬臂板[4]连接；磁感应铁片[11]粘结在移动板盒[3]端面，磁感应位移传感器探头[12]螺纹安装于水洞通道[1]凹槽的端壁板；当流体流经移动床壁面时，由于流体边界层存在的阻力而导致移动床在该力作用下产生一个相应的位移，进而导致移动板盒[3]端面的磁感应铁片[11]与装于水洞通道凹下的端壁板的磁感应位移传感器探头[12]间位移变化，位移传感器探头[12]将感应到的位移信号转换为电信号，经前置驱动器进入记录仪显示和记录，实现流体壁面边界层阻力测试。

2.根据权利要求1所述的流体边界层阻力测试天平，其特征在于：凹槽的底板[8]开有螺孔，凹槽下端设置法兰，螺栓[10]将凹槽的底板[8]、密封圈[9]法兰紧固。

3.根据权利要求1所述的流体边界层阻力测试天平，其特征在于：在移动板盒[3]面板上攻制一螺孔，安装调节螺栓，可以调节移动板盒[3]内的气量；在盒底板上粘结配重[5]，可以调节移动床的重力，当重力大于浮力或浮力大于重力时，配置配重块[5]，同时调节移动板盒[3]内空气量，达到重力与浮力平衡态，改善悬挂装置中弹性片的预应力。

4.根据权利要求1所述的流体边界层阻力测试天平，其特征在于：配重[5]可选择不锈钢板。