一种可变形的波动壁面装置的制作方法

本实用新型涉及波状摆动领域，具体涉及一种可变形的波动壁面装置。

背景技术：

鱼类在水中运动的高速度与其游动方式密切相关，波状摆动作为鱼类最常见的游动方式，能有效的抑制湍流，减小表面所受的粘性阻力。目前研究波状摆动的减阻机理大多依靠数值模拟，根据鱼类的结构与波动特性建立模型，通过数值计算分析其流场信息。但由于波状摆动流体力学模型的复杂性，所得到的结论仍需要通过实验验证其准确性，再借助粒子图像测速技术直观地看到实验模型附近的流场分布。目前波动壁面装置大多为凸轮驱动机构或推杆驱动机构，其壁面多为矩形单元铰接而成，曲面的连续性存在一定局限，且曲面的波动波长调节较困难。因此设计一台波动频率与波长可调的可变形的波动壁面装置对于鱼类波状摆动的减阻机理研究具有一定的积极意义。

技术实现要素：

为了研究鱼类游动对周围流场的影响，针对鱼类的波状摆动，本实用新型一种可变形的波动壁面装置，该装置可在驱动组件作用下于水中作波状运动，通过调节波动壁面的驱动组件，可以改变壁面的波动频率与波长，配合着示踪粒子与粒子图像测速相机等流场显示装置，可以直观的得到波动壁面附近流场的分布状态，操作方便。

本实用新型的目的通过如下技术方案来实现：

一种可变形的波动壁面装置,其特征在于，该装置包括支撑框架和沿支撑框架长度方向平行设置在支撑框架内的不少于5组的驱动运动装置；

所述的支撑框架包括前侧板、后侧板、上轴承支撑架、下轴承支撑架和弹簧支撑架，所述前侧板和后侧板的顶部通过连接杆固定连接，所述的后侧板上沿侧板长度方向上开设有三条平行的滑槽，所述的上轴承支撑架、下轴承支撑架和弹簧支撑架的一端依次分别固定在所述的滑槽上，所述的上轴承支撑架、下轴承支撑架和弹簧支撑架的另一端分别开设有第一圆形通孔、第二圆形通孔和第三圆形通孔；

所述的驱动运动装置包括电机、蜗杆、蜗杆支撑座、蜗轮、中心轴、圆柱凸轮、针杆、支撑弹簧、平板和柔性橡胶板，所述的电机和所述的蜗杆支撑座均固定在所述的后侧板上，且所述的电机的转动轴与所述的蜗杆相连，所述的中心轴竖直布置，所述的中心轴的上端穿过所述的上轴承支撑架的第一圆形通孔，且可转动地支撑在所述的上轴承支撑架上，所述的中心轴的下端穿过所述的下轴承支撑架的第二圆形通孔，且可转动地支撑在所述的下轴承支撑架上，所述的蜗轮套设固定在所述的中心轴的上部，且所述的蜗杆和蜗轮啮合传动，所述的圆柱凸轮套设固定在所述的中心轴的下部；所述的圆柱凸轮上设置有环形滑槽，所述的针杆穿过所述的弹簧支撑架上的第三圆形通孔，一端固定在所述的环形滑槽内，另一端与所述的平板固定，所述的柔性橡胶板固定在所述的平板的下表面；所述的支撑弹簧的两端分别支撑在所述的针杆的轴肩和所述的弹簧支撑架之间；

所述的不少于5组的驱动运动装置共用同一蜗杆和柔性橡胶板。

进一步地，所述的圆柱凸轮为有一定壁厚的中空的圆筒状，所述的圆筒的下端面为斜切面，所述的斜切面上开设所述的环形滑槽。

进一步地，所述的下轴承支撑架的第二圆形通孔为台阶式通孔。

进一步地，所述的上轴承支撑架、下轴承支撑架的另一端均为开口圆环结构，即由两个相对的半圆环组成，且所述的开口外侧设置有突起。

进一步地，所述的针杆的轴肩的下端面开设有轴肩凹槽，所述的弹簧支撑架上的第三圆形通孔为台阶式通孔，所述的支撑弹簧的上端支撑在所述的轴肩凹槽内，下端支撑在第三圆形通孔的台阶上。

进一步地，所述的蜗轮和圆柱凸轮均通过中心轴的轴肩或轴用弹性挡圈进行轴向定位。

进一步地，所述的柔性橡胶板粘贴在所述的平板的下表面。

进一步地，所述的不少于组的驱动运动装置中相邻的圆柱凸轮的安装位置相位差为°。

进一步地，所述的中心轴的两端分别通过圆锥滚子轴承支撑在所述的第一圆形通孔和第二圆形通孔中。

进一步地，所述的针杆的下端与所述的平板螺纹连接，且所述的针杆的下端不超出所述的平板的下表面。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的可变形的波动壁面装置可在驱动组件作用下于水中作波状运动，通过调节波动壁面的驱动组件，可以改变壁面的波动频率与波长，配合着示踪粒子与粒子图像测速相机等流场显示装置，可以直观的得到波动壁面附近流场的分布状态，操作方便。

附图说明

图1是波动壁面装置的左视图；

图2是波动壁面装置的主视图；

图3是下轴承安装的剖视图；

图4是上轴承支撑架安装的俯视图；

图5是弹簧安装的结构图；

图6是针杆与平板连接的结构图；

图中，支撑框架1、驱动运动装置2、透明水槽3、粒子图像测速相机4、前侧板1-1、后侧板1-2、上轴承支撑架1-3、下轴承支撑架1-4、弹簧支撑架1-5、连接杆1-6、电机2-1、蜗杆2-2、蜗杆支撑座2-3、蜗轮2-4、中心轴2-5、圆柱凸轮2-6、针杆2-7、支撑弹簧2-8、平板2-9、柔性橡胶板2-10、上端圆锥滚子轴承2-11、下端圆锥棍子轴承2-12、第一轴用弹性挡圈2-13、第二轴用弹性挡圈2-14、第三轴用弹性挡圈2-15、第四轴用弹性挡圈2-16、第五轴用弹性挡圈2-17、联轴器2-18。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本实用新型，本实用新型的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-2所示，一种可变形的波动壁面装置,其包括支撑框架1和沿支撑框架1长度方向平行设置在支撑框架内的不少于5组的驱动运动装置2；

支撑框架1包括前侧板1-1、后侧板1-2、上轴承支撑架1-3、下轴承支撑架1-4和弹簧支撑架1-5，前侧板1-1和后侧板1-2的顶部的两端通过连接杆1-6固定连接，后侧板1-2上沿侧板长度方向上开设有三条平行的滑槽，长度相等，三条滑槽的左端均处于同一竖直线上，且前侧板1-1和后侧板1-2的底端向外翻折，便于放置在透明水槽3两侧的平面上；上轴承支撑架1-3、下轴承支撑架1-4和弹簧支撑架1-5的一端为螺纹杆状，从上到下依次分别架设在三条滑槽上，且通过内外两个锁紧螺母固定在后侧板上，调节锁紧螺母，可以实现三个支撑架在一定范围内的左右位置的无级调节；上轴承支撑架1-3、下轴承支撑架1-4的另一端为开口圆环结构，即由两个相对的半圆环组成，分别为第一圆形通孔和第二圆形通孔，且第二圆形通孔为台阶式通孔，半圆环的开口外侧设置有突起，当将轴承装入开口圆环结构中后，通过螺栓和螺母穿过突起上的螺栓孔，实现对轴承的周向固定，如图4所示；弹簧支撑架1-5的另一端开设有供针杆2-7穿过的第三圆形通孔；

驱动运动装置2包括电机2-1、蜗杆2-2、蜗杆支撑座2-3、蜗轮2-4、中心轴2-5、圆柱凸轮2-6、针杆2-7、支撑弹簧2-8、平板2-9和柔性橡胶板2-10，电机2-1和蜗杆支撑座2-3均固定在后侧板1-2上，且电机2-1的输出轴通过联轴器2-18与蜗杆2-2相连，中心轴2-5竖直布置，中心轴2-5的上端穿过上轴承支撑架1-3的第一圆形通孔，且通过上端圆锥棍子轴承2-11支撑在上轴承支撑架1-3上，上端圆锥棍子轴承2-11的两端分别通过第一轴用弹性挡圈2-13和第二轴用弹性挡圈2-14进行轴向定位；中心轴2-5的下端穿过下轴承支撑架1-4的第三圆形通孔，且通过下端圆锥棍子轴承2-12支撑在下轴承支撑架1-4上，因第二圆形通孔为台阶式通孔，下端圆锥棍子轴承2-12的下端通过第二圆形通孔的台阶定位，上端通过第五轴用弹性挡圈2-17定位，具体如图3所示；

蜗轮2-4通过键连接套设固定在中心轴2-5的上部，上端通过第三轴用弹性挡圈2-15定位，下端通过中心轴2-5的轴肩定位，蜗杆2-2和蜗轮2-4啮合传动，圆柱凸轮2-6通过键连接套设固定在中心轴2-5的下部，两端分别通过第四轴用弹性挡圈2-16、第五轴用弹性挡圈2-17定位，圆柱凸轮2-6为有一定壁厚的中空的圆筒状，圆筒的下端面为斜切面，斜切面上开设环形滑槽，针杆2-7穿过弹簧支撑架1-5上的第三圆形通孔，上端固定在环形滑槽内，下端与平板2-9螺纹连接，且针杆2-7的下端不超出平板2-9的下表面，避免平板2-9与柔性橡胶板2-10固接时在壁面上产生突起；针杆2-7的轴肩的下端面开设有轴肩凹槽，弹簧支撑架1-5上的第三圆形通孔为台阶式通孔，支撑弹簧2-8的上端支撑在所述的轴肩凹槽内，下端支撑在第三圆形通孔的台阶上，如图5所示；柔性橡胶板2-10粘贴在平板2-9的下表面，如图6所示。

不少于5组的驱动运动装置2共用同一蜗杆2-2和柔性橡胶板2-10，不少于5组的驱动运动装置2中相邻的圆柱凸轮2-6的安装位置相位差为90°。柔性橡胶板2-10的上表面固接多根T型针杆，将多根T型针杆的上下往复运动转变为橡胶板的波状运动。

使用时，将该可变形的波动壁面装置架设在盛水的透明水槽3上，并使柔性橡胶板2-10的上下两端面均与水接触，柔性橡胶板2-10的两侧与水槽侧壁的间距相等。装置运转时，柔性橡胶板2-10相对水槽3不发生水平位移，仅在驱动组件作用下作上下方向的正弦波动。

优选地，电机2-1为步进电机，联轴器2-18为刚性联轴器，圆柱凸轮2-6的斜切面上的环形滑槽的横截面为V型。

因电机2-1为步进电机，因此，可以调节转速，从而实现壁面波动频率的定量可调。粒子图像测速相机4可测量粒子的流速，布置在透明水槽3的左侧，将测量信号输入控制器，可以得到柔性橡胶板周围的流场分布。

驱动运动装置2可在与架子连接处的水平长槽内调节左右位置，波动的波长取决于驱动运动装置2的间隔大小。圆柱凸轮2-6转动过程中，V型槽底的空间位置的上下变动会带动针杆作上下往复运动。斜切面为平面，从动件向上或向下的运动速度不变。

上轴承支撑架1-3、下轴承支撑架1-4、弹簧支撑架1-5可以在架子的水平长槽内调节左右位置，实现了波动波长在一定范围内的无级调节。针杆2-7的安装位置固定，调节蜗轮2-4与蜗杆2-2啮合的位置可以改变圆柱凸轮2-6与针杆2-7的初始接触位置，使运转时相邻组件的圆柱凸轮2-6相位差不同。

本实用新型的可变形的波动壁面装置的工作过程如下：

电机2-1转动，通过联轴器2-18带动蜗杆2-2转动，蜗杆2-2与蜗轮2-4啮合，带动各组驱动运动装置中的蜗轮2-4绕中心轴2-5转动，进而带动圆柱凸轮2-6绕中心轴2-5转动，嵌在圆柱凸轮2-6的斜切面的环形滑槽中的针杆则上下运动，带动与之相连的平板2-9上下运动，因安装时相邻圆柱凸轮2-6的相位差设置为90°，因而与平板2-9粘贴在一起的柔性橡胶板2-10发生类似于正弦曲线的波状摆动，五组相位差为90°的驱动组件可实现一个周期的正弦波动。水槽中的水从橡胶板的前端流向后端，在水槽介质中加入用于流场显示的示踪粒子，通过柔性橡胶板2-10与水流的相对运动模拟鱼类在水中的游动，通过粒子图像测速相机4将测得的信号数据输入控制器进行处理，得到波动壁面周围的流场分布，控制电机2-1转速可以调节波动壁面波动频率，将测得的信号输入控制器中处理可以得到不同情况下的波动壁面周围的流场分布情况。

因驱动运动装置的结构相同，当需要多个周期的波动实验时，只需要改变装置中驱动组件的数量，安装与拆卸方便，操作简单。可以设置波动壁面的周期为若干个，取波动壁面中段的实验数据进行处理，提高实验结果的准确性。当需要进行幅度不等的波动实验时，只需要更换圆柱凸轮2-6就可以满足要求，相邻的圆柱凸轮2-6尺寸不同，柔性橡胶板2-10可以作幅度不等的波动，可以模拟一些鱼类的变幅正弦波动的实验。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为实用新型的优选实例而已，并不用于限制实用新型，尽管参照前述实例对实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在实用新型的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在实用新型的保护范围之内。