CN102998087B - 一种适应于射流表面及非光滑表面的阻力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种适应于射流表面及非光滑表面的阻力测试装置。包括模型、射流部分和驱动部分；所述模型为空心、底部有开槽的壳体；所述射流部分包括水箱、潜水泵、实验样件和整流板，水箱固定在模型底部且水箱的开口与模型底部的开槽相对应，潜水泵置于水箱内部，潜水泵的进水口与外界相通，整流板3设置于水箱内部并位于潜水泵的出水口之后，实验样件安装于模型底部的开槽处；所述驱动部分包括安装在模型内的电机和由所述电机驱动的螺旋桨。本发明结构简单、成本低廉、实验条件易控制。能够实现对二维平面运动的射流表面及非光滑表面的摩擦阻力进行测试。

Description

一种适应于射流表面及非光滑表面的阻力测试装置

技术领域

本发明涉及的是一种摩擦阻力的测试装置，具体的说是一种能够用于测试流体对不同表面摩擦阻力的测试装置，尤其适用于对射流表面的减阻效果测试。

背景技术

目前可应用于流、固界面之间摩擦阻力测试的实验装置主要有水洞、风洞、水池和水槽。通过实验的方法来研究流体摩擦阻力特性，获得了许多重要的湍流现象，对推进流体减阻理论的发展起到了至关重要的作用。航行器在流体中行进时，动力源主要用于克服摩擦阻力，降低其表面摩擦阻力不但提高了续航能力和航行速度，而且能够节约能源。对于减阻技术的研究，具有很高的实用价值。根据理论推算，在动力和能源一定的情况下，假如将阻力减小10%，则巡航速度和航程可同时增加约3.57%。因此设计研究一个能够评估流体对不同表面的摩擦阻力的测试装置显得尤为重要，尤其在应用射流表面减阻技术的同时，可以对其减阻效果进行评估。传统的流体动力学研究中大多采用水洞和水槽等装置，其造价高昂，耗资巨大，实验条件不易控制，结构复杂，且多采用封闭式圆管结构，大大限制了其测试应用领域，更无法进行射流表面阻力测试实验。现有的拖曳测试装置又受限于水池长度，且费用昂贵。如何使测试装置简单、可靠，且能够评估不同表面减阻效果，为实际应用提供可靠依据，仍存在诸多问题。上述测试装置用于实用教学或非光滑表面研究比较适用，但其限制因素多，无法广泛应用，且无法进行射流表面减阻研究。而目前的射流表面流体摩擦测试装置多是“旋转式”，不仅测量复杂，精度不高，而且旋转时，水流场的情况比较复杂，无法准确评估，更增加了测试难度；同时实现射流方法复杂，较难实现，且与现实情况相差较多，说服力不强。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本低廉、实验条件易控制的能够实现对二维平面运动的适应于射流表面及非光滑表面的阻力测试装置。

本发明的目的是这样实现的：

包括模型、射流部分和驱动部分；

所述模型为空心、底部有开槽的壳体；

所述射流部分包括水箱、潜水泵、实验样件和整流板，水箱固定在模型底部且水箱的开口与模型底部的开槽相对应，潜水泵置于水箱内部，潜水泵的进水口与外界相通，整流板3设置于水箱内部并位于潜水泵的出水口之后，实验样件安装于模型底部的开槽处；

所述驱动部分包括安装在模型内的电机和由所述电机驱动的螺旋桨。

本发明还可以包括：

1、所述整流板为两块，水箱内部有两道插槽，所述整流板嵌在所述插槽中。

2、所述电机固定在水箱上，电机输出轴通过联轴器与齿轮轴相连，齿轮轴与传动轴之间设置有传动齿轮组，传动轴与模型之间设置有密封装置，螺旋桨安装在传动轴上。

射流部分中的潜水泵启动后，实现向水箱中持续供水，驱动部分中的电机作为动力源，带动螺旋桨旋转，驱动测试装置行驶，在相同工况下、相同时间内通过速度传感器对多组实验样件条件下的测试装置的行驶速度进行测量、比较、分析，来评估射流表面及非光滑表面的减阻效果。

可通过改变实验样件上射流孔的大小、排布、形状、表面形貌或在其表面加工不同结构的非光滑表面来模拟不同条件下测试装置行进过程以及评估射流表面和非光滑表面结构的减阻效果。

测试过程是在相同初始条件相同工况下，测量测试装置在光滑表面与射流表面（非光滑表面）的实验样件情况下相同时间点的行驶速度，通过对比速度来评估射流表面（非光滑表面）的减阻效果。测量主要通过速度传感器，以便精确的采集到测试装置行驶过程中的速度值。

本发明具有如下优点：可实现二维平面运动的摩擦阻力测试，较已有的“旋转式”测试装置更具说服力，而且测试方法简单有效。射流供给方式采用潜水泵连续供给，节约空间，简化了结构，噪声小；驱动部分采用直齿轮传动装置，有效减小振动，同时使装置整体重心下移，稳定性增加，使测量结果更精确；实验样件为装置的核心部分，易于拆卸、加工方便，且实验样件表面可根据需要加工出不同的非光滑表面结构（如V型、凹坑等），或开有不同形状孔径、不同大小孔径、不同射流角度、不同数量、不同排布方式的射流孔；本实验为对照实验，当完成某种实验样件情况下的实验后，只需更换实验样件，无需拆卸其它部件，且实验样件更换过程简单、操作容易、节约时间；测试装置实现了水的循环流动，无需外界提供水源，节约成本，无污染；测试装置整体安装、操作容易。

附图说明

图1：是射流部分结构图；

图2：是整流板示意图；

图3：是实验样件示意图；

图4：是驱动部分结构图；

图5：是测试装置主视图；

图6：是控制部分流程图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施过程：

结合图5和6，本发明主要包括射流部分Ⅰ、驱动部分Ⅱ和控制部分三个部分：射流部分Ⅰ，为该装置的核心部分，主要由水箱2、潜水泵4、实验样件8、整流板3组成；驱动部分Ⅱ，主要由电机33、联轴器32、传动轴20、密封装置、螺旋桨31组成；控制部分，电机33通过变频器调频调节转速，电机33、变送器和变压器通过蓄电池供电，潜水泵4通过变压器控制流量。

结合图1、2和3射流部分的结构为：模型1内部设计成空心结构，目的是防止装置整体过于沉重，无法保证其能够在水面漂浮，同时可以在其中安放驱动装置及射流供给装置，不仅节省空间，而且有效减小振动。在模型1的底部开有一与水箱2尺寸以及实验样件8尺寸相匹配的通孔开槽，用于固定实验样件8。将水箱2用8个螺钉固定在开槽处，开槽与水箱2之间采用密封垫片7进行密封，防止水箱2中的水泄漏。在水箱2侧壁开有一孔，目的是可将潜水泵4的线路通过此孔与外部的变压器连接，此孔出口处通过半圆压板6与密封垫片5将其密封，防止水流出进入装置腔体内。潜水泵安放在水箱2中，通过两个螺钉固定在模型1底部，在模型1与潜水泵4底部相接触的地方开一与潜水泵4进水口尺寸匹配的通孔，使潜水泵进水口与外部相通。可直接从外部水流中吸水，同时在潜水泵4与模型1的底板之间安有密封垫片，防止水泄漏。潜水泵4将外部水流泵入水箱，为防止从潜水泵4中的排出的水直接溅射到实验样件8上，影响射流孔附近流场，导致测量结果有偏差，在水箱内嵌入两块整流板3，实现对潜水泵4中泵入的水进行整流功能。实验样件8通过8个螺钉安装在模型1的底板上，与模型1之间通过密封垫片9密封，实验样件8表面开有一些规则排布的射流孔，射流由此形成。实验样件8表面亦可以加工出不同规格的非光滑表面结构，满足实验要求。

射流部分工作原理：

实验开始之前，启动潜水泵4，外部水流通过潜水泵4向水箱2供水，直到将其充满时实验开始。在实验过程中，潜水泵4一直处于开启状态，即一直在向水箱2中连续供给水，由于水箱2为水箱，在其底部安装有实验样件8，在水箱2中的压力大于外部压力时，水通过实验样件8中的射流孔排出，形成射流。在水箱2充满水的状态下，向水箱2中供水的流量与射流孔中射流出去的水的流量相等，即可通过控制潜水泵4的排水流量来达到调节射流速度的目的。整流板3目的是对潜水泵4中泵入的水进行整流。实验还可以通过改变实验样件8表面射流孔径、孔方向和孔排布等因素，来测试不同条件下装置航行时的近壁区减阻效果。还可将实验样件8的表面设计成真实的船体局部表面结构，实现近实况模拟船舶等航行器的航行情况。在做非光滑表面的阻力测试时，应在实验样件8表面加工出相应的非光滑表面（如V型、T型、沟槽、凹坑、突包等）结构，只需更换实验样件8而不需要拆卸其它部件，同时在做非光滑表面阻力测试实验时，无需潜水泵4工作，即不需要提供射流供给。

结合图4、5，驱动部分的构成为：采用电机33驱动螺旋桨。电机轴与齿轮轴14之间通过联轴器32联接，可实现扭矩的传递。齿轮轴14安装在轴承座16内，端部通过端盖18将其密封，防止溅油。在齿轮轴14上安装有一对角接触球轴承15，轴承通过端盖18、小圆螺母17与轴肩定位。大齿轮22安装在低速传动轴20上，通过轴肩与小圆螺母21定位。齿轮轴14与低速轴20通过齿轮传动机构将两轴联接。在低速轴20两侧安装有一对角接触球轴承13，轴承通过轴肩与轴端挡圈19定位；低速轴20端部安装有螺旋桨31，螺旋桨31与低速轴20之间通过键27联接，在螺旋桨31桨毂端部设有Ｏ型橡胶密封圈26，其目的是防止水流入螺旋桨31桨毂内部，密封圈26通过压盖25压紧。螺旋桨31通过开槽螺母29与开口销30定位。在螺旋桨31端部安装整流罩28，其目的是稳定螺旋桨31附近流场，整流罩28与螺旋桨31桨毂之间通过螺纹联接。由于测试装置的工作环境是在水中，所以在低速轴20与模型1联接处需设计密封装置，密封装置主要由套杯10、端盖12、填料24、衬套23等组成。由套杯10将填料24罩住，由于是软填料，需通过端盖12与衬套23将其压紧，可通过螺钉与调整垫片11调节间隙。

驱动部分工作原理：

实验开始时，电机33由蓄电池供电启动，联轴器32将电机的扭矩传递给齿轮轴14，由齿轮传动装置将扭矩传递到低速轴20上，由此可克服螺旋桨31的阻力矩使其运转起来。低速轴20旋转后，通过平键27带动螺旋桨31旋转，有效地将扭矩传递到螺旋桨31上，以便提供给测试装置动力，使其向前行驶。在低速轴20与模型1联接处密封装置采用以端盖12压紧衬套23的形式，再由衬套23将软填料24压紧，而填料24置于套杯10中，由被压紧的填料24可以有效地将其密封。

结合图6，控制部分涉及到射流速度的调节以及模型航速的调节，前者是通过蓄电池为潜水泵4供电，中间通过变压器来改变潜水泵4的供电电压，实现调节潜水泵4的排水量；后者由蓄电池为电机33供电，通过变频器调节电机33的频率，实现转速的调节，进而达到对测试装置航速的调节。实验过程中通过比较相同时间内测试装置在光滑表面与射流表面（非光滑表面）情况下的航行速度来评估射流表面（非光滑表面）结构的减阻效果。

Claims (3)

1.一种适应于射流表面及非光滑表面的阻力测试装置，其特征是：

包括模型、射流部分和驱动部分；

所述模型为空心、底部有开槽的壳体；

所述射流部分包括水箱、潜水泵、实验样件和整流板，水箱固定在模型底部且水箱的开口与模型底部的开槽相对应，潜水泵置于水箱内部，潜水泵的进水口与外界相通，整流板(3)设置于水箱内部并位于潜水泵的出水口之后，实验样件安装于模型底部的开槽处；

所述驱动部分包括安装在模型内的电机和由所述电机驱动的螺旋桨。

2.根据权利要求1所述的一种适应于射流表面及非光滑表面的阻力测试装置，其特征是：所述整流板为两块，水箱内部有两道插槽，所述整流板嵌在所述插槽中。

3.根据权利要求1或2所述的一种适应于射流表面及非光滑表面的阻力测试装置，其特征是：所述电机固定在水箱上，电机输出轴通过联轴器与齿轮轴相连，齿轮轴与传动轴之间设置有传动齿轮组，传动轴与模型之间设置有密封装置，螺旋桨安装在传动轴上。