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

摘要

本发明提供的是一种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。包括密封轴，安装在密封轴一端的动力输入及信号输出机构，安装在密封轴另一端的传感器机构，包围着传感器机构的密封仓以及配水机构。本发明适用于对非光滑表面结构减阻效果测试和表面涂层减阻效果测试，以及对仿生射流表面减阻效果测试，数据采集系统结构简单，操作容易，测试准确。在能够实现对非光滑表面结构减阻效果进行评估的基础上，还能够实现对射流表面结构减阻效果进行评估。通过数据采集系统采集试验装置在不同试验样件情况下的流体摩擦阻力值，进行数据比对，得到不同表面结构的减阻效果，研究非光滑表面结构和射流表面结构的减阻特性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够测试流体对不同表面结构摩擦阻力的试验装置，尤其适用于对非光滑表面结构减阻效果测试和表面涂层减阻效果测试，以及对仿生射流表面减阻效果测试。

背景技术

当前针对流体摩擦阻力测试的试验装置主要有水洞、水池以及拖曳等试验装置。试验方法作为研究流体减阻的重要手段，对推进流体减阻理论的发展起到了至关重要的作用，流体的很多重要的现象都是首先在试验条件下得到的。随着减阻技术的快速发展，如何设计一个能够评估流体对不同表面结构摩擦阻力的试验装置显得尤为重要。在传统的流体动力学研究中主要采用水洞试验装置，但其体积大、造价高、操作繁琐、试验条件控制困难、试验模型复杂。我国现有水池数量有限，建设设备齐全的水池费用昂贵，日常维护难度大，试验成本高，一般只针对与国家某些大型试验进行研究，无法广泛应用。现有的小型流体力学试验设备，可以完成对管路沿程损失试验、局部损失试验、雷诺试验、伯努利方程试验、以及文丘里流量计标定等，但大都只针对于试验教学，无法对流体减阻进行评估，大大限制了试验装置的测试应用领域，同时无法进行射流表面减阻试验。现有拖曳试验装置，试验速度范围小，只局限于水池实验，受水池长度限制，试验费用较高。如何用简单、适用、可靠的试验装置，评估不同表面结构的减阻效果，为工程实践提供可靠的依据，仍然存在诸多问题。因此，研究、制造一种先进的能够对流体摩擦阻力进行测试的试验装置是一项十分重要的任务。

本发明的目的就是为解决在能够实现对非光滑表面结构减阻效果进行评估的基础上，还能够实现对射流表面结构减阻效果进行评估。对于试验样件表面可以加工不同脊状结构，如凹坑结构、凸起结构、V型结构等；加工出不同孔径形状、孔径大小、排布方式、倾斜角度的射流孔结构；或在试验样件表面涂覆涂层。通过数据采集系统采集试验装置在不同试验样件情况下的流体摩擦阻力值，进行数据比对，得到不同表面结构的减阻效果，研究非光滑表面结构和射流表面结构的减阻特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现对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及射流表面减阻效果测试，结构简单、操作容易、测试准确的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。

本发明的目的是这样实现的：

包括密封轴，安装在密封轴一端的动力输入及信号输出机构，安装在密封轴另一端的传感器机构，包围着传感器机构的密封仓以及配水机构；

所述传感器机构包括传感器内壳、传感器外壳、拨杆支架、拨杆、应变片，传感器内壳安装在密封轴上，传感器外壳套在传感器内壳外且二者之间可以相对转动，拨杆支架套在传感器内壳上，应变片粘贴在拨杆上，拨杆的一端位于拨杆支架相应槽内、另一端端位于传感器外壳的槽内，拨杆支架上固定有挡板，传感器后密封端盖联接在传感器外壳上；

所述密封仓由密封仓前端盖、密封仓后端盖和密封仓体连接构成，密封仓前端盖装配在密封轴上，密封仓后端盖与配水机构相连；

传感器外壳上固定顶端支架，顶端支架上固定有传感器前密封端盖及射流密封件，试验样件安装于顶端支架与射流密封件之间。

在动力输入及信号输出机构与密封仓之间的密封轴上、传感器前密封端盖与密封轴之间以及射流密封件与密封轴之间设置有轴向密封机构，所述轴向密封机构包括永久磁铁、与永久磁铁相配合的两块极板，两块极板结构尺寸相同，每块极板内壁或外壁上有齿槽，每个极板钻有径向孔，所述径向孔处设置丝堵封堵。

本发明能够达到在能够实现对非光滑表面结构减阻效果进行评估的基础上，还能够实现对射流表面结构减阻效果进行评估的目的。对于试验样件表面可以加工不同脊状结构，如凹坑结构、凸起结构、V型结构等；加工出不同孔径形状、孔径大小、排布方式、倾斜角度的射流孔结构；或在试验样件表面涂覆涂层。通过数据采集系统采集试验装置在不同试验样件情况下的流体摩擦阻力值，进行数据比对，得到不同表面结构的减阻效果，研究非光滑表面结构和射流表面结构的减阻特性。

本发明主要由动力输入及信号输出环节、轴向密封环节、传感器环节、配水环节四部分组成。动力输入及信号输出环节与轴向密封环节依次安装在密封轴一端，动力输入及信号输出环节通过密封体端盖固联；传感器环节安装在密封轴另一端，并与密封轴端固联；配水环节通过密封仓右端盖固联。

试验过程中通过数据采集系统对试验装置中数据进行采集、存储。电机通过变频器进行速度调节。在密封轴旋转过程中拨杆起到对试验样件拨动作用，将应变片粘附于拨杆表面之上，通过应变片反应出的拨杆应变情况，继而反应出流体对试验样件摩擦阻力信号值。在应变片上引出排线，经由密封轴空心腔，将排线引入密封轴另一轴端，与滑环相连接，通过滑环将旋转排线输入电信号转换为固定排线电信号，并将信号通过信号放大滤波，依次传送至采集卡、计算机中，通过LabVIEW软件对数据进行读取并存储。在软件界面中可以读取系统中流体对试验样件摩擦阻力瞬时值及摩擦阻力随时间变化曲线图，以及电机输入的转速变化瞬时值及转速随时间变化曲线图。

回转动密封处采用磁流体密封。圆环形永久磁铁(N-S)，极板和旋转轴所构成的磁性回路，在磁铁产生的磁场作用下，把放置在轴与极板顶端缝隙间的磁流体加以集中，使其形成一个的“O”形环，将缝隙通道堵死达到密封的目的。磁流体密封具有的无固体摩擦、无机械损失、能耗小、寿命长等特性，因此动密封处在达到最佳密封效果的同时，对系统测试结果无明显干扰。密封壳体及密封壳体端盖采用非导磁材料铝合金制成，其内孔与两块极板过渡配合。对于磁流体密封装置，轴与极板齿槽间隙中的磁性流体填充方法经过多次各种方式的填充试验确定该工艺较为可靠，填充质量稳定、效果良好。

采用自制传感器来量化流体对试验样件表面的摩擦阻力大小。传感器与密封轴相联接部分紧密联接，与轴一同旋转。旋转中，带动拨杆一起旋转，拨杆拨动传感器顶端支架部分，而试验样件即联接于顶端支架部分之上，在拨杆带动顶端支架部分一起旋转运动时，由于流体对试验样件表面摩擦阻力势必使自身产生弯曲变形，粘附于拨杆表面上的应变片将拨杆受力弯曲变形信号传人数据采集系统，实现对试验样件表面摩擦阻力数据的采集。

射流试验时，试验装置通过射流供给系统向试验样件内腔体内注入流体，使其达到射流目的。射流供给系统中动密封处在满足密封效果的同时，为避免接触式密封对试验产生干扰，而采用非接触式的磁流体密封装置。射流过程中，流体通过自吸入方式，使水槽中流体经由射流进水管流入射流入口管路，进而流入传感器射流存水腔与试验样件内腔中。在密封轴带动传感器旋转过程中，试验样件内腔中流体在离心力作用下，内腔压强大于密封仓内压强，根据伯努利方程可知，流体通过试验样件射流孔向密封仓内进行喷射。由于密封仓内为常压状态，多余的流体通过射流出水管路流入水槽中，形成流体循环往复利用。

不采用电机与轴同轴布置用联轴器联接的驱动方式，采取旁置交流电机，变频器调速，通过一级带传动拖动密封轴可正、倒车旋转的驱动方式。这种方式避免采用联轴器联接时在高速旋转过程中联轴器惯性对系统产生振动，而影响试验效果。

本发明具有如下优点：实现对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及射流表面减阻效果测试，数据采集系统结构简单，操作容易，测试准确；试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、U型、凹坑或涂覆表面涂层等)，或开有不同孔径、不同射流角度、不同数量、不同排布方式的射流口；对表面结构耦合情况减阻效果进行评估，如在排布有凹坑的试验模型表面同时再开有射流孔，评估二者耦合减阻特性；本试验为对照试验，当某种情况试验样件试验完成后，只需更该试验样件即可，更换过程简单、操作容易、节约时间、降低使用成本；在回转动密封处采用磁流体密封，其寿命长、无磨损、从低速到高速、低压到高压、室温到高位、均能满足设备的要求，具有极佳的工作可靠性；射流试验时，射流配水环节中的流体有两种供给方式：一是通过传感器顶端支架与试验样件所构成腔体中流体靠自身在旋转过程中离心力的作用将射流配水环节中的流体吸入腔体内，由于内腔压强大于外腔体压强，内腔体中流体通过试验样件表面射流口向外喷射，达到射流目的，而不需要外界提供进水压力；二是当射流孔射流速度需要达到较高速度情况，可以在射流入口管路安装加压装置达到高速射流目的。

附图说明

图1：是传感器装置剖视图；

图2：是图1的A-A截面图；

图3：是图1的B-B截面图；

图4：是磁流体密封处剖视图；

图5：是图4极板结构尺寸图；

图6：是输出轴端处剖视图；

图7：是输入轴端处剖视图；

图8：是图7的A-A截面图；

图9：是数据采集系统原理图；

图10：是射流供给系统剖视图；

图11a：是开有V型沟槽的试验样件结构图；

图11b：是图11a的A-A截面图；

图12a：是开有射流孔的试验样件结构图；

图12b：是图12a的A-A截面图；

图13a：是图12b的B-B截面图；

图13b：是图12b的C-C截面图；

图14：是试验装置整体结构图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施过程。

图中：1.传感器外壳、2.密封垫片、3.沉头螺钉、4.拨杆、5.应变片、6.沉头螺钉、7.轴承端盖、8.拨杆支架、9.挡板、10.密封端盖、11.沉头螺钉、12.传感器内壳、13.轴承、14.排线、15水槽、16.密封垫片、17.沉头螺钉、18.轴承端盖、19.密封端盖、20.射流入口管路、21.密封垫片、22.轴承、23.密封垫片、24.防水轴承、25.永久磁铁(N-S)、26.极板、27.沉头螺钉、28.密封仓右端盖、29.射流密封件、30.沉头螺钉、31.试验样件、32.螺栓、33.密封垫片、34.密封仓、35.轴用弹性挡圈、36.密封轴、37.密封体端盖、38.孔用弹性挡圈、39.轴用弹性挡圈、40.轴承、41.密封垫片、42.永久磁铁(N-S)、43.极板、44.密封壳体、45.密封垫片、46.防水轴承、47.密封仓左端盖、48.滑环支架、49.皮带、50.轴上皮带轮、51.螺钉、52.滑环、53.滑环定位螺钉、54.轴上皮带轮定位螺钉、55.电机轴上皮带轮、56.电机轴上皮带轮定位螺钉、57.电机、58.顶端支架、59.沉头螺钉、60.密封垫片、61.密封端盖、62.键。

结合图14，本发明主要由动力输入及信号输出机构环节I、轴向密封环节II、传感器环节III、配水环节IV四部分组成。动力输入及信号输出环节I与轴向密封环节II依次安装在密封轴一端，动力输入及信号输出环节I通过密封体端盖固联；传感器环节III安装在密封轴另一端，并与密封轴端固联；配水环节IV通过密封仓右端盖固联。

传感器处结构安装好后为一整体部件结构。将轴承13安装在传感器内壳12对应位置，将传感器外壳1与轴承13外圈相配合，从左端装入，在轴承13右侧通过轴承端盖7对传感器外壳1进行定位。拨杆支架8套在传感器内壳12上，应变片5粘贴在拨杆4上，将排线14梳理好。把安装好的拨杆部件放入拨杆支架8相应槽内，上端放入传感器外壳1槽内，通过沉头螺钉11将挡板9紧密联接在拨杆支架8上，达到对拨杆4和拨杆支架8的轴向定位。密封端盖10在通过沉头螺钉3紧密联接在传感器外壳1上，为了保证二者之间密封效果，在二者之间加入密封垫片2。如图1、图3所示。将排线14放置在挡板9端面开有槽中，用胶进行粘贴，目的防止传感器高速转动中排线14发生缠绕，如图2所示。

将永久磁铁42与相配合的两块极板43吸合后，将密封轴36装入，密封轴36左端用非导磁的尼龙轴向定位，并将磁环组合体压紧，保证密封轴36与永久磁铁42及极板43不发生轴向位移。两块极板结构尺寸相同，均为φ70mm×φ31mm×L18mm，每块极板内孔有6级齿槽。为了便于磁流体的填充，采用径向注入式，在每个极板距端面的第三道齿槽处钻有的φ2mm径向孔，靠近外径扩为M5的螺纹孔，可用M5丝堵封堵，如图5所示。在极板(43)两侧装入密封垫片41、45。将磁流体吸入注射器内，分别通过径向孔向每块极板内注入磁性流体，当每块极板磁性流体填充量饱和时，会从径向孔向外溢出磁性流体，这时停止注射，抽出注射器，分别用丝堵封堵各径向孔。最后再将轴系组合装入密封壳体44中。在密封轴36右端安装上防水轴承46后，将密封壳体44通过螺栓连接在密封仓左端盖47上，二者之间采用O型密封圈进行密封。将轴承40安装到密封体端盖37之上，通过孔用弹性挡圈38对轴承内圈进行定位，将密封体端盖联接体通过螺栓联接到密封壳体44上，再将轴用弹性挡圈39将轴承内圈进行轴向定位，如图4所示。

在传感器安装在密封轴36之前，按照以上磁流体密封处相同安装方法，将磁流体密封处的部件安装到密封轴36相应位置。顶端支架58通过沉头螺钉安装在传感器外壳1上，二者之间放置密封垫片。传感器与密封轴36通过键62进行周向定位，轴向通过挡板9进行定位，挡板9通过沉头螺钉将其与轴端紧密联接。传感器定位后，通过沉头螺钉59将密封端盖61紧密联接在顶端支架58上，二者之间放置密封垫片60，如图6所示

在装配射流供给系统时，首先按照上述磁流体密封处安装方法，将磁流体密封处部件安装到射流密封件29之上，将轴承22与射流入水管路20极装配好后，将磁流体密封部分套在射流入水管路20上，极板两侧放置密封垫片，左侧极板通过轴用弹性挡圈对其定位，轴承22外圈与射流密封件29过渡配合。其次将试验样件31安装在传感器顶端支架58上，右侧端面通过沉头螺钉30将装配好的射流密封件部分紧密连接在顶端支架58上，实现对试验样件31的定位。防水轴承24安装到射流密封件29上后，将密封仓右端盖28端面放置密封垫片33后，通过螺栓32紧密联接在密封仓34之上。轴承端盖18通过沉头螺钉17安装到密封仓右端盖28上，实现对防水轴承24轴向定位。最后通过沉头螺钉27将密封端盖19紧密联接在密封仓右端盖28上，并在密封端盖19与密封仓右端盖28和射流入口管路20之间分别放置密封垫片16、密封垫片21，防止密封仓内流体向外泄漏。射流入口管路20右端联接射流进水管一端，射流进水管另一端放置在水槽15中。两根射流出水管一端分别连接密封仓上下出水孔，另一端放置在水槽15之中。如图10所示。其中射流出水管目的是：在试验开始前，向密封仓34内注入流体；在射流试验过程中，保持密封仓34压力恒定，将多余流体排入水槽15；试验结束后，将密封仓34内流体排出。同时可以在射流出水管及射流入水管上面分别安装流量计，通过射流出水管流量计数据可以计算出射流孔射流流量大小，通过射流进水管与射流出水管流量比较，可以对射流系统泄漏量进行量化。

皮带轮50通过皮带轮定位螺钉54将其在密封轴36上定位。将皮带49套在皮带轮50上，依次将滑环支架48安装在密封体端盖37上，滑环52通过螺钉51联接到滑环支架48之上。旋转密封轴36直到密封轴端孔径与滑环孔径相对齐后，通过滑环定位螺钉53将二者周向定位。皮带另一端联接电机皮带轮55，电机皮带轮55通过电机皮带轮定位螺钉56与电机57轴端进行定位。如图7、图8所示。

装置的整体装配关系如图14所示。

电机通过变频器进行速度控制，滑环静态端排线联接变送器对信号进行放大滤波后，将信号传送至采集卡，最后传送到计算机中，通过LabVIEW软件反应出所测量值大小及波动图，并将数据存入文档，如图9所示。

当做非光滑表面结构试验时，将光滑表面结构试验样件和所需的几组非光滑表面结构的试验样件分别放置传感器顶端支架58上面进行对照试验。按照装配过程，将试验装置一次安装好，通过底端射流出水管对密封仓34内注入流体，当顶端射流出水管有稳定流体流出时，说明密封仓34内已经充满流体，此时将两只射流出水管封堵。试验过程中，通过变频器调节电机在几组不同转速情况下，将不同转速下对应下应变片5所反映出的信号值，通过变送器对信号进行放大滤波后将模拟信号输送给采集卡，并由采集卡输送至计算机，将相应数据存储于计算机中。当光滑表面结构情况完成后，通过射流出水管将密封仓34内流体排空，取出光滑试验样件。当试验样件为非光滑表面结构时，如图11所示，按照以上相同步骤进行操作。试验过程中，依次调节变频器使电机1在以上几组转速的档次，将采集卡中数据采集出，依次存储计算机中。当几组试验样件情况依次完成后，对所有数据进行对照、分析、处理，得出结论。做非光滑表面结构试验时，不需要对射流入口管路提供流体。试验样件表面涂覆涂层试验操作过程同非光滑表面结构试验过程一致。

当做射流试验时，将光滑表面结构试验样件和所需的几组射流表面结构的试验样件分别放置传感器顶端支架58上面进行对照试验。在射流试验过程中，射流入口管路20需要接上射流进水管，并将射流进水管另一端放入水槽15，在电机57启动前，先将射流入口管路20内腔，射流密封件29存水腔部分，试验样件31与传感器顶端支架58之间内腔部分及密封仓34内充满流体。在电机1启动后，通过变频器调节电机达到所需转速，由于试验样件表面开有射流孔，如图12、图13所示，试验样件31与传感器顶端支架58之间内腔中流体在离心力的作用下，流体从射流孔向密封仓34内射出，同时在离心力的作用下，射流密封件29腔体内流体需不断的从外界补充，故此，外界流体需从水槽15不断得到补充。而密封仓34中由于射流原因，仓内流体需要外溢，通过射流出水管将多余流体排出，保证密封仓34内始终充满流体，并且压力为常压状态。图10中，箭头方向为流体流动方向，流体从水槽中通过射流进水管进入射流装置系统，试验样件通过射流孔向密封仓内射流，密封仓内多余流体通过射流出水管流入水槽，水槽中流体循环供给。依次调节变频器使电机在所需要对照的几组转速的档次，将采集卡中数据采集出，依次存储计算机中。在做光滑表面对照试验时，由于试验样件表面不存在射流情况，因此当射流入口管路20内腔、射流密封件29存水腔部分、试验样件31与传感器顶端支架58之间内腔部分及密封仓34内充满流体后，将射流进水管及出水管都进行封堵。当几组试验样件情况依次完成后，对所有数据进行对照、分析、处理，最后得出结论。