评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置及方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置及方法，包括水箱、步进电机、平板模型，水箱里盛有液体，平板模型浸没在液体液面以下，步进电机通过弹性模片联轴器连接丝杠，丝杠上安装螺母，螺母与平板模型相连，步进电机在步进电机驱动器驱动下带动丝杠旋转，从而使螺母带动平板模型在液体中移动。本发明采用丝杠螺母机构带动测试平板模型平动，测试原理简单直观、主流速度容易控制、非光滑表面模型加工方便，测试结果可靠。
【专利说明】评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种试验装置及方法，具体地说是测量摩擦阻力的试验装置及方法。
【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，非光滑表面的减阻测试装置多集中在旋转测试方法，如专利号为: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”和专利号为:201120070969.8，名称为“一种对摩擦阻力测试的试验装置”，将主流速度转化为旋转运动，测试结果不够直观，且在圆筒表面加工出凹坑、凸包、沟槽等非光滑表面较为困难。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供能够实现对仿生非光滑表面减阻效果测试、表面涂覆涂层减阻效果测试，以及聚合物添加剂溶液的减阻效果测试的评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置及方法。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]本发明评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是:包括水箱、步进电机、平板模型，水箱里盛有液体，平板模型浸没在液体液面以下，步进电机通过弹性模片联轴器连接丝杠，丝杠上安装螺母，螺母与平板模型相连，步进电机在步进电机驱动器驱动下带动丝杠旋转，从而使螺母带动平板模型在液体中移动。
[0007]本发明评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置还可以包括:
[0008]1、水箱上方的天花板上设置滑道，滑道上安装滑块，平板模型通过连杆与滑块相连。
[0009]2、所述的平板模型包括光滑表面平板模型、非光滑表面平板模型。
[0010]本发明评估仿生非光滑表面减阻效果的试验方法，其特征是:采用如下试验装置:包括水箱、步进电机、平板模型，水箱里盛有液体，平板模型浸没在液体液面以下，步进电机通过弹性模片联轴器连接丝杠，丝杠上安装螺母，螺母与平板模型相连，步进电机在步进电机驱动器驱动下带动丝杠旋转，从而使螺母带动平板模型在液体中移动；水箱上方的天花板上设置滑道，滑道上安装滑块，平板模型通过连杆与滑块相连；
[0011](I)所述的平板模型首先采用光滑表面平板模型，启动步进电机，通过步进电机驱动器控制步进电机的转速带动丝杠运动，丝杠上的螺母随之发生平动，与螺母相连接的光滑表面平板模型与螺母具有相同的运动速度，同时记录下步进电机的驱动功率和光滑表面平板模型的速度；[0012]( 2 )将步骤(I)中的光滑表面平板模型换成待测的非光滑表面平板模型，重复步骤
(I)测量出步进电机的驱动功率和测试平板模型的速度；
[0013](3)将光滑表面平板模型和非光滑表面平板模型速度相等时的步进电机驱动功率相减，再与光滑表面平板模型的步进电机的驱动功率作商，即为非光滑表面的减阻率；或保持步进电机的驱动功率不变，将非光滑表面平板模型的运动速度和光滑表面平板模型的运动速度相减，再与光滑表面平板模型的运动速度作商，即为非光滑表面平板模型的减阻率。
[0014]本发明的优势在于:实现对仿生非光滑表面结构减阻效果测试及表面涂层减阻效果测试，本发明结构简单，操作容易，测试准确；本发明通过对比相同步进电机驱动功率时光滑表面测试平板模型和仿生非光滑表面测试平板模型的运动速度来评价仿生非光滑表面的减阻效果，另一方面，保持光滑表面测试平板模型和仿生非光滑表面测试平板模型速度相等时，通过对比光滑表面模型和仿生非光滑表面模型步进电机的驱动功率来衡量仿生非光滑表面的减阻效果。评估仿生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，包括步进电机5、步进电机驱动器6、弹性膜片联轴器7、测试平板模型3、丝杠螺母机构和水池；其中螺母4与测试平板模型3固连在一起，沿着丝杠2做平移运动。
[0018]本发明的工作原理是:
[0019]步进电机5带动丝杠2旋转,与螺母4固连在一起的测试平板模型3随之一起运动，同时记录步进电机5的驱动功率和测试平板模型3的转速，通过对比相同驱动功率时非光滑表面模型和光滑表面模型的速度来评估仿生非光滑表面的减阻效果，也同通过对比测试平板模型3运动速度相等时光滑表面模型和非光滑表面模型的驱动功率来评价仿生非光滑表面的减阻效果。
[0020]所述的评估仿生非光滑表面减阻效果方法具体步骤为:
[0021]a、步进电机5启动,通过步进电机驱动器6控制步进电机5的转速带动丝杠2运动，丝杠2上的螺母4随之发生平动，与之相连接的测试平板模型3与螺母4具有相同的运动速度，同时记录下步进电机5的驱动功率和测试平板模型3的速度；
[0022]b、将步骤a中的光滑表面平板模型换成待测的非光滑表面模型，重复上一步测量出步进电机5的驱动功率和测试平板模型3的速度；
[0023]C、评估仿生非光滑表面的减阻效果，将光滑表面平板模型3和非光滑表面模型3速度相等时的步进电机5驱动功率相减，再与光滑表面模型3的步进电机5的驱动功率作商，即为非光滑表面的减阻率；另外，也可保持步进电机5的驱动功率不变，将非光滑表面模型3的运动速度和光滑表面模型3的运动速度相减，再与光滑表面模型3的运动速度作商，即为非光滑表面的减阻率。
[0024]本发明通过对检测测试平板模型3的速度和步进电机5的驱动功率，可以方便地评估仿生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，还适用于对涂层表面结构流体摩擦阻力和聚合物添加剂溶液的流体摩擦阻力进行检测并评估其减阻效果。
[0025]本发明一种评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置，包括步进电机5、步进电机驱动器6、弹性膜片联轴器7、测试平板模型3、丝杠螺母机构和水池；其中螺母4与测试平板模型3固连在一起，沿着丝杠2做平移运动。
[0026]测试平板模型3没入水中，并远离水池壁，减小水池壁和自由液面对测试平板模型3周围流体的影响。
[0027]步进电机驱动器6与步进电机5相连，步进电机5通过弹性膜片联轴器7与丝杠2相连接，为丝杠2转动提供动力。
[0028]测试平板模型3通过连杆与吊在天花板上的滑块8联接在一起，滑块8的轨道与丝杠2平行，承担了平板在水中的重力。
[0029]在滑块8的底端安装滚轮，将滑块8在轨道中运动的滑动摩擦变成滚动摩擦，测试效果更加准确。
[0030]非光滑表面测试平板模型3是通过在光滑表面平板模型加工出凹坑、沟槽、凸包等非光滑表面制成的，也可以在光滑表面测试平板模型3上粘贴非光滑表面薄膜。
[0031]步进电机5带动丝杠2转动，丝杠2上的螺母4随之平动，带动与之联接的测试平板模型3运动，通过对比光滑表面平板模型和非光滑表面平板模型在相同速度时的电机驱动功率来评估仿生非光滑表面的减阻效果。
[0032]步进电机5带动丝杠2转动，丝杠2上的螺母4随之平动，带动与之联接的测试平板模型3运动，在相同电机驱动功率时，通过对比光滑表面平板模型和非光滑表面平板模型的运动速度来评估仿生非光滑表面的减阻效果。
[0033]本发明评估仿生非光滑表面减阻效果的方法，其特征在于，具体步骤为:
[0034]a、步进电机5启动,通过步进电机驱动器6控制步进电机5的转速带动丝杠2运动，丝杠2上的螺母4随之发生平动，与之相连接的测试平板模型3与螺母4具有相同的运动速度，同时记录下步进电机5的驱动功率和测试平板模型3的速度；
[0035]b、将步骤a中的光滑表面平板模型换成待测的非光滑表面模型，重复上一步测量出步进电机5的驱动功率和测试平板模型3的速度；
[0036]C、评估仿生非光滑表面的减阻效果，将光滑表面平板模型和非光滑表面模型速度相等时的步进电机驱动功率相减，再与光滑表面模型的步进电机的驱动功率作商，即为非光滑表面的减阻率；另外，也可保持步进电机5的驱动功率不变，将非光滑表面模型的运动速度和光滑表面模型的运动速度相减，再与光滑表面模型的运动速度作商，即为非光滑表面的减阻率。
【权利要求】
1.评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是:包括水箱、步进电机、平板模型，水箱里盛有液体，平板模型浸没在液体液面以下，步进电机通过弹性模片联轴器连接丝杠，丝杠上安装螺母，螺母与平板模型相连，步进电机在步进电机驱动器驱动下带动丝杠旋转，从而使螺母带动平板模型在液体中移动。
2.根据权利要求1所述的评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是:水箱上方的天花板上设置滑道，滑道上安装滑块，平板模型通过连杆与滑块相连。
3.根据权利要求1或2所述的评估仿生非光滑表面减阻效果的试验装置，其特征是:所述的平板模型包括光滑表面平板模型、非光滑表面平板模型。
4.评估仿生非光滑表面减阻效果的试验方法，其特征是:采用如下试验装置:包括水箱、步进电机、平板模型，水箱里盛有液体，平板模型浸没在液体液面以下，步进电机通过弹性模片联轴器连接丝杠，丝杠上安装螺母，螺母与平板模型相连，步进电机在步进电机驱动器驱动下带动丝杠旋转，从而使螺母带动平板模型在液体中移动；水箱上方的天花板上设置滑道，滑道上安装滑块，平板模型通过连杆与滑块相连； (I)所述的平板模型首先采用光滑表面平板模型，启动步进电机，通过步进电机驱动器控制步进电机的转速带动丝杠运动，丝杠上的螺母随之发生平动，与螺母相连接的光滑表面平板模型与螺母具有相同的运动速度，同时记录下步进电机的驱动功率和光滑表面平板模型的速度； (2 )将步骤(I)中的光滑表面平板模型换成待测的非光滑表面平板模型，重复步骤(I)测量出步进电机的驱动功率和测试平板模型的速度； (3)将光滑表面平板模型和非光滑表面平板模型速度相等时的步进电机驱动功率相减，再与光滑表面平板模型的步进电机的驱动功率作商，即为非光滑表面的减阻率；或保持步进电机的驱动功率不变，将非光滑表面平板模型的运动速度和光滑表面平板模型的运动速度相减，再与光滑表面平板模型的运动速度作商，即为非光滑表面平板模型的减阻率。
【文档编号】G01M10/00GK103776612SQ201410013054
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】赵刚, 李芳 , 刘维新, 孙壮志, 毕红时, 王晶晶, 刘文博, 赵华兴 申请人:哈尔滨工程大学