本发明属于流体检测领域，具体涉及材料表面流体阻力测试方法。
背景技术：
当物体在水等黏性流体中运动时，与相对运动的流体之间会存在动量传递，即流体会对物体产生阻碍其运动的反作用力，该阻力也称之为流体阻力。流体阻力通常分为摩擦阻力和压差阻力，摩擦阻力是物体表面剪切力产生的流动阻力，其方向与流体的相对运动方向相反，而压差阻力则是垂直于物体表面的压力产生的对物体运动的阻力，以物体运动时流体绕过物体为例，这两种阻力与物体的形状、物体的特征长度和物体表面的粗糙度相关。目前如何有效降低船舶行驶及管道运输中的流体阻力成为提高船舶行驶性能、管道运输能力及节省燃料的关键，而如何对不同形状、尺寸和表面粗糙度的物体运动过程中的流体阻力进行简便快速的测试成为这一研究领域中的重要一环。
目前用于流体测试的装置主要有拖曳水池、水洞和循环水槽，拖曳水池是采用电动拖车牵引船模而进行的，测试过程中采用拖车在不同速度下等速拖曳船模，根据匀速运动下物体所受外力平衡的原理，通过测试拖曳拉力来获得船模不同速度下的综合阻力，再采用弗劳德定律换算成相当速度下的实船阻力；水洞是一个流速和压力可以分别控制的水循环系统，与拖曳水池正好相反，在水洞中移动的不是试验物体，而是可控水流，通过制造高速水流对不同湍流状态下的船舶行驶阻力进行测试；与水洞类似，循环水槽采用模型固定不动，水流均匀流动时对水下航行器等简单几何体的所受到的力进行测试。以上装置从宏观和微观两个方面对船体和简单几何模型运动过程中的流体阻力进行测试，但仍然存在不足，如拖曳水池对实验场地的面积和成本要求较高，并不适合单一曲面的简单快速测试，而水洞和循环水槽利用的是相对运动的原理来模拟物体运动时的状态，与物体真实运动状态相比存在一定的误差，同时当前测试均为匀速状态下对流体阻力进行测试，需要对不同速度下物体的阻力进行拟合，测试过程较繁琐，而船体真实运动时则是船载发动机施加驱动力后船体由静止转变为加速运动，待阻力与施加动力相等时船体达到匀速运动状态，因此目前缺乏模拟具有船载发动机驱动工况下的船体壁面阻力变化的简单测试装置。
技术实现要素：
本发明针对已有测试技术的不足，提供了一种材料表面流体阻力测试方法，通过该测试方法可测量不同形状试样在不同种流体状态、不同姿态、不同驱动工况下的流体阻力。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种材料表面流体阻力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准备多个实验样品；
所述实验样品为平面或曲面形状样品，所述实验样品的形状、尺寸和表面粗糙度数据中至少有一个与其它实验样品不相同；
(2)装夹实验样品；
任取一个实验样品，将其固定夹持在材料表面流体阻力测试装置中的试样夹具上；
所述材料表面流体阻力测试装置包括环境模拟单元、运动控制单元和测试记录分析单元；
所述环境模拟单元包括循环水槽、叶轮机、加热管和温控器；
所述循环水槽为一环形管道，包括直工作段和过渡段两部分，所述直工作段为长度不小于0.5米且表面对应开有敞口槽的直管；循环水槽的放置方式要求使得直工作段呈水平状态且其海拔为整个循环水槽的最高；所述循环水槽内部注有测试液体，所述直工作段上表面的敞口槽和液面均与重力方向垂直，且测试液体在测试过程中不溢出；
所述叶轮机安装在循环水槽内的过渡段部分，叶轮机内置防水电机和转速控制器，用于通过转速控制器对电机的转速进行精确调节，使循环水槽内部的测试液体形成循环湍流；
所述加热管通过两端的支撑架水平固定安装在循环水槽内的过渡段部分，所述温控器设置在循环水槽的外部，通过导线与加热管电连接，加热管与温控器联合构成闭环温控系统；
所述运动控制单元包括直线导轨、滑块、试样夹具、滑轮、滑轮绳和驱动物体；
所述直线导轨水平设置于直工作段的敞口槽上方，其两端分别固定在循环水槽内侧的两端，滑块可滑移的安装在直线导轨上，且滑块的滑移方向与敞口槽下方的液面平行；
所述试样夹具呈平板状，用于装夹实验样品；所述试样夹具的整体尺寸小于实验样品，以使得实验样品能够完全覆盖试样夹具；所述试样夹具通过一至少带有两个旋转自由度的姿态调整机构与滑块连接；
所述滑轮固定安装在外部支架上，滑轮绳绕过滑轮，滑轮绳的一端与设置在循环水槽外部的驱动物体连接，并使得滑轮绳被拉紧后该段的方向为沿着重力方向的竖直方向；滑轮绳的另一端穿过循环水槽侧壁上的通孔与滑块连接，并使得滑轮绳被拉紧后该段的方向为水平方向；
所述驱动物体为一带有力传感器的重物块，所述力传感器用于实时测量反馈当前驱动物体对滑轮绳的拉力大小；所述驱动物体具有设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式和设定牵引速度曲线方式三种工作方式；
所述测试记录分析单元包括激光测距仪和计算机；所述激光测距仪水平安装于直线导轨下方、测试液体液面上方；所述激光测距仪的出射激光束沿水平方向，出射激光束被滑块的表面反射回激光测距仪的光电传感器；所述计算机与激光测距仪和驱动物体均相连，用于接收流体阻力测试过程中实验样品的位移和拉力；
(3)测试初始条件设置，包括：
(3.1)设置测试记录分析单元即设置激光测距仪，使其调整后的出射激光束沿水平方向，并能够被滑块的表面反射回激光测距仪的光电传感器，从而可实时获取滑块的位置，进而获得实验样品的位置；
(3.2)设置试样驱动条件，即设置驱动物体的工作方式，使其可以按设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式或设定牵引速度曲线方式这三种工作方式之一运行；
(3.3)测试环境设置；向循环水槽内加注测试液体，使叶轮机按照设定的转速运行以提供不同的流体速度，并由温控器和加热管协调工作控制流体温度，构造出具有设定雷诺数的流体状态；
(4)调节滑块的位置，使得滑块位于直线导轨的第一端，所述第一端是指与驱动物体距离最远的一端；
(5)启动激光测距仪开始测距，即记录滑块的测试初始位置；
(6)启动驱动物体，使其可以按设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式或设定牵引速度曲线方式这三种工作方式之一工作，带动已安装有实验样品和试样夹具的滑块从直线导轨的第一端平行运动到另一端；全程记录驱动物体所带力传感器所反馈的实时牵引力数值；
(7)记录滑块的测试结束位置，之后停止激光测距仪的测距；
(8)测试数据处理和分析，包括如下：
(8.1)根据激光测距仪实时反馈的实验样品随时间变化的位置数据，精确计算出实验样品在固定行程中的任意测试位置的速度、加速度、动能数值，亦即总耗时、速度-时间变化曲线、加速度-时间变化曲线、动能-时间变化曲线；
(8.2)根据驱动物体的力传感器实时反馈当前驱动物体提供的牵引拉力数值，得到实验样品随时间变化的牵引驱动力数值，亦即牵引力-时间变化曲线；
(9)重复执行步骤(4)～(8)n次，获得同一实验样品的重复n次测试结果，以计算实验样品在固定行程运动过程中的总耗时平均值、速度-时间变化平均值曲线、加速度-时间变化平均值曲线、动能-时间变化平均值曲线、牵引力-时间变化平均值曲线；n为预先设定的大于1的任意整数；
(10)对所有其他未测试的实验样品，重复执行步骤(2)～(9)，直至完成所有实验样品的测试；
(11)通过分析步骤(1)～(10)得到的多组数据，得到同一实验样品以及不同实验样品在不同流体环境、不同迎流姿态工况下，处于不同设定恒定驱动力、驱动功耗或设定速度变化曲线时的流体减阻效应。
本发明具有如下有益效果：
1、目前如何有效降低船舶行驶及管道运输中的流体阻力成为提高船舶行驶性能、管道运输能力及节省燃料的关键，而如何对不同形状、尺寸和表面粗糙度的物体运动过程中的流体阻力进行简便快速的测试成为这一研究领域中的重要一环。与传统技术相比，本发明同时拥有拖曳水池和循环水槽相应的测试功能，实现了实验样品表面湍流阻力、表面微结构减阻效应的精确测试，可以测试不同表面微结构的试样在不同流体环境、不同迎流姿态工况下，处于不同设定驱动能耗、设定牵引驱动力、设定牵引速度曲线时的流体减阻效应，既可以通过对比多个有不同表面微结构的试样在相同工况下的总耗时平均值、总耗能平均值、速度-时间变化平均值曲线、牵引力-时间变化平均值曲线，获得不同表面微结构对流体减阻的效应，还可以通过对比同一个具有特定表面微结构的试样在不同工况下的总耗时平均值、总耗能平均值、速度-时间变化平均值曲线、牵引力-时间变化平均值曲线，获得该表面微结构在不同工况下对流体减阻的效应。
2、本发明巧妙利用了滑轮连接竖直安装的驱动重物块和水平安装的导轨滑块，使得驱动力来自于驱动物体的自重力效应，试样被牵引过程中的耗能测算精度极高，调节十分方便，系统简单可靠、成本低；本发明还兼容了采用伺服电机按预先编程设定的牵引驱动力和牵引速度变化曲线牵引驱动物体运动，从而使得可以测试不同表面微结构的试样在不同设定牵引驱动力和牵引速度变化曲线时的流体减阻效应；以上三种牵引工作模式直接模拟了海洋船舶、水下航行器在恒定推力、设定航速及设定变化航速下的真实工况，具有极好的适应性。
3、本发明采用了带有姿态调整机构的试样夹具，使得试样能够始终呈空间迎流姿态，从而根据不同对比实验的需要，模拟横流、纵向流等不同角度来流对试样的近壁面流体阻力的影响。
4、本发明采用了循环流道设计，通过叶轮机可获得不同的流体速度，并由温控器和加热管协调工作控制流体温度，可以构造出具有设定雷诺数的流体状态，提供了丰富的测试工况条件；而且，此功能在结构上的实现非常简单、可靠，制造成本低，拆装、维修十分简易。
5、本发明采用了激光测距仪和驱动物体端力传感器作为非接触式、非侵入式数据获取手段，相比在试样表面贴片传感器等传统方式，数据获取客观、真实可靠，并且激光测距仪的高频率精确测距特点，使得分析试样在运动过程中的实时反馈成为可能，即可以计算得到试样在运动行程中的总耗时及速度-时间变化曲线；通过分析力传感器所反馈的试样在运动行程中所受实时牵引力数值，获得牵引力-时间变化曲线；这些丰富的测试数据都是传统方法无法获得的信息。
6、本发明满足了新兴表面微结构减阻技术的测试需要，具有高位置精度、高传输能力和高抗干扰能力，物理原理简单清楚，适用性好，操作简单。
7、本发明可以模拟各种液体环境，对盐度、温度、浑浊度等单一或混合因素的影响做研究；可以对不同方法作出的微观结构表面比如超疏水表面在液体环境中的持久度、防腐性、表面附着能力进行研究，是表面微结构的流体减阻效应测试的有效监测装置。
附图说明
图1为本发明所述材料表面流体阻力测试装置的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计；下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种材料表面流体阻力测试装置，包括环境模拟单元、运动控制单元和测试记录分析单元。
所述环境模拟单元包括循环水槽10、叶轮机5、加热管17和温控器16。
所述循环水槽10为一环形管道，按功能可将其分为直工作段和过渡段两部分，其中直工作段为长度不小于0.5米且表面对应开有敞口槽的直管；循环水槽10的放置方式可以是平放或竖直放置，要求使得直工作段呈水平状态且其海拔为整个循环水槽10的最高，即使得当循环水槽10内部注有测试液体6(水、海水或有机溶液等)时，直工作段上表面的敞口槽和液面均与重力方向垂直，且测试液体在测试过程中不溢出。
所述叶轮机5安装在循环水槽10内的过渡段部分，叶轮机5内置防水电机和转速控制器，通过转速控制器对电机的转速进行精确调节，可使循环水槽10内部的测试液体形成循环湍流，从而实现对不同湍流状态下材料表面的流体阻力进行测试。
所述加热管17通过两端的支撑架水平固定安装在循环水槽10内的过渡段部分，所述温控器16设置在循环水槽10的外部，通过导线与加热管17电连接，如此设置使得加热管17与温控器16联合构成闭环温控系统，用于控制循环水槽10内测试液体的温度。
所述运动控制单元包括直线导轨3、滑块8、试样夹具12、滑轮1、滑轮绳2和驱动物体4。
所述直线导轨3水平设置于直工作段的敞口槽上方，其两端分别固定在循环水槽10内侧的两端，滑块8可滑移的安装在直线导轨3上，且滑块8的滑移方向与敞口槽下方的液面平行。
所述试样夹具12呈平板状，用于装夹实验样品14；要求试样夹具12的整体尺寸小于实验样品14，以使得实验样品14能够完全覆盖试样夹具12。所述试样夹具12通过一至少带有两个旋转自由度的姿态调整机构11与滑块8连接。姿态调整机构11的一个旋转中心轴(不妨称为z轴)沿竖直方向，另一个旋转中心轴(不妨称为x轴)沿水平，优选的还可以设置第三个旋转中心轴(不妨称为y轴)且与x轴、z轴垂直，如此设置使得可以通过z轴、x轴(以及y轴)配合调节实验样品14的空间姿态，从而根据不同对比实验的需要，可以模拟横流、纵向流等不同角度来流对实验样品14的近壁面流体阻力影响。所述实验样品14可以为平面或任意曲面，其表面制作有微结构(图形化排布的沟槽、脊形、微柱或微孔等)或涂覆薄膜。
所述滑轮1固定安装在外部支架9上，滑轮绳2绕过滑轮1，滑轮绳2的一端与设置在循环水槽10外部的驱动物体4连接，并使得滑轮绳2被拉紧后该段的方向为沿着重力方向的竖直方向；滑轮绳2的另一端穿过循环水槽10侧壁上的通孔与滑块8连接，并使得滑轮绳2被拉紧后该段的方向为水平方向(即与下面的液面平行、与重力方向垂直)。
所述驱动物体4为一带有力传感器的重物块，力传感器可以实时测量反馈当前驱动物体4对滑轮绳2的拉力大小，力传感器可将实时的拉力数据传输给计算机15；驱动物体4可以提供设定驱动能耗、设定牵引驱动力、设定牵引速度曲线三种工作方式，其中设定驱动能耗方式是指通过改变重物块的质量来调节其重力势能的大小，要求重物块能够带动滑块8(其上固定有安装了实验样品14的试样夹具12)从直线导轨3的一端平行运动到另一端；设定牵引驱动力和设定牵引速度曲线方式则由外部带有动态拉力仪的闭环控制伺服电机驱动系统拉动重物块沿重力方向以任一预先编程设定的牵引驱动力或牵引速度变化曲线向下运动，从而带动滑块8(其上固定有安装了实验样品14的试样夹具12)从直线导轨3的一端平行运动到另一端。
所述测试记录分析单元包括激光测距仪7和计算机15。
所述激光测距仪7水平安装于直线导轨3下方、测试液体液面上方；所述激光测距仪7的出射激光束沿水平方向(即与下面的液面平行、与重力方向垂直)，出射激光束被滑块8的表面反射回激光测距仪7的光电传感器，从而通过激光测距仪7可实时获取滑块8(其上固定有安装了实验样品14的试样夹具12)的位置，进而获得实验样品14的位置。
所述计算机15与激光测距仪7和驱动物体4均相连，用于接收流体阻力测试过程中实验样品14的位移s和拉力ft，结合驱动物体4、滑块8、试样夹具12及实验样品14的质量，以及采集的实验样品14随时间的空间位置变化，计算出各时段的实验样品14在固定行程(即导轨长度)运动行程中的速度v、加速度a、总耗时、速度变化曲线及流体阻力f。
本发明还提供了一种基于上述材料表面流体阻力测试装置的测试方法，具体包括如下步骤：
(1)准备多个实验样品14；所述实验样品14为平面或曲面形状样品，其表面制作有微结构(图形化排布的沟槽、脊形、微柱或微孔等)或涂覆薄膜。所述实验样品14的形状、尺寸和表面粗糙度数据中至少有一个与其它实验样品14不相同。实验样品14上设置有可被固定装夹的夹持部位；比如，实验样品14背面钻出盲孔并攻丝，用于通过螺钉13进行固定。
(2)装夹实验样品14；任取一个实验样品14，将其固定在材料表面流体阻力测试装置中的试样夹具12上，并根据工况需要，通过安装在滑块8上的姿态调整机构11来调节试样夹具12以及实验样品14的空间姿态，以模拟横流、纵向流等不同角度来流对实验样品14的近壁面流体阻力影响；
(3)测试初始条件设置，包括：
(3.1)设置测试记录分析单元即设置激光测距仪7，使其调整后的出射激光束沿水平方向，并能够被滑块8的表面反射回激光测距仪7的光电传感器，从而可实时获取滑块8(其上固定有安装了实验样品14的试样夹具12)的位置，进而获得实验样品14的位置。
(3.2)设置试样驱动条件，即设置驱动物体4的工作方式，使其可以按设定驱动能耗、设定牵引驱动力、设定牵引速度曲线三种工作方式之一运行；
当采用设定驱动能耗时，实验样品14的驱动力来自驱动物体4的自身重力，启动驱动物体4初期，驱动力远大于流体阻力，驱动物体4、试样夹具12、实验样品14及滑块8均做加速运动，此时滑绳2上的拉力远大于流体阻力，同时拉力也远小于驱动力，随着实验样品14的速度不断增加，流体阻力和滑轮绳上的拉力不断增大，而整个系统的加速度却不断减小，若加速距离(即直线导轨3的工作长度)足够，则实验样品14的速度可达到最大值(之后作匀速运动)，最终滑块8以及实验样品14由直线导轨3的一端(测试起点)平行运动到另一端(测试终点)，若加速距离(即直线导轨3的工作长度)不足够，则实验样品14以一直加速的状态由直线导轨3的测试起点平行运动到测试终点；
当采用设定牵引驱动力或设定牵引速度曲线方式时，需要利用外部带有动态拉力仪的闭环控制伺服电机驱动系统拉动驱动物体4沿重力方向以任一预先编程设定的牵引驱动力或牵引速度变化曲线向下运动，从而带动滑块8(其上固定有安装了实验样品14的试样夹具12)从直线导轨3的一端平行运动到另一端。
(3.3)测试环境设置；根据实验需要模拟的工况，循环水槽10内加注相应的测试液体(淡水、海水、悬浊液、有机溶剂等)，使叶轮机5按照设定的转速运行以提供不同的流体速度，并由温控器16和加热管17协调工作控制流体温度，构造出具有设定雷诺数的流体状态；
以上(3.1)至(3.3)步骤的先后顺序可以任意调整；
(4)调节滑块8的位置，使得滑块8位于直线导轨3的第一端，所述第一端是指与驱动物体6距离最远的一端；
(5)启动激光测距仪7开始测距，即记录滑块8的测试初始位置；
(6)启动驱动物体4，使其可以按设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式或设定牵引速度曲线方式这三种工作方式之一工作，带动滑块8(其上固定有安装了实验样品14的试样夹具12)从直线导轨3的一端平行运动到另一端；全程记录驱动物体4所带力传感器所反馈的实时牵引力数值；
(7)记录滑块8的测试结束位置，之后停止激光测距仪7的测距；
(8)测试数据处理和分析，包括如下：
(8.1)根据激光测距仪7实时反馈的实验样品14随时间变化的位置数据，精确计算出实验样品14在固定行程(即测试起点到测试终点的距离)中的任意测试位置的速度、加速度、动能数值，亦即总耗时、速度-时间变化曲线、加速度-时间变化曲线、动能-时间变化曲线；
(8.2)根据驱动物体4的力传感器实时反馈当前驱动物体4提供的牵引拉力数值，得到实验样品14随时间变化的牵引驱动力数值，亦即牵引力-时间变化曲线；
(9)重复执行步骤(4)～(8)n次，获得同一实验样品14的重复n次测试结果，以计算实验样品14在固定行程(即导轨长度)运动过程中的总耗时平均值、速度-时间变化平均值曲线、加速度-时间变化平均值曲线、动能-时间变化平均值曲线、牵引力-时间变化平均值曲线；n为预先设定的大于1的任意整数；
(10)对所有其他未测试的实验样品14，重复执行步骤(2)～(9)，直至完成所有实验样品14的测试；
(11)通过分析步骤(1)～(10)得到的多组数据，得到同一实验样品14以及不同实验样品14在不同流体环境、不同迎流姿态工况下，处于不同设定恒定驱动力、驱动功耗或设定速度变化曲线时的流体减阻效应。
具体包括：
(11.1)针对设定驱动能耗工作方式，由于实验样品14的驱动能量由驱动物体4的自身重力势能(根据驱动物体4的质量和运动距离即可精确计算)提供，通过对比步骤(8)、(9)获得的实验样品14随时间变化的动能、速度、加速度、牵引驱动力，可以获得同一个实验样品14或不同实验样品14在多种流体环境、多种迎流姿态工况下，在相同驱动能耗下(忽略系统各部件在多次测试过程的风阻差异)克服表面流体阻力所获得的速度、动能，获得相同速度、动能所需要的驱动能耗，以及通过考察实验样品的牵引驱动力动态波动来获得此运动过程中表面流体阻力的动态波动情况；
(11.2)针对设定牵引驱动力或设定牵引速度曲线工作方式，通过对比步骤(8)、(9)获得的实验样品14随时间变化的动能、速度、加速度、牵引驱动力，可以获得同一个实验样品或不同实验样品在多种流体环境、多种迎流姿态工况下，在任意设定牵引驱动力获得的速度、动能，在任意设定牵引速度下所需的牵引驱动力，从而相对比较同一个实验样品或不同实验样品在多种流体环境、多种迎流姿态工况下的表面流体阻力大小。
优选的，还可以分别改变测试液体的溶液成分、温度、湍流速度以及实验样品14的表面形貌、外形、尺寸、成分和倾斜角度来获得相应条件下的流体阻力数值和曲线，从而对相应的减阻技术和原理进行研究。
本发明可改变为多种方式，这对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。