非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置及非光滑表面減阻效果評價方法

2023-06-20 12:10:41 5

非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置及非光滑表面減阻效果評價方法
【專利摘要】本發明的目的在於提供非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置及非光滑表面減阻效果評價方法，包括步進電機、扭矩信號耦合器、旋轉軸、水箱，步進電機通過第一彈性膜片聯軸器與扭矩信號耦合器相連，扭矩信號耦合器的輸出軸通過第二彈性膜片聯軸器與旋轉軸相連，旋轉軸的端部安裝旋轉圓盤，旋轉圓盤設置在密閉的水箱裡，旋轉圓盤在步進電機的帶動下旋轉，扭矩信號耦合器採集旋轉圓盤的扭矩、功率、轉速信號並傳入到計算機，步進電機和扭矩信號耦合器均固定在導軌上，導軌安裝在支撐臺上，旋轉軸與導軌相平行。本發明採用旋轉圓盤結構，在圓盤表面加工非光滑表面結構或進行表面塗層更加簡單方便，而且旋轉圓盤的拆卸更加簡單。
【專利說明】非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置及非光滑表面減阻效果評價方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種流體對固體表面結構摩擦阻力的測試裝置以及對非光滑表面和表面塗層結構的減阻效果評價方法。
【背景技術】
[0002]目前，國內外相關學者對流體與固體界面之間的運動減阻問題進行了廣泛深入的理論探索及應用研究，並成功的在多方面取得了較為顯著的進展。由於減阻問題能夠直接影響到裝備的能耗和力學性能，所以此問題的研究一直受到各國專家學者的關注，其研究方法主要從理論分析、數值模擬、模型試驗等方面進行研究，最後通過比較試驗裝置中測試樣件的減阻性能並得出所需結論，進而再投入到工程實際應用中。無論是理論分析，還是數值計算，都以模型試驗獲得的數據精度最高，更接近於實際，因此理論分析，數據模擬等最終也都需要試驗的檢驗和驗證。試驗方法作為研究流體減阻的重要手段，對推進流體減阻理論的發展起到了非常重要的作用，流體力學新現象和新理論的提出，一般需要對流體進行大量測試試驗。仿生射流表面能夠減小流體與固體之間的摩擦阻力，減阻效果明顯，是一種全新的減阻技術，當前對於此項技術的研究主要集中在理論分析與數值模擬階段，因其還沒有一套完整的射流表面測試試驗裝置，因此模型試驗還無法完成。傳統的減阻試驗研究大多在水洞、水槽或水池拖曳等環境中進行，但是，由於其造價昂貴、耗資巨大、體積龐大、日常維護困難、噪聲大、試驗條件不易控制、試驗模型複雜，在試驗條件的各個方面都具有一定的局限性，並且以上所述裝置均無法進行射流表面減阻試驗的研究，因此，研究設計一臺成本低廉、結構簡單、試驗方便的射流減阻測試試驗裝置顯得尤為重要。
[0003]目前，非光滑表面和射流表面的減阻測試裝置多集中在旋轉射流測試方法，如申請號為:201110089369.0，名稱為「評估仿生非光滑表面及仿生射流表面減阻效果的試驗裝置」和申請號為:201120070969.8，名稱為「一種對摩擦阻力測試的試驗裝置」的專利申請，測量非光滑表面結構和表面塗層結構的摩擦阻力時，需要在圓筒表面加工出凹坑、凸包、V型溝槽以及塗層等，操作難度較大。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在於提供能夠準確測試出非光滑表面結構和表面塗層結構的流體摩擦阻力的非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置及非光滑表面減阻效果評價方法。
[0005]本發明的目的是這樣實現的:
[0006]本發明非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置，其特徵是:包括步進電機、扭矩信號耦合器、旋轉軸、水箱，步進電機通過第一彈性膜片聯軸器與扭矩信號耦合器相連，扭矩信號耦合器的輸出軸通過第二彈性膜片聯軸器與旋轉軸相連，旋轉軸的端部安裝旋轉圓盤，旋轉圓盤設置在密閉的水箱裡，旋轉圓盤在步進電機的帶動下旋轉，扭矩信號耦合器採集旋轉圓盤的扭矩、功率、轉速信號並傳入到計算機，步進電機和扭矩信號耦合器均固定在導軌上，導軌安裝在支撐臺上，旋轉軸與導軌相平行。
[0007]本發明還可以包括:
[0008]1、步進電機採用三相伺服混合式步進電機驅動器控制，最小步距角為0.036°。
[0009]2、水箱上設置旋轉軸入口，旋轉軸入口處安裝滾動軸承，旋轉軸與滾動軸承相配
八
口 ο
[0010]3、導軌可沿支撐臺移動。
[0011]4、水箱相鄰的兩個側面分別開有窗口，窗口裝有透光率大於99%的光學玻璃進行密封。
[0012]本發明非光滑表面減阻效果評價方法，其特徵是:採用非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置進行評價，該裝置包括步進電機、扭矩信號耦合器、旋轉軸、水箱，步進電機通過第一彈性膜片聯軸器與扭矩信號耦合器相連，扭矩信號耦合器的輸出軸通過第二彈性膜片聯軸器與旋轉軸相連，旋轉軸的端部安裝旋轉圓盤，旋轉圓盤設置在密閉的水箱裡，旋轉圓盤在步進電機的帶動下旋轉，扭矩信號耦合器採集旋轉圓盤的扭矩、功率、轉速信號並傳入到計算機，步進電機和扭矩信號耦合器均固定在導軌上，導軌安裝在支撐臺上，旋轉軸與導軌相平行；
[0013](I)步進電機帶動旋轉圓盤旋轉，通過扭矩信號耦合器測量旋轉圓盤總力矩，隨後將圓盤拆除，採用相同方法測量空轉時的扭矩，將兩者作差得到光滑表面圓盤引起的摩擦力矩；
[0014](2)在旋轉圓盤表面加工出所需的非光滑表面形狀,將加工後的非光滑表面圓盤安裝在旋轉軸上，啟動步進電機，保持在與步驟(I)相同轉速，採集此時的扭矩信號，將此時測得的扭矩和步驟(I)空轉時的扭矩作差，得到非光滑表面圓盤引起的摩擦力矩；
[0015](3)將步驟(I)測得的旋轉圓盤引起的扭矩與步驟(2)測得的旋轉面圓盤引起的扭矩相減，再除以步驟(I)旋轉圓盤引起的扭矩，所得結果即為非光滑表面的減阻率。
[0016]本發明的優勢在於:本發明實現對非光滑表面結構減阻效果測試及表面塗層減阻效果測試，信號採集系統結構簡單，操作容易，測試準確；旋轉圓盤表面可根據需要加工出不同的非光滑表面結構，如V型、U型、凹坑、凸包或塗覆表面塗層等；本發明通過對比光滑表面旋轉圓盤和非光滑表面旋轉圓盤引起的力矩來衡量凹坑、凸包等非光滑表面的減阻效果，通過對比光滑表面旋轉圓盤和表面塗層旋轉圓盤引起的力矩來衡量表面塗層結構的減阻效果。評估非光滑表面及表面塗層結構減阻效果的方法簡單直觀，結果可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述:
[0019]結合圖1，本發明非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置由步進電機1，導軌2，彈性膜片聯軸器3，扭矩信號耦合器4，支撐臺5，密閉水箱8，旋轉圓盤9，計算機11，伺服混合式步進電機驅動器12組成。步進電機1、扭矩信號耦合器4都固定在導軌2上，導軌2安裝在支撐臺5上。步進電機I通過伺服混合式步進電機驅動器12來控制，步進電機I通過彈性膜片聯軸器3帶動扭矩信號耦合器4，扭矩信號耦合器4通過彈性膜片聯軸器6帶動旋轉圓盤9運動。
[0020]扭矩信號耦合器4將採集到的扭矩、功率、轉速信號傳入到計算機11中，並通過LabviewS.2軟體所編制的程序將採集到的信號進行實時顯示並存儲在計算機11中。
[0021]步進電機1、扭矩信號耦合器4都固定在導軌2上，導軌2安裝在支撐臺5上。扭矩信號耦合器4將採集的扭矩、功率、轉速信號傳入到計算機11中，運用LabviewS.2軟體編程，將採集到的信號進行實時顯示並存儲在計算機11中。水箱8為密閉水箱，水箱蓋上分別有進入管接口、出水管接口和旋轉軸入口，水箱蓋上旋轉軸入口處裝有滾動軸承10，減小密封水箱蓋對旋轉軸的影響。旋轉圓盤9安裝在旋轉軸上，旋轉圓盤9拆卸方便，支撐臺5上安裝有導軌2，在拆卸旋轉圓盤9時，可上下調節導軌2的高度以便於拆卸。旋轉圓盤9由步進電機I驅動，採用三相伺服混合式步進電機驅動器12控制，最小步距角為0.036°，控制精度高、誤差小。密閉水箱8由防鏽鋁板焊接製成，水箱相鄰的兩個側面分別開有窗口，窗口裝有透光率大於99%的光學玻璃進行密封，用於觀察實驗過程。
[0022]本發明的工作原理為:
[0023]本發明通過伺服混合式步進電機驅動器12驅動步進電機I運動，步進電機I的輸出軸通過彈性膜片聯軸器3與扭矩信號耦合器4聯接，扭矩信號耦合器4的輸出軸通過彈性膜片聯軸器6與旋轉軸相聯接，旋轉圓盤9安裝在旋轉軸的末端，步進電機I帶動旋轉圓盤9運動，扭矩信號耦合器4將採集到的信號傳入到計算機11中。
[0024]本發明非光滑表面減阻效果評價方法具體步驟為:
[0025]a、步進電機開始工作，測量旋轉圓盤總力矩，隨後將圓盤拆除，測量空轉時的扭矩，兩者之差就是光滑表面圓盤引起的摩擦力矩。
[0026]b、在圓盤表面加工出非光滑表面形狀，將加工後的非光滑表面圓盤安裝在旋轉軸上，啟動電機，保持在與上一步相同轉速採集此時的扭矩信號，此時測得的扭矩和上一步空轉時的扭矩之差就是非光滑表面圓盤引起的摩擦力矩。
[0027]C、評價非光滑表面圓盤的減阻效果，將a測得的光滑表面圓盤引起的扭矩與b測得的非光滑表面圓盤引起的扭矩相減，再除以光滑表面圓盤引起的扭矩，所得結果即為非光滑表面的減阻率。
[0028]本發明通過對檢測到的信息接收、處理，可以方便地評價非光滑表面結構和表面塗層結構減阻效果，本發明安裝方便、結構簡單、檢測效果好、適用於對非光滑表面結構和塗層表面結構流體摩擦阻力進行檢測並評價其減阻效果。
【權利要求】
1.非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置，其特徵是:包括步進電機、扭矩信號耦合器、旋轉軸、水箱，步進電機通過第一彈性膜片聯軸器與扭矩信號耦合器相連，扭矩信號耦合器的輸出軸通過第二彈性膜片聯軸器與旋轉軸相連，旋轉軸的端部安裝旋轉圓盤，旋轉圓盤設置在密閉的水箱裡，旋轉圓盤在步進電機的帶動下旋轉，扭矩信號耦合器採集旋轉圓盤的扭矩、功率、轉速信號並傳入到計算機，步進電機和扭矩信號耦合器均固定在導軌上，導軌安裝在支撐臺上，旋轉軸與導軌相平行。
2.根據權利要求1所述的非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置，其特徵是:步進電機採用三相伺服混合式步進電機驅動器控制，最小步距角為0.036°。
3.根據權利要求1或2所述的非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置，其特徵是:水箱上設置旋轉軸入口，旋轉軸入口處安裝滾動軸承，旋轉軸與滾動軸承相配合。
4.根據權利要求1或2所述的非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置，其特徵是:導軌可沿支撐臺移動。
5.根據權利要求3所述的非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置，其特徵是:導軌可沿支撐臺移動。
6.根據權利要求1或2所述的非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置，其特徵是:水箱相鄰的兩個側面分別開有窗口，窗口裝有透光率大於99%的光學玻璃進行密封。
7.根據權利要求3所述的非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置，其特徵是:水箱相鄰的兩個側面分別開有窗口，窗口裝有透光率大於99%的光學玻璃進行密封。
8.根據權利要求4所述的非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置，其特徵是:水箱相鄰的兩個側面分別開有窗口，窗口裝有透光率大於99%的光學玻璃進行密封。
9.根據權利要求5所述的非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置，其特徵是:水箱相鄰的兩個側面分別開有窗口，窗口裝有透光率大於99%的光學玻璃進行密封。
10.非光滑表面減阻效果評價方法，其特徵是:採用非光滑表面流體摩擦阻力測試裝置進行評價，該裝置包括步進電機、扭矩信號耦合器、旋轉軸、水箱，步進電機通過第一彈性膜片聯軸器與扭矩信號耦合器相連，扭矩信號耦合器的輸出軸通過第二彈性膜片聯軸器與旋轉軸相連，旋轉軸的端部安裝旋轉圓盤，旋轉圓盤設置在密閉的水箱裡，旋轉圓盤在步進電機的帶動下旋轉，扭矩信號耦合器採集旋轉圓盤的扭矩、功率、轉速信號並傳入到計算機，步進電機和扭矩信號耦合器均固定在導軌上，導軌安裝在支撐臺上，旋轉軸與導軌相平行； (1)步進電機帶動旋轉圓盤旋轉，通過扭矩信號耦合器測量旋轉圓盤總力矩，隨後將圓盤拆除，採用相同方法測量空轉時的扭矩，將兩者作差得到光滑表面圓盤引起的摩擦力矩； (2)在旋轉圓盤表面加工出所需的非光滑表面形狀，將加工後的非光滑表面圓盤安裝在旋轉軸上，啟動步進電機，保持在與步驟(I)相同轉速，採集此時的扭矩信號，將此時測得的扭矩和步驟(I)空轉時的扭矩作差，得到非光滑表面圓盤引起的摩擦力矩； (3)將步驟(I)測得的旋轉圓盤引起的扭矩與步驟(2)測得的旋轉面圓盤引起的扭矩相減，再除以步驟(I)旋轉圓盤引起的扭矩，所得結果即為非光滑表面的減阻率。
【文檔編號】G01N19/02GK103512844SQ201310467757
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月9日 優先權日:2013年10月9日
【發明者】趙剛, 李芳 , 劉維新, 杜軍偉, 臧東陽, 孫壯志, 張殊, 劉明明, 李照遠 申請人:哈爾濱工程大學