实现可变射流孔形状及射流角度的仿生射流表面测试装置的制作方法

本发明涉及一种流固间摩擦阻力的测试装置，具体的说是一种能实现可变射流孔形状及射流角度的仿生射流表面测试装置。

背景技术：

流体在固体表面流动时，流固间势必存在着摩擦阻力。流体流动，其动力源主要克服摩擦阻力做工，在海洋航行领域中，船舶和海水直接的摩擦阻力占总阻力的一半以上。在天然气，石油管道运输中，泵组的动力主要是用来克服油气与管道壁面之间的摩擦阻力。在军事上，降低航行器表面的摩擦阻力，不仅能够提高续航能力，且能够节约战备能源。在动力和能源的不变的情况下，如果减少十分之一摩擦阻力，可以同时对航行器的行程和航速进行提升。研究减阻技术对于节约能源，提高能源利用率，完善减阻理论体系具有重要意义。目前国内外的减阻技术主要分为非光滑表面减阻、微气泡减阻、壁面振动减阻、高聚物添加剂减阻和仿生射流减阻等。其中仿生射流减阻技术通过对一些生物的特征进行模拟研究，具备很好的减阻效果，而且绿色环保，有极大的研究意义和价值。

仿生射流减阻技术一直以来都是流体减阻方法中重点研究的方面。仿生射流减阻技术是通过对鱼类的鳃部结构进行观察，发现鱼的鳃部结构不仅具备呼吸的作用，还能起到一个减阻的效果。对鱼类鳃部特征进行模拟优化，再把这些模拟优化后的特征投入到试验中，设定对比实验，从而探究这些不同的生物特征能够达到的减阻效果。针对于解决实验特征的多样性，设计发明一种小型、简便、经济、能够对不同射流孔形状以及射流角度进行测量的实验装置变得十分重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供能够用于测量流体与固体之间的摩擦力的评估仿生射流的表面减阻效果的试验装置，可分别评估不同仿生射流孔形状及射流角度的减阻效果。

本发明包括射流供给装置、射流调控装置、射流孔转换装置、支撑装置、仿生结构试验板、矩形测试管道以及测力计。

本发明的总体结构：所述的射流供给装置中的水箱侧方有六个孔状出液口以及一个网孔状出液口，其中六个孔状出液口分别接所述的射流调控装置中的射流管道。网孔状出液口通过主流管道一接所述的矩形测试管道。所述的射流调控装置中的快速密封接口公头可以与所述的射流孔转换装置的中的四个快速密封接口母头中的任意一个对接，所述的射流孔转换装置中的中心轴焊接在所述的仿生结构试验板上的十字凹槽中心，所述的射流孔转换装置通过中心轴安装在仿生结构试验板十字凹槽中。所述的仿生结构试验板上固定有传力板，传力板与测力计测力端贴合，所述的仿生结构试验板与所述的矩形测试管道上盖板密封滑动连接。所述的矩形测试管道上盖板开有凹槽，测力计安装在凹槽中。所述的矩形测试管道上盖板上固定有支撑装置，所述的矩形测试管道的出液口通过主流管道二连接小水箱，小水箱的顶部出液口连接回流管道通向所述的射流供给装置的水槽。

上述装置或部件的具体结构：

所述的射流供给装置包括变频器、电机、水泵、水槽和水箱。所述的变频器的动力输出端与所述的电机的动力输入端连接，所述的电机的动力输出端与所述的水泵动力输入端相连，所述的水泵的进液口与所述的水槽连通，所述的水泵的出液口通过总水管与水箱连通。

所述的射流调控装置包括射流管道、电动球阀、电磁流量计、可伸缩塑料管以及快速密封接口公头。所述的射流管道上集成电动球阀和电磁流量计，所述的射流管道的进液口与水箱连接，所述的射流管道的出液口接可伸缩塑料管，所述的可伸缩塑料管的出液口接快速密封接口公头。

所述的射流孔转换装置包括快速密封接口母头s、快速密封接口母头l、快速密封接口母头j、快速密封接口母头y、中心轴、旋转螺母、十字底座、可伸缩软管、小型导轨、移动板、圆形孔槽和固定卡栓，所述的中心轴通过焊接固定在仿生结构试验板的十字凹槽中心，所述的十字底座嵌套在中心轴上，中心轴的上半部分有螺纹，安装有旋转螺母，通过控制旋转螺母使十字底座和仿生结构试验板的十字凹槽贴合，所述的十字底座上安装有四个小型导轨。所述四个小型导轨上分别安装移动板，所述的四个移动板上面分别固定快速密封接口母头s、快速密封接口母头l、快速密封接口母头j和快速密封接口母头y。所述移动板的一侧有一通孔，所述的十字底座边缘上有圆形孔槽。所述的十字底座的上端移动板安装在小型导轨上面，小型导轨的一侧有一排圆形孔槽，移动板上有与圆形孔槽对应的通孔，通过插入固定卡栓并通过通孔进入圆形孔槽固定移动板，每次需要变换射流角度时，拔出固定卡栓，移动移动板到相应位置，在插入固定卡栓完成固定角度。

所述的快速密封接口母头s对应的射流孔形状为三角形，快速密封接口母头l对应的射流孔形状为棱形，快速密封接口母头j对应的射流孔形状为矩形，快速密封接口母头y对应的射流孔形状为圆形，所有快速密封接口母头与射流孔之间都通过十字底座中的可伸缩软管连接。

每次需要转换射流孔形状时，假设此时的射流孔为三角形，则松开快速密封接口公头和快速密封接口母头s，然后通过旋转螺母使十字底座松动从而从仿生结构试验板中的十字凹槽中抬起，把十字底座旋转90°，旋紧螺母使十字底座嵌入仿生结构试验板中的十字凹槽，此时仿生结构试验板上的通孔从与三角形射流孔对应变换为与矩形射流孔对应，再连接快速密封接口公头和快速密封接口j，完成测试射流孔形状从三角形向矩形的转换，同理可以变换射流孔形状为棱形和圆形。

所述的支撑装置包括侧板一、固定板以及侧板二，所述的侧板一和侧板二通过焊接固定在矩形测试管道上盖板上，所述的固定板横在侧板一和侧板二之间焊接固定，所述的侧板一和固定板上开有通孔，用于固定射流管道。

所述的仿生结构试验板为矩形，所述的仿生结构试验板上开有十字凹槽，每个十字凹槽对应一个所述射流孔转换装置中的十字底座，并且所述的十字凹槽上铺设密封橡胶，通过旋转螺母时射流孔转换装置与仿生结构试验板贴合后实现密封。所述的仿生结构试验板与矩形测试管道上盖板密封滑动连接。所述的仿生结构试验板上开有比射流孔转换装置射流孔略大的圆台型射流通孔。所述的仿生结构试验板上用螺钉固定传力板，所述的传力板与测力计测力端相连接。

所述的矩形测试管道上盖板尾端开有卡槽。所述的矩形测试管道上盖板与仿生结构试验板密封滑动连接，在矩形测试管道上盖板上设置具有规则几何形状的阶梯型密封结构，阶梯型密封结构纵向为矩形凹槽结构，在仿生结构试验板与矩形测试管道上盖板的接触过程中，形成一系列有规则的节流间隙和膨胀空腔，通过介质的粘性摩擦以及能量的转化产生逐级节流效应，从而实现密封。由于仿生结构试验板下端为主流场，上端为空心内腔，在仿生结构试验板上下两侧存在着压差，为了防止由于压差引仿生结构试验板垂直方向的振动，通过螺钉将压板固连在矩形测试管道上盖板上。

所述的矩形测试管道内主流场流速由所述的射流供给装置控制，通过变频器控制电机，再通过电机控制水泵的功率来实现主流场流速切换。所述的矩形测试管道进液口安装阻尼网，通过阻尼网来对测试管道内水流进行稳流。所述矩形测试管道出液口也安装阻尼网，通过主流管道二连接小水箱，所述的小水箱顶部连接回流管道，回流管道通向水槽，实现水的循环利用。

所述的测力计安装在所述的矩形测试管道上盖板的卡槽中进行固定，所述的测力计的测力端与所述的仿生结构试验板上的传力板贴合。当矩形测试管道中流体流动时，由于所述的仿生结构试验板与矩形测试管道滑动密封连接，所述的仿生结构试验板与流体接触的表面存在一个摩擦力，这个摩擦力通过固定在仿生结构试验板上的传力板传递给测力计得出此时的摩擦力。

在需要测定不同射流孔形状的仿生结构试验板在不同射流速度和不同射流角度下的减阻率时。首先选定一种射流孔形状，在射流速度为0m/s，射流角度为0°，主流场速度为v的射流工况下，将试验板上测得的测力计示数记为f；当改变单一或者耦合多个变量时，例如只改变射流速度、射流角度、主流场速度v时，或任意两个、或任意三个变量时，此时测得测力计上的示数为f，则此时仿生结构试验板上所受总的力为f。则可以得出在变量改变时的减阻率为η＝(f-f)/(f)×100％。η越大，减阻效果越好。变换射流孔形状，重复上述步骤，则可测出另一射流孔形状的在不同射流工况下的减阻效果。本试验装置还可以测定具有不同黏度流体摩擦阻力，在相同的射流工况下，改变主流场内腔中的流体介质，观察不同黏度流体介质下的测力计示数大小，得出不同流体黏度对摩擦阻力的影响。

本发明的有益效果：试验装置可以通过旋转所述的射流孔转换装置中的中心底座，同时利用快速密封接口的公头和不同的母头进行对接，可以实现不同射流孔形状的射流，也可以通过移动所述的射流孔转换装置上的移动板以及固定卡栓来实现不同射流的角度，每个射流孔转换装置可以单独操作，即可以实现不同的射流孔形状及角度的组合测量，也可进行单一射流孔形状及固定角度的减阻效果测试，并且操作简单方便；试验装置可以通过控制每根射流管道上的集成的电动球阀实现单一射流管道射流速度的控制，实现差异化射流，也可以进行整体统一射流流速控制；试验装置上的十字底座底部射流孔可以根据需要设计为不同的射流孔形状来方便测试，同时也可根据需要不同射流孔形状的数目，改变射流孔转换装置的结构，把原来的十字底座扩展为米字底座等结构以满足实验需要；测试过程中使用水为流体介质，通过回流管道实现水的循环利用，节约资源，环保无污染；本发明造价低、占地小、噪声低、结构简单、数据采集方便且精度高，使用操作快捷简便。

附图说明

图1是试验装置结构示意图；

图2a和图2b是射流孔转换装置结构简图及外观示意图；

图3是测力计周边放大图；

图4是仿生结构试验板出液口；

图5是仿生结构试验板出液口剖面图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

结合图1、图2a和图2b，本发明所述的一种可变射流孔形状及射流角度的仿生射流表面测试装置，主要包括射流供给装置、射流调控装置、射流孔转换装置、支撑装置、仿生结构试验板31、矩形测试管道37以及测力计28。射流供给装置主要由水箱1、水泵2、电机3、变频器4和水箱6组成。射流调控装置主要包括射流管道9、电磁流量计一11、电动球阀12、可折叠伸缩塑料管14以及快速密封接口公头15。射流孔转换装置主要包括快速密封接口母头s16、快速密封接口母头l17、快速密封接口母头j18、快速密封接口母头y19、旋转螺母35、中心轴34、十字底座36、固定卡栓20、移动板21、圆形孔槽22和小型导轨23。支撑装置包括侧板一8、固定板10以及侧板二24。

结合图1所述的射流供给装置的结构为：电机3输出轴通过联轴器与水泵2联接，电机3为yvp系列变频调速三相异步电动机，通过变频器4进行转速调控。水泵2的进水口与水槽1连接，水泵2出水口连接总水管5，总水管5连接水箱6。水箱6的右侧板42上开有若干孔状出液口44以及网孔状出液口42，孔状出液口44与射流管道9相连接，网孔状出液口42连接主流管道一40，通过调节变频器4可以控制主流管道的流速，从而控制主流场的流速。

结合图1射流调控部分的结构为：射流管道9的进液口与孔状出液口44连通，射流管道9上集成电动球阀12和电磁流量计一11，射流管道9选取直径为15mm的pvc管，电动球阀13选择型号为ssbs-fc8-10-ea的精小型卡套球阀。通过球阀能够快速调节射流管道内的流速，通过电磁流量计一11能够反映出射流管道内的流量，射流速度通过射流流量进行转换。集成在射流管道上节省了空间并方便对射流管道9进行控制。射流管道9的出液口接可折叠伸缩塑料管14，所述的可折叠伸缩塑料管14其出液口接快速密封接口公头15。可折叠伸缩塑料管14能够使快速密封接口公头15断开连接时有一定的伸展空间，便于操作，且能够使快速密封接口公头与母头对接时，不存在侧向牵扯力，从而影响测力计测定摩擦力。

结合图1、图2a、图2b及图5射流孔转换装置的结构：中心轴34焊接在仿生结构试验板31的十字凹槽中心，十字底座36嵌套在中心轴34上，中心轴34的上半部分有螺纹，安装有旋转螺母35，通过控制旋转螺母35使十字底座36和仿生结构试验板31的十字凹槽贴紧。结合图2a十字底座36顶部安装有小型导轨23。所述的小型导轨23上对应安装移动板21，所述的移动板21上面有固定快速密封接口母头y19，所述的快速密封接口母头y19对应的射流孔形状为圆形，所述的十字底座36内部的管道均为可伸缩软管33。结合图2a十字底座36中的可伸缩软管33的左右方向为镂空结构，能够让可伸缩软管33在左右方向进行移动变换角度，其余部分为实心结构。结合图2a移动板21的一侧有一通孔，与圆形孔槽22对应，十字底座36边缘上开设有若干圆形孔槽22。固定卡栓20穿过移动板21上的通孔插入十字底座36边缘上的圆形孔槽22来实现移动板21的固定。

结合图1支撑装置包括侧板一8、固定板10以及侧板二24，所述的侧板一8和侧板二24焊接在矩形测试管道上盖板29上，固定板10横在侧板一8和侧板二24之间，通过焊接固定，所述的侧板一8和固定板10上开有通孔，射流管道9穿过侧板一8和固定板10的通孔，回流管道13穿过侧板一8的通孔，管道与通孔接触处通过防水密封胶进行粘连固定。

结合图5仿生结构试验板31为矩形，仿生结构试验板31上开有十字凹槽，每个十字凹槽对应一个十字底座36，并且十字凹槽上铺设密封橡胶，通过旋转螺母35时十字底座36与仿生结构试验板31贴紧从而密封。结合图4仿生结构试验板31的底部开设有比射流孔略大的圆台型通孔，能够保证射流形状不被影响，且形成一定射流角度。

结合图3仿生结构试验板上通过螺钉固连传力板32。传力板32的末端与测力计的测力端贴合。仿生结构试验板31与矩形测试管道上盖板29密封滑动连接。在矩形测试管道上盖板上29设置具有规则几何形状的阶梯型密封结构，阶梯型密封结构纵向为矩形凹槽结构，底板滑动区域四周均设置阶梯型密封结构，在仿生结构试验板31与矩形测试管道上盖板29的接触过程中，形成一系列有规则的节流间隙和膨胀空腔，通过介质的粘性摩擦以及能量的转化产生逐级节流效应，从而实现密封。由于仿生结构试验板31下端为主流场，上端为空心内腔，在仿生结构试验板31上下两侧存在着压差，为了防止由于压差引仿生结构试验板31垂直方向的振动，通过螺钉32将压板30固连在矩形测试管道上盖板29上。

结合图1矩形测试管道37的出液口安装阻尼网一27，进液口安装阻尼网二38，矩形测试管道39内的流场为主流场，通过阻尼网一27以及阻尼网二38，来使矩形测试管道37内的主流场流速均匀，通过控制所述射流供给装置中的变频器4来调节电机3带动水泵2的运行速度来控制水箱6的水压，从而对主流场速度进行控制，矩形测试管道37进液口通过主流管道一40连接射流供给装置中的水箱6的网孔状出液口42，通过主流管道一40上集成安装的电磁流量计二39来反映内的流量，即为矩形测试管道39内主流场的流量。主流场流速通过流量转换而来。主流管道一40前端安装阻尼网三41，对管道流体进行稳流，从而使电磁流量计二39测量能够更加稳定。矩形测试管道37出液口通过主流管道二26连接小水箱25，小水箱25的作用是能够更好接收矩形测试管道37的流体，实现稳流。小水箱25顶部开有出液口连接回流管道13通向水槽1，实现水循环，环保无污染。

测力方法；结合图1和图3测力计28安装在所述的矩形测试管道上盖板29的卡槽中进行固定，节省空间并能有效进行固定。测力计28的测力端与所述的仿生结构试验板31上的通过螺钉固定的传力板32贴合。当矩形测试管道37中流体流动时，由于所述的仿生结构试验板31与矩形测试管道37滑动密封连接，所述的仿生结构试验板31与流体接触的表面存在一个摩擦力，这个摩擦力通过固定在仿生结构试验板31上的传力板32传递给测力计28，从测力计28上读出出此时的摩擦力。当主流场流速稳定时，测力计28上测出的是仿生结构试验板31上的总的摩擦阻力，当存在射流工况时，测力计28上测出的是射流状况下的总的摩擦阻力，两者相减就是存在射流状况下的摩擦阻力减小程度。通过摩擦阻力的减小程度评估减阻效果，减小程度越大，减阻效果越好，测试结果精度高而且简单明了。

射流角度转换方法；通过射流转换装置来实现，结合图2a每次需要变换射流角度时，拔出固定卡栓20，移动移动板21到相应位置，在将固定卡栓20穿过移动板21上的通孔插入十字底座36边缘上的圆形孔槽22来实现移动板21的固定。移动板21位于十字底座侧边正中间时，射流角度为0°。移动到十字底座侧边两侧边缘时的射流角度分别为±30°。通过对十字底座36边缘上的圆形孔槽的间距进行设计，可以控制每次变换的角度大小。

射流孔形状转换方法；通过射流转换装置来实现，结合图2a和图5快速密封接口母头s16对应的射流孔形状为三角形，快速密封接口母头l17对应的射流孔形状为棱形，快速密封接口母头j18对应的射流孔形状为矩形，快速密封接口母头y19对应的射流孔形状为圆形。结合图1、图2a和图5，每次需要转换射流孔形状时，假设此时的射流孔为三角形，则松开快速密封接公头15和快速密封接口母头s16，然后通过旋转螺母35使十字底座36松动从而从仿生结构试验板中的十字凹槽中抬起，把十字底座旋转90°，旋紧螺母35使十字底座36嵌入仿生结构试验板31中的十字凹槽，此时仿生结构试验板31上的通孔从与三角形射流孔对应变换为与矩形射流孔对应，再连接快速密封接口公头15和快速密封接口j18，完成测试射流孔形状从三角形向矩形的转换。同理可以变换射流孔形状为棱形和圆形。

整个装置的工作原理：通过变频器4调节电机3的转速，提供实验过程中不同的电机旋转速度。电机3带动水泵2把水槽1中的水通过总水管5泵入水箱6中，水箱6中流体介质通过侧方的孔状出液口44进入射流管道9。射流流量通过射流管道9上的电磁流量计一11直接读取，电磁流量计一11的功能就是用于监控射流调控装置中流体供给流量，射流流量的大小通过射流管道9上的电动球阀12进行控制。射流速度通过射流流量转化而来，即最终通过电动球阀12和电磁流量计一11提供仿生射流不同射流速度。水箱6侧方的网孔状出液口42通过主流管道一40连接矩形测试管道37，主流管道一40上集成安装电磁流量计二39，电磁流量计二39反映主流管道一38中的流量即矩形测试管道37内主流场的流量，主流场速度通过主流场流量转化而来，通过变频器4来控制电机3从而带动水泵2的工作功率从而控制矩形测试管道37内主流场内的速度。射流管道9的出液口接可折叠伸缩塑料管14，所述的可折叠伸缩塑料管14其出液口接快速密封接口公头15。假设此时快速密封接口公头15与快速密封接口母头j18连接，快速密封接口母头j18通过十字底座36中可伸缩软管33连接矩形射流孔，十字底座36通过旋转中心轴34上的旋转螺母35嵌入仿生结构试验板31中的十字凹槽实现密封，十字底座36底部矩形射流孔与仿生结构试验板31的圆台型通孔对应，仿生结构试验板31上的通孔为比矩形射流孔略大圆台型通孔。流体从射流孔射出在经过圆台型通孔形成矩形射流。同理，通过射流孔角度及形状转换方法可以得到不同角度及形状的射流，再通过测力方法评价不同射流状况下的减阻情况。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。