專利名稱：一種適應于射流表面及非光滑表面的阻力測試裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種摩擦阻力的測試裝置，具體的說是一種能夠用于測試流體對不同表面摩擦阻力的測試裝置，尤其適用于對射流表面的減阻效果測試。
背景技術：
目前可應用于流、固界面之間摩擦阻力測試的實驗裝置主要有水洞、風洞、水池和水槽。通過實驗的方法來研究流體摩擦阻力特性，獲得了許多重要的湍流現(xiàn)象，對推進流體減阻理論的發(fā)展起到了至關重要的作用。航行器在流體中行進時，動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續(xù)航能力和航行速度，而且能夠節(jié)約能源。對于減阻技術的研究，具有很高的實用價值。根據(jù)理論推算，在動力和能源一定的情況下，假如將阻力減小10%，則巡航速度和航程可同時增加約3. 57%。因此設計研究一個能夠評估流體對不同表面的摩擦阻力的測試裝置顯得尤為重要，尤其在應用射流表面減阻技術的同時，可以對其減阻效果進行評估。傳統(tǒng)的流體動力學研究中大多采用水洞和水槽等裝置，其造價高昂，耗資巨大，實驗條件不易控制，結構復雜，且多采用封閉式圓管結構，大大限制了其測試應用領域，更無法進行射流表面阻力測試實驗?，F(xiàn)有的拖曳測試裝置又受限于水池長度，且費用昂貴。如何使測試裝置簡單、可靠，且能夠評估不同表面減阻效果，為實際應用提供可靠依據(jù)，仍存在諸多問題。上述測試裝置用于實用教學或非光滑表面研究比較適用，但其限制因素多，無法廣泛應用，且無法進行射流表面減阻研究。而目前的射流表面流體摩擦測試裝置多是“旋轉式”，不僅測量復雜，精度不高，而且旋轉時，水流場的情況比較復雜，無法準確評估，更增加了測試難度；同時實現(xiàn)射流方法復雜，較難實現(xiàn)，且與現(xiàn)實情況相差較多，說服力不強。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種結構簡單、成本低廉、實驗條件易控制的能夠實現(xiàn)對二維平面運動的適應于射流表面及非光滑表面的阻力測試裝置。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的包括模型、射流部分和驅動部分；所述模型為空心、底部有開槽的殼體；所述射流部分包括水箱、潛水泵、實驗樣件和整流板，水箱固定在模型底部且水箱的開口與模型底部的開槽相對應，潛水泵置于水箱內部，潛水泵的進水口與外界相通，整流板3設置于水箱內部并位于潛水泵的出水口之后，實驗樣件安裝于模型底部的開槽處；所述驅動部分包括安裝在模型內的電機和由所述電機驅動的螺旋槳。本發(fā)明還可以包括1、所述整流板為兩塊，水箱內部有兩道插槽，所述整流板嵌在所述插槽中。2、所述電機固定在水箱上，電機輸出軸通過聯(lián)軸器與齒輪軸相連,齒輪軸與傳動軸之間設置有傳動齒輪組，傳動軸與模型之間設置有密封裝置，螺旋槳安裝在傳動軸上。
射流部分中的潛水泵啟動后，實現(xiàn)向水箱中持續(xù)供水，驅動部分中的電機作為動力源，帶動螺旋槳旋轉，驅動測試裝置行駛，在相同工況下、相同時間內通過速度傳感器對多組實驗樣件條件下的測試裝置的行駛速度進行測量、比較、分析，來評估射流表面及非光滑表面的減阻效果?？赏ㄟ^改變實驗樣件上射流孔的大小、排布、形狀、表面形貌或在其表面加工不同結構的非光滑表面來模擬不同條件下測試裝置行進過程以及評估射流表面和非光滑表面結構的減阻效果。測試過程是在相同初始條件相同工況下，測量測試裝置在光滑表面與射流表面(非光滑表面)的實驗樣件情況下相同時間點的行駛速度，通過對比速度來評估射流表面(非光滑表面)的減阻效果。測量主要通過速度傳感器，以便精確的采集到測試裝置行駛過程中的速度值。本發(fā)明具有如下優(yōu)點可實現(xiàn)二維平面運動的摩擦阻力測試，較已有的“旋轉式”測試裝置更具說服力，而且測試方法簡單有效。射流供給方式采用潛水泵連續(xù)供給，節(jié)約空間，簡化了結構，噪聲小；驅動部分采用直齒輪傳動裝置，有效減小振動，同時使裝置整體重心下移，穩(wěn)定性增加，使測量結果更精確；實驗樣件為裝置的核心部分，易于拆卸、加工方便，且實驗樣件表面可根據(jù)需要加工出不同的非光滑表面結構(如V型、凹坑等)，或開有不同形狀孔徑、不同大小孔徑、不同射流角度、不同數(shù)量、不同排布方式的射流孔；本實驗為對照實驗，當完成某種實驗樣件情況下的實驗后，只需更換實驗樣件，無需拆卸其它部件，且實驗樣件更換過程簡單、操作容易、節(jié)約時間；測試裝置實現(xiàn)了水的循環(huán)流動，無需外界提供水源，節(jié)約成本，無污染；測試裝置整體安裝、操作容易。


圖1 :是射流部分結構圖；圖2 :是整流板不意圖；圖3 :是實驗樣件示意圖；圖4 :是驅動部分結構圖；圖5 :是測試裝置主視圖；圖6 :是控制部分流程圖。
具體實施例方式下面結合

本發(fā)明的具體實施過程結合圖5和6，本發(fā)明主要包括射流部分1、驅動部分II和控制部分三個部分射流部分I，為該裝置的核心部分，主要由水箱2、潛水泵4、實驗樣件8、整流板3組成；驅動部分II，主要由電機33、聯(lián)軸器32、傳動軸20、密封裝置、螺旋槳31組成；控制部分，電機33通過變頻器調頻調節(jié)轉速，電機33、變送器和變壓器通過蓄電池供電，潛水泵4通過變壓器控制流量。結合圖1、2和3射流部分的結構為模型I內部設計成空心結構，目的是防止裝置整體過于沉重，無法保證其能夠在水面漂浮，同時可以在其中安放驅動裝置及射流供給裝置，不僅節(jié)省空間，而且有效減小振動。在模型I的底部開有一與水箱2尺寸以及實驗樣件8尺寸相匹配的通孔開槽，用于固定實驗樣件8。將水箱2用8個螺釘固定在開槽處，開槽與水箱2之間采用密封墊片7進行密封，防止水箱2中的水泄漏。在水箱2側壁開有一孔，目的是可將潛水泵4的線路通過此孔與外部的變壓器連接，此孔出口處通過半圓壓板6與密封墊片5將其密封,防止水流出進入裝置腔體內。潛水泵安放在水箱2中,通過兩個螺釘固定在模型I底部，在模型I與潛水泵4底部相接觸的地方開一與潛水泵4進水口尺寸匹配的通孔，使?jié)撍眠M水口與外部相通?？芍苯訌耐獠克髦形?，同時在潛水泵4與模型I的底板之間安有密封墊片，防止水泄漏。潛水泵4將外部水流泵入水箱，為防止從潛水泵4中的排出的水直接濺射到實驗樣件8上，影響射流孔附近流場，導致測量結果有偏差，在水箱內嵌入兩塊整流板3，實現(xiàn)對潛水泵4中泵入的水進行整流功能。實驗樣件8通過8個螺釘安裝在模型I的底板上，與模型I之間通過密封墊片9密封，實驗樣件8表面開有一些規(guī)則排布的射流孔，射流由此形成。實驗樣件8表面亦可以加工出不同規(guī)格的非光滑表面結構，滿足實驗要求。射流部分工作原理實驗開始之前，啟動潛水泵4，外部水流通過潛水泵4向水箱2供水，直到將其充滿時實驗開始。在實驗過程中，潛水泵4 一直處于開啟狀態(tài)，即一直在向水箱2中連續(xù)供給水，由于水箱2為水箱，在其底部安裝有實驗樣件8，在水箱2中的壓力大于外部壓力時，水通過實驗樣件8中的射流孔排出，形成射流。在水箱2充滿水的狀態(tài)下，向水箱2中供水的流量與射流孔中射流出去的水的流量相等，即可通過控制潛水泵4的排水流量來達到調節(jié)射流速度的目的。整流板3目的是對潛水泵4中泵入的水進行整流。實驗還可以通過改變實驗樣件8表面射流孔徑、孔方向和孔排布等因素，來測試不同條件下裝置航行時的近壁區(qū)減阻效果。還可將實驗樣件8的表面設計成真實的船體局部表面結構，實現(xiàn)近實況模擬船舶等航行器的航行情況。在做非光滑表面的阻力測試時，應在實驗樣件8表面加工出相應的非光滑表面(如V型、T型、溝槽、凹坑、突包等)結構，只需更換實驗樣件8而不需要拆卸其它部件，同時在做非光滑表面阻力測試實驗時，無需潛水泵4工作，即不需要提供射流供給。結合圖4、5，驅動部分的構成為采用電機33驅動螺旋槳。電機軸與齒輪軸14之間通過聯(lián)軸器32聯(lián)接，可實現(xiàn)扭矩的傳遞。齒輪軸14安裝在軸承座16內，端部通過端蓋18將其密封，防止濺油。在齒輪軸14上安裝有一對角接觸球軸承15，軸承通過端蓋18、小圓螺母17與軸肩定位。大齒輪22安裝在低速傳動軸20上，通過軸肩與小圓螺母21定位。齒輪軸14與低速軸20通過齒輪傳動機構將兩軸聯(lián)接。在低速軸20兩側安裝有一對角接觸球軸承13，軸承通過軸肩與軸端擋圈19定位；低速軸20端部安裝有螺旋槳31，螺旋槳31與低速軸20之間通過鍵27聯(lián)接，在螺旋槳31槳轂端部設有O型橡膠密封圈26，其目的是防止水流入螺旋槳31槳轂內部，密封圈26通過壓蓋25壓緊。螺旋槳31通過開槽螺母29與開口銷30定位。在螺旋槳31端部安裝整流罩28，其目的是穩(wěn)定螺旋槳31附近流場，整流罩28與螺旋槳31槳轂之間通過螺紋聯(lián)接。由于測試裝置的工作環(huán)境是在水中，所以在低速軸20與模型I聯(lián)接處需設計密封裝置，密封裝置主要由套杯10、端蓋12、填料24、襯套23等組成。由套杯10將填料24罩住，由于是軟填料，需通過端蓋12與襯套23將其壓緊，可通過螺釘與調整墊片11調節(jié)間隙。驅動部分工作原理
實驗開始時，電機33由蓄電池供電啟動，聯(lián)軸器32將電機的扭矩傳遞給齒輪軸14，由齒輪傳動裝置將扭矩傳遞到低速軸20上，由此可克服螺旋槳31的阻力矩使其運轉起來。低速軸20旋轉后，通過平鍵27帶動螺旋槳31旋轉，有效地將扭矩傳遞到螺旋槳31上，以便提供給測試裝置動力，使其向前行駛。在低速軸20與模型I聯(lián)接處密封裝置采用以端蓋12壓緊襯套23的形式，再由襯套23將軟填料24壓緊，而填料24置于套杯10中，由被壓緊的填料24可以有效地將其密封。結合圖6，控制部分涉及到射流速度的調節(jié)以及模型航速的調節(jié)，前者是通過蓄電池為潛水泵4供電，中間通過變壓器來改變潛水泵4的供電電壓，實現(xiàn)調節(jié)潛水泵4的排水量；后者由蓄電池為電機33供電，通過變頻器調節(jié)電機33的頻率，實現(xiàn)轉速的調節(jié)，進而達到對測試裝置航速的調節(jié)。實驗過程中通過比較相同時間內測試裝置在光滑表面與射流表面(非光滑表面)情況下的航行速度來評估射流表面(非光滑表面)結構的減阻效果。
權利要求
1.一種適應于射流表面及非光滑表面的阻力測試裝置，其特征是 包括模型、射流部分和驅動部分； 所述模型為空心、底部有開槽的殼體； 所述射流部分包括水箱、潛水泵、實驗樣件和整流板，水箱固定在模型底部且水箱的開口與模型底部的開槽相對應，潛水泵置于水箱內部，潛水泵的進水口與外界相通，整流板3設置于水箱內部并位于潛水泵的出水口之后，實驗樣件安裝于模型底部的開槽處； 所述驅動部分包括安裝在模型內的電機和由所述電機驅動的螺旋槳。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種適應于射流表面及非光滑表面的阻力測試裝置，其特征是所述整流板為兩塊，水箱內部有兩道插槽，所述整流板嵌在所述插槽中。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種適應于射流表面及非光滑表面的阻力測試裝置，其特征是所述電機固定在水箱上，電機輸出軸通過聯(lián)軸器與齒輪軸相連，齒輪軸與傳動軸之間設置有傳動齒輪組，傳動軸與模型之間設置有密封裝置，螺旋槳安裝在傳動軸上。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種適應于射流表面及非光滑表面的阻力測試裝置。包括模型、射流部分和驅動部分；所述模型為空心、底部有開槽的殼體；所述射流部分包括水箱、潛水泵、實驗樣件和整流板，水箱固定在模型底部且水箱的開口與模型底部的開槽相對應，潛水泵置于水箱內部，潛水泵的進水口與外界相通，整流板3設置于水箱內部并位于潛水泵的出水口之后，實驗樣件安裝于模型底部的開槽處；所述驅動部分包括安裝在模型內的電機和由所述電機驅動的螺旋槳。本發(fā)明結構簡單、成本低廉、實驗條件易控制。能夠實現(xiàn)對二維平面運動的射流表面及非光滑表面的摩擦阻力進行測試。
文檔編號G01M10/00GK102998087SQ20121048787
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權日2012年11月27日
發(fā)明者趙剛, 谷云慶, 劉文博, 鄭金興, 李照遠, 張殊, 汝晶, 劉明明, 趙健英, 朱玉敏 申請人:哈爾濱工程大學