评估仿生射流表面减阻效果的试验装置及试验方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供评估仿生射流表面减阻效果的试验装置及试验方法，该试验装置包括步进电机、螺旋桨、扭矩信号耦合器、泵、水箱，水箱里盛有液体，泵连通水箱，泵与测试圆筒模型之间通过第一管道相连通，水箱与测试圆筒模型之间通过第二管道相连通，在第一管道上安装球阀，测试圆筒模型的右端固定在支架上，螺旋桨设置在测试圆筒模型里，步进电机位于测试圆筒模型右侧外部，步进电机和螺旋桨通过轴相连，测试圆筒模型的左端部连接扭矩信号耦合器。本发明装置采用螺旋桨为主流场速度提供动力，流速稳定，本发明方法简单直观，结果可靠。
【专利说明】评估仿生射流表面减阻效果的试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种测试流体对表面结构摩擦阻力的试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]运输工具在水中行进时的主要能耗是用来克服行进阻力，因此进行阻力分析和减小阻力，对于节约能源、改善工作状况，提高工作效能具有重要意义。运输工具行进阻力主要由摩擦阻力和压差阻力组成，其中摩擦阻力占总阻力的绝大部分，因此进行摩擦阻力的分析和测量时进行阻力分析的关键。
[0003]目前，非光滑表面和射流表面的减阻测试装置多集中在旋转射流测试方法，如专利申请号为:201110089369.0，名称为“评估仿生非光滑表面及仿生射流表面减阻效果的试验装置”和专利申请号为:201120070969.8，名称为“一种对摩擦阻力测试的试验装置”，通过筒体的旋转为主流场速度提供动力，流速不好控制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供能够实现对仿生射流表面减阻效果测试、非光滑表面结构减阻效果测试、表面涂覆涂层减阻效果测试的评估仿生射流表面减阻效果的试验装置及试验方法。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]本发明评估仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是:包括步进电机、螺旋桨、扭矩信号耦合器、泵、水箱，水箱里盛有液体，泵连通水箱，泵与测试圆筒模型之间通过第一管道相连通，水箱与测试圆筒模型之间通过第二管道相连通，在第一管道上安装球阀，测试圆筒模型的右端固定在支架上，螺旋桨设置在测试圆筒模型里，步进电机位于测试圆筒模型右侧外部，步进电机和螺旋桨通过轴相连，测试圆筒模型的左端部连接扭矩信号耦合器；步进电机带动螺旋桨旋转，测试圆筒模型内部的液体随之一起运动，运动的液体对测试圆筒模型产生摩擦阻力，通过扭矩信号耦合器可获得测试圆筒模型所产生的扭矩信号。
[0007]本发明评估仿生射流表面减阻效果的试验装置还可以包括:
[0008]1、所述的步进电机连接伺服混合式步进电机驱动器。
[0009]2、在第一管道上设置旁通的第三管道，第三管道与水箱相连通，第三管道上安装溢流阀，第一管道上还安装有流量计。
[0010]本发明评估仿生射流表面减阻效果的试验方法，其特征是:采用如下试验装置:包括步进电机、螺旋桨、扭矩信号耦合器、泵、水箱，水箱里盛有液体，泵连通水箱，泵与测试圆筒模型之间通过第一管道相连通，水箱与测试圆筒模型之间通过第二管道相连通，在第一管道上安装球阀，测试圆筒模型的右端固定在支架上，螺旋桨设置在测试圆筒模型里，步进电机位于测试圆筒模型右侧外部，步进电机和螺旋桨通过轴相连，测试圆筒模型的左端部连接扭矩信号耦合器；
[0011]( I)步进电机启动，通过伺服混合式步进电机驱动器控制步进电机的转速，螺旋桨带动测试圆筒内的液体运动，同时检测扭矩信号耦合器输出的扭矩信号；
[0012](2)打开射流管路的球阀，调节射流管路的流量，继而得出射流入口的速度，同时检测扭矩信号耦合器的扭矩信号；
[0013](3)将步骤(I)测得的扭矩与步骤(2)测得的扭矩相减，再除以步骤(I)测得的扭矩，所得结果即为仿生射流表面的减阻率。
[0014]本发明的优势在于:本发明采用螺旋桨为主流场速度提供动力，流速稳定。实现对仿生射流表面减阻效果测试、非光滑表面结构减阻效果测试及表面涂层减阻效果测试，信号采集系统结构简单，操作容易，测试准确；本发明通过对比光滑表面测试圆筒模型和仿生射流表面测试圆筒模型、非光滑表面测试圆筒模型引起的力矩来衡量仿生射流表面及凹坑、凸包等非光滑表面的减阻效果。评估仿生射流表面、非光滑表面及表面涂层结构减阻效果的方法简单直观，结果可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:
[0017]结合图1，本发明由步进电机11、伺服混合式步进电机驱动器12、弹性膜片联轴器
10、螺旋桨8、测试圆筒模型9、扭矩信号耦合器6、泵2、水箱1、流量计5、溢流阀3和必要的管路连接件组成。伺服混合式步进电机驱动器12与步进电机11相连，步进电机11与弹性膜片联轴器12与螺旋桨8的输入轴连接，为螺旋桨8提供动力；测试圆筒模型9的右端与支架固连在一起，左端通过弹性膜片联轴器7与扭矩信号耦合器6连接；所述的螺旋桨8安装于测试圆筒模型9内部，螺旋桨轴与测试圆筒模型9之间装有轴承，端盖密封性能好，保证测试圆筒模型9内的液体不泄露；所述的溢流阀3、泵2和水箱I形成一个闭合回路，溢流阀3的作用是调节泵2的出口压力，通过调节球阀4的开度来调节射流入口的速度。
[0018]本发明的工作原理是:
[0019]步进电机11带动螺旋桨8旋转，为主流场速度提供动力，通过扭矩信号耦合器6检测测试圆筒模型9的摩擦力矩，对比未加射流时和射流时测试圆筒模型9的摩擦力矩来衡量仿生射流表面的减阻效果。
[0020]评估仿生射流表面减阻效果方法具体步骤为:
[0021]a、步进电机11启动，通过伺服混合式步进电机驱动器12控制步进电机11的转速，螺旋桨8带动测试圆筒内的液体运动，同时检测扭矩信号耦合器6的扭矩信号；
[0022]b、打开射流管路的球阀4，调节射流管路的流量，继而得出射流入口的速度，同时检测扭矩信号耦合器6的扭矩信号；
[0023]C、评估仿生射流表面的减阻效果，将a测得的光滑表面引起的扭矩与b测得的仿生射流表面引起的扭矩相减，再除以光滑表面引起的扭矩，所得结果即为仿生射流表面的减阻率。
[0024]本发明通过对检测到的信号接收、处理，可以方便地评估仿生射流表面、非光滑表面结构和表面涂层结构的减阻效果，本发明结构简单，还适用于对非光滑表面结构和涂层表面结构流体摩擦阻力进行检测并评估其减阻效果。
【权利要求】
1.评估仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是:包括步进电机、螺旋桨、扭矩信号耦合器、泵、水箱，水箱里盛有液体，泵连通水箱，泵与测试圆筒模型之间通过第一管道相连通，水箱与测试圆筒模型之间通过第二管道相连通，在第一管道上安装球阀，测试圆筒模型的右端固定在支架上，螺旋桨设置在测试圆筒模型里，步进电机位于测试圆筒模型右侧外部，步进电机和螺旋桨通过轴相连，测试圆筒模型的左端部连接扭矩信号耦合器；步进电机带动螺旋桨旋转，测试圆筒模型内部的液体随之一起运动，运动的液体对测试圆筒模型产生摩擦阻力，通过扭矩信号耦合器可获得测试圆筒模型所产生的扭矩信号。
2.根据权利要求1所述的评估仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是:所述的步进电机连接伺服混合式步进电机驱动器。
3.根据权利要求1或2所述的评估仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是:在第一管道上设置旁通的第三管道，第三管道与水箱相连通，第三管道上安装溢流阀，第一管道上还安装有流量计。
4.评估仿生射流表面减阻效果的试验方法，其特征是:采用如下试验装置:包括步进电机、螺旋桨、扭矩信号耦合器、泵、水箱，水箱里盛有液体，泵连通水箱，泵与测试圆筒模型之间通过第一管道相连通，水箱与测试圆筒模型之间通过第二管道相连通，在第一管道上安装球阀，测试圆筒模型的右端固定在支架上，螺旋桨设置在测试圆筒模型里，步进电机位于测试圆筒模型右侧外部，步进电机和螺旋桨通过轴相连，测试圆筒模型的左端部连接扭矩信号稱合器； (1)步进电机启动，通过伺服混合式步进电机驱动器控制步进电机的转速，螺旋桨带动测试圆筒内的液体运动，同时检测扭矩信号耦合器输出的扭矩信号； (2)打开射流管路的球阀，调节射流管路的流量，继而得出射流入口的速度，同时检测扭矩信号稱合器的扭矩信号； (3)将步骤(I)测得的扭矩与步骤(2)测得的扭矩相减，再除以步骤(I)测得的扭矩，所得结果即为仿生射流表面的减阻率。
【文档编号】G01M10/00GK103630329SQ201310697579
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】赵刚, 李芳 , 刘维新, 张殊, 赵健英, 刘明明, 孙壮志, 李照远 申请人:哈尔滨工程大学