专利名称：一种圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置，用于测量不同流速时圆形截面试样壁面的流体摩擦阻力，属于流体动力学测试技术领域。
背景技术：
水下航行体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少阻力，对于节约能源、改善工作状况、提高工作效能具有重要意义。水下航行体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，尤其是流线型的水下航行体，因此进行摩擦阻力的分析和测量是进行阻力分析的关键。
目前，流体对圆形截面物体的作用力主要是以各种测力天平为基础的测力装置完成的，其测得的力都是总阻力。由于组成总阻力的摩擦阻力和压差阻力产生的原因是不同的，降低它们所采用的技术途径必然不同，故实际分析时需要分别测量摩擦阻力和压差阻力的大小，因此传统的测量圆形截面物体的总阻力的测量装置已不能适应新的技术发展需求。
发明内容
本发明的目的就是提出一种圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置，改变已有流体阻力测试装置中测量总阻力的状况，使壁面流体摩擦阻力的测量成为现实。该装置原理简单，操作方便，测试可靠。
本发明的技术方案如下一种圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置，其特征在于该装置含有模型支撑单元和阻力测量单元，所述的模型支撑单元包括流线形模型头、支撑杆、固定架、设置在支撑杆上用于支撑试样的前滑动支撑环和后滑动支撑环和流线形模型尾，所述的模型头与支撑杆的前端部采用可拆卸的固定连接，所述的支撑杆的后端部通过锥面与固定架连接；所述的阻力测量单元包括传感器、传感器支撑套、传感器底座、径向传力销、轴向传力销和传力环，所述的传力环设置在支撑杆上的锥面前端，并与后滑动支撑环相接触；所述的径向传力销穿过支撑杆内部，并与传力环紧配合；所述的轴向传力销安装在支撑杆后部的中心孔内，轴向传力销的前端面同径向传力销的中间相接触，后端面同传感器的触点相接触；所述的传感器设置在传感器支撑套内，并与轴向传力销的后端面相接触，传感器支撑套与支撑杆锥面的尾端固定连接；所述的传感器底座后端设置在模型尾内，传感器底座前后部分别与传感器支撑套和模型尾固定连接。
本发明所述的固定架由外固定部分、支撑筋和内固定部分构成，所述的支撑筋的横断面为翼形截面。所述的流线形模型头与支撑杆的连接采用螺纹连接。所述的流线形模型头和流线形模型尾根据需要更换为不同的形状和尺寸。
本发明的技术特征还在于在支撑杆的锥面上加工有信号线的走线槽，在固定架的支撑筋上加工有走线孔。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果1)该装置可以直接测量不同工况下流体对圆形截面试样壁面的流体摩擦阻力；2)试样为圆筒形，结构简单，易加工，拆装方便；3)该装置不仅可以方便地与管道连接，进行压力流(液体流动，试样静止)实验；同时亦可方便地与拖车等连接，进行体积流(液体静止，试样运动)实验；4)圆形截面试样的头部和尾部可根据不同实验的需求制作成所需的形状和大小，因此有利于开展不同头部和尾部对摩擦阻力的影响分析；5)测力元件位于流体内部，信号线通过槽、孔引出，既减少了力传递过程中可能的误差，又减小了对流场的影响；6)更换为其他流体后，即可研究不同流体对圆形截面试样壁面流体摩擦阻力的影响；7)尾部支撑的方式减少了支撑对测试流场的影响。
图1为本发明提供的圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置实施例的结构及其在管道中的安装示意图。
图2是图1中的A-A剖面示意图。
图3是图1中的B-B剖面示意图。
图中1-模型头，2-前滑动支撑环，3-试样，4-后滑动支撑环，5-传力环，6-径向传力销，7-轴向传力销，8-穿线孔，9-走线槽，10-传感器支撑套，11-传感器底座，12-模型尾，13-传感器，14-固定架，15-主管道，16-支撑杆。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的结构、原理和工作过程作进一步的说明。
本发明提出的一种圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置主要包括模型支撑单元和阻力测量单元。模型支撑单元包括流线形模型头1、支撑杆16、固定架14、设置在支撑杆16上用于支撑试样3的前滑动支撑环2和后滑动支撑环4，以及流线形模型尾12，所述的模型头1与支撑杆16的前端部采用可拆卸的固定连接，诸如螺纹或者卡扣连接等，模型头1可根据实验要求设计成不同的形状和尺寸，从而形成所需要的宏观流场。前滑动支撑环2与支撑杆16前部的光滑圆柱段滑动配合，其作用就是支撑试样3的前端，且使试样在轴向无约束。后滑动支撑环4内径与支撑杆16后部的光滑圆柱段滑动配合，其作用就是支撑试样3的后端，且使试样3在轴向无约束。传感器底座11后部设置在模型尾12内，模型尾12通过内螺纹或卡扣与传感器底座11后部的螺杆紧固连接，前部与传感器支撑套10固定连接。模型尾亦可根据实验的需要设计成不同的形状，从而形成需要的宏观流场。固定架14由外固定部分、支撑筋和内固定部分构成，外固定部分与主管道15相连接，内固定部分通过锥面孔同支撑杆16后端锥面紧固配合，支撑筋横断面为翼形截面，其作用是将支撑杆16固定在相应的轴线上，其翼形截面可减少对水流的干扰。通过调整固定架14外固定部分的安装角度来调整试样3测量时的攻角。支撑杆16前端与模型头1可拆卸固定连接，前部光滑圆柱段部分同前滑动支撑环2配合，后部光滑圆柱段部分同后滑动支撑环4配合，后部锥形部分同固定架14配合，并通过螺纹同传感器支撑套10紧固，尾部锥面前端有一径向孔，尾部轴心处有一轴向中心孔。支撑杆16的作用是成为模型头1以及阻力测量单元的安装基础，并通过前滑动支撑环2和后滑动支撑环4支撑试样3。试样3为圆筒状，其内孔的前部同前滑动支撑环2外径配合，后部同后滑动支撑环4的外径配合，后端面同安装有径向传力销6的传力环5前端面接触，其作用是在外表面形成摩擦阻力，并将力通过后端面传递到传力环5的前端面上。
阻力测量单元包括试样3、传力环5、径向传力销6、轴向传力销7、传感器支撑套10、传感器底座11和传感器13。传力环5设置在支撑杆16上的锥面前端，其前端面与后滑动支撑环4的后端面相接触，其后端面不与任何物体相接触。径向传力销6固定在传力环5中间的直径方向上，并安装在支撑杆16上的径向孔中，形成间隙配合，径向传力销6的中间部分同轴向传力销7的前端面相接触，传力环5的内径面同支撑杆16的外径面形成间隙配合。径向传力销6的作用是将试样3因流体产生的摩擦阻力由传力环5的前端面传递给轴向传力销7。轴向传力销7安装在支撑杆16后部的中心孔内，其前端面同径向传力销6的中间相接触，其后端面同传感器13的触点相接触。传感器支撑套10前端通过内螺纹同支撑杆16尾端螺杆相连接，其前端面同固定架14的后端面紧密接触，其内径柱面同传感器13的外径间隙配合，传感器支撑套10的作用是将支撑杆16牢固地固定在固定架14上，同时支撑传感器13。传感器底座11通过螺钉紧固在传感器支撑套10的后端面上，其作用为阻止传感器13向后方向的移动，并连接模型尾12。传感器13安装在传感器支撑套10内，其电源线(图中未示出)和信号线(图中未示出)通过支撑杆16后部的走线槽9和固定架14支撑筋上的穿线孔8引出流场外。
该装置不仅可以方便地与管道连接，进行压力流(液体流动，试样静止)实验；同时亦可方便地与拖车等连接，进行体积流(液体静止，试样运动)实验。
当需要更换试样时，可以按照如下流程进行操作①卸下支撑杆16上的模型头1；②取出试样3，拆下前滑动支撑环2和后滑动支撑环4；③取出待测试样3，并在其前端和后端分别安装上前滑动支撑环2和后滑动支撑环4；④将试样3安装到主管道15内部的支撑杆16上；⑤装上模型头1。
权利要求
1.一种圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置，其特征在于该装置含有模型支撑单元和阻力测量单元，所述的模型支撑单元包括流线形模型头(1)、支撑杆(16)、固定架(14)、设置在支撑杆(16)上用于支撑试样(3)的前滑动支撑环(2)和后滑动支撑环(4)，以及流线形模型尾(12)，所述的模型头(1)与支撑杆(16)的前端部采用可拆卸的固定连接，所述的支撑杆(16)的后端部通过锥面与固定架(14)连接；所述的阻力测量单元包括传感器(13)、传感器支撑套(10)、传感器底座(11)、径向传力销(6)、轴向传力销(7)和传力环(5)，所述的传力环(5)设置在支撑杆(16)上的锥面前端，并与后滑动支撑环(4)相接触；所述的径向传力销(6)穿过支撑杆(16)内部，并与传力环(5)紧配合；所述的轴向传力销(7)安装在支撑杆后部的中心孔内，轴向传力销的前端面同径向传力销(6)的中间相接触，后端面同传感器(13)的触点相接触；所述的传感器(13)设置在传感器支撑套(10)内，传感器支撑套(10)与支撑杆(16)锥面的尾端固定连接；所述的传感器底座(11)后部设置在模型尾(12)内，传感器底座前后部分别与传感器支撑套(10)和模型尾(12)固定连接。
2.按照权利要求1所述的圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置，其特征在于所述的固定架(14)由外固定部分、支撑筋和内固定部分构成，所述的支撑筋的横截面采用翼形截面。
3.按照权利要求1或2所述的圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置，其特征在于所述的流线形模型头(1)与支撑杆(16)的连接采用螺纹连接。
4.按照权利要求1或2所述的圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置，其特征在于所述的流线形模型头(1)和流线形模型尾(12)根据需要更换为不同的形状和尺寸。
5.按照权利要求2所述的圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置，其特征在于在支撑杆(16)的锥面上加工有信号线的走线槽(9)，在固定架的支撑筋上加工有走线孔(8)。
全文摘要
一种圆形截面试样壁面流体摩擦阻力测量装置，用于测量不同流速时圆形截面试样壁面的流体摩擦阻力，属于流体动力学测试技术领域。其主要包括模型支撑单元和阻力测量单元模型支撑单元包括模型头、前滑动支撑环、后滑动支撑环、模型尾、固定架和支撑杆；阻力测量单元包括传力环、径向传力销、轴向传力销、传感器支撑套、传感器底座和传感器。被测试样为圆筒形，模型头和模型尾可制作成所需的形状和大小，试样攻角可调，传感器位于流道内部，信号线通过孔引出。该装置可以直接测量不同工况下不同性质流体对圆筒形试样壁面的流体摩擦阻力，可广泛应用于管道输送、水面及水下航行体等场合壁面摩擦阻力的研究。
文档编号G01M10/00GK101050995SQ20071009937
公开日2007年10月10日 申请日期2007年5月18日 优先权日2007年5月18日
发明者汪家道, 周刚, 邵天敏, 李昂, 陈大融 申请人:清华大学