非光滑表面流体摩擦阻力测试装置及非光滑表面减阻效果评价方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供非光滑表面流体摩擦阻力测试装置及非光滑表面减阻效果评价方法，包括步进电机、扭矩信号耦合器、旋转轴、水箱，步进电机通过第一弹性膜片联轴器与扭矩信号耦合器相连，扭矩信号耦合器的输出轴通过第二弹性膜片联轴器与旋转轴相连，旋转轴的端部安装旋转圆盘，旋转圆盘设置在密闭的水箱里，旋转圆盘在步进电机的带动下旋转，扭矩信号耦合器采集旋转圆盘的扭矩、功率、转速信号并传入到计算机，步进电机和扭矩信号耦合器均固定在导轨上，导轨安装在支撑台上，旋转轴与导轨相平行。本发明采用旋转圆盘结构，在圆盘表面加工非光滑表面结构或进行表面涂层更加简单方便，而且旋转圆盘的拆卸更加简单。
【专利说明】非光滑表面流体摩擦阻力测试装置及非光滑表面减阻效果评价方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种流体对固体表面结构摩擦阻力的测试装置以及对非光滑表面和表面涂层结构的减阻效果评价方法。
【背景技术】
[0002]目前，国内外相关学者对流体与固体界面之间的运动减阻问题进行了广泛深入的理论探索及应用研究，并成功的在多方面取得了较为显著的进展。由于减阻问题能够直接影响到装备的能耗和力学性能，所以此问题的研究一直受到各国专家学者的关注，其研究方法主要从理论分析、数值模拟、模型试验等方面进行研究，最后通过比较试验装置中测试样件的减阻性能并得出所需结论，进而再投入到工程实际应用中。无论是理论分析，还是数值计算，都以模型试验获得的数据精度最高，更接近于实际，因此理论分析，数据模拟等最终也都需要试验的检验和验证。试验方法作为研究流体减阻的重要手段，对推进流体减阻理论的发展起到了非常重要的作用，流体力学新现象和新理论的提出，一般需要对流体进行大量测试试验。仿生射流表面能够减小流体与固体之间的摩擦阻力，减阻效果明显，是一种全新的减阻技术，当前对于此项技术的研究主要集中在理论分析与数值模拟阶段，因其还没有一套完整的射流表面测试试验装置，因此模型试验还无法完成。传统的减阻试验研究大多在水洞、水槽或水池拖曳等环境中进行，但是，由于其造价昂贵、耗资巨大、体积庞大、日常维护困难、噪声大、试验条件不易控制、试验模型复杂，在试验条件的各个方面都具有一定的局限性，并且以上所述装置均无法进行射流表面减阻试验的研究，因此，研究设计一台成本低廉、结构简单、试验方便的射流减阻测试试验装置显得尤为重要。
[0003]目前，非光滑表面和射流表面的减阻测试装置多集中在旋转射流测试方法，如申请号为: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”和申请号为:201120070969.8，名称为“一种对摩擦阻力测试的试验装置”的专利申请，测量非光滑表面结构和表面涂层结构的摩擦阻力时，需要在圆筒表面加工出凹坑、凸包、V型沟槽以及涂层等，操作难度较大。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供能够准确测试出非光滑表面结构和表面涂层结构的流体摩擦阻力的非光滑表面流体摩擦阻力测试装置及非光滑表面减阻效果评价方法。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
[0006]本发明非光滑表面流体摩擦阻力测试装置，其特征是:包括步进电机、扭矩信号耦合器、旋转轴、水箱，步进电机通过第一弹性膜片联轴器与扭矩信号耦合器相连，扭矩信号耦合器的输出轴通过第二弹性膜片联轴器与旋转轴相连，旋转轴的端部安装旋转圆盘，旋转圆盘设置在密闭的水箱里，旋转圆盘在步进电机的带动下旋转，扭矩信号耦合器采集旋转圆盘的扭矩、功率、转速信号并传入到计算机，步进电机和扭矩信号耦合器均固定在导轨上，导轨安装在支撑台上，旋转轴与导轨相平行。
[0007]本发明还可以包括:
[0008]1、步进电机采用三相伺服混合式步进电机驱动器控制，最小步距角为0.036°。
[0009]2、水箱上设置旋转轴入口，旋转轴入口处安装滚动轴承，旋转轴与滚动轴承相配
八
口 ο
[0010]3、导轨可沿支撑台移动。
[0011]4、水箱相邻的两个侧面分别开有窗口，窗口装有透光率大于99%的光学玻璃进行密封。
[0012]本发明非光滑表面减阻效果评价方法，其特征是:采用非光滑表面流体摩擦阻力测试装置进行评价，该装置包括步进电机、扭矩信号耦合器、旋转轴、水箱，步进电机通过第一弹性膜片联轴器与扭矩信号耦合器相连，扭矩信号耦合器的输出轴通过第二弹性膜片联轴器与旋转轴相连，旋转轴的端部安装旋转圆盘，旋转圆盘设置在密闭的水箱里，旋转圆盘在步进电机的带动下旋转，扭矩信号耦合器采集旋转圆盘的扭矩、功率、转速信号并传入到计算机，步进电机和扭矩信号耦合器均固定在导轨上，导轨安装在支撑台上，旋转轴与导轨相平行；
[0013](I)步进电机带动旋转圆盘旋转，通过扭矩信号耦合器测量旋转圆盘总力矩，随后将圆盘拆除，采用相同方法测量空转时的扭矩，将两者作差得到光滑表面圆盘引起的摩擦力矩；
[0014](2)在旋转圆盘表面加工出所需的非光滑表面形状,将加工后的非光滑表面圆盘安装在旋转轴上，启动步进电机，保持在与步骤(I)相同转速，采集此时的扭矩信号，将此时测得的扭矩和步骤(I)空转时的扭矩作差，得到非光滑表面圆盘引起的摩擦力矩；
[0015](3)将步骤(I)测得的旋转圆盘引起的扭矩与步骤(2)测得的旋转面圆盘引起的扭矩相减，再除以步骤(I)旋转圆盘引起的扭矩，所得结果即为非光滑表面的减阻率。
[0016]本发明的优势在于:本发明实现对非光滑表面结构减阻效果测试及表面涂层减阻效果测试，信号采集系统结构简单，操作容易，测试准确；旋转圆盘表面可根据需要加工出不同的非光滑表面结构，如V型、U型、凹坑、凸包或涂覆表面涂层等；本发明通过对比光滑表面旋转圆盘和非光滑表面旋转圆盘引起的力矩来衡量凹坑、凸包等非光滑表面的减阻效果，通过对比光滑表面旋转圆盘和表面涂层旋转圆盘引起的力矩来衡量表面涂层结构的减阻效果。评估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】
[0017]图1为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:
[0019]结合图1，本发明非光滑表面流体摩擦阻力测试装置由步进电机1，导轨2，弹性膜片联轴器3，扭矩信号耦合器4，支撑台5，密闭水箱8，旋转圆盘9，计算机11，伺服混合式步进电机驱动器12组成。步进电机1、扭矩信号耦合器4都固定在导轨2上，导轨2安装在支撑台5上。步进电机I通过伺服混合式步进电机驱动器12来控制，步进电机I通过弹性膜片联轴器3带动扭矩信号耦合器4，扭矩信号耦合器4通过弹性膜片联轴器6带动旋转圆盘9运动。
[0020]扭矩信号耦合器4将采集到的扭矩、功率、转速信号传入到计算机11中，并通过LabviewS.2软件所编制的程序将采集到的信号进行实时显示并存储在计算机11中。
[0021]步进电机1、扭矩信号耦合器4都固定在导轨2上，导轨2安装在支撑台5上。扭矩信号耦合器4将采集的扭矩、功率、转速信号传入到计算机11中，运用LabviewS.2软件编程，将采集到的信号进行实时显示并存储在计算机11中。水箱8为密闭水箱，水箱盖上分别有进入管接口、出水管接口和旋转轴入口，水箱盖上旋转轴入口处装有滚动轴承10，减小密封水箱盖对旋转轴的影响。旋转圆盘9安装在旋转轴上，旋转圆盘9拆卸方便，支撑台5上安装有导轨2，在拆卸旋转圆盘9时，可上下调节导轨2的高度以便于拆卸。旋转圆盘9由步进电机I驱动，采用三相伺服混合式步进电机驱动器12控制，最小步距角为0.036°，控制精度高、误差小。密闭水箱8由防锈铝板焊接制成，水箱相邻的两个侧面分别开有窗口，窗口装有透光率大于99%的光学玻璃进行密封，用于观察实验过程。
[0022]本发明的工作原理为:
[0023]本发明通过伺服混合式步进电机驱动器12驱动步进电机I运动，步进电机I的输出轴通过弹性膜片联轴器3与扭矩信号耦合器4联接，扭矩信号耦合器4的输出轴通过弹性膜片联轴器6与旋转轴相联接，旋转圆盘9安装在旋转轴的末端，步进电机I带动旋转圆盘9运动，扭矩信号耦合器4将采集到的信号传入到计算机11中。
[0024]本发明非光滑表面减阻效果评价方法具体步骤为:
[0025]a、步进电机开始工作，测量旋转圆盘总力矩，随后将圆盘拆除，测量空转时的扭矩，两者之差就是光滑表面圆盘引起的摩擦力矩。
[0026]b、在圆盘表面加工出非光滑表面形状，将加工后的非光滑表面圆盘安装在旋转轴上，启动电机，保持在与上一步相同转速采集此时的扭矩信号，此时测得的扭矩和上一步空转时的扭矩之差就是非光滑表面圆盘引起的摩擦力矩。
[0027]C、评价非光滑表面圆盘的减阻效果，将a测得的光滑表面圆盘引起的扭矩与b测得的非光滑表面圆盘引起的扭矩相减，再除以光滑表面圆盘引起的扭矩，所得结果即为非光滑表面的减阻率。
[0028]本发明通过对检测到的信息接收、处理，可以方便地评价非光滑表面结构和表面涂层结构减阻效果，本发明安装方便、结构简单、检测效果好、适用于对非光滑表面结构和涂层表面结构流体摩擦阻力进行检测并评价其减阻效果。
【权利要求】
1.非光滑表面流体摩擦阻力测试装置，其特征是:包括步进电机、扭矩信号耦合器、旋转轴、水箱，步进电机通过第一弹性膜片联轴器与扭矩信号耦合器相连，扭矩信号耦合器的输出轴通过第二弹性膜片联轴器与旋转轴相连，旋转轴的端部安装旋转圆盘，旋转圆盘设置在密闭的水箱里，旋转圆盘在步进电机的带动下旋转，扭矩信号耦合器采集旋转圆盘的扭矩、功率、转速信号并传入到计算机，步进电机和扭矩信号耦合器均固定在导轨上，导轨安装在支撑台上，旋转轴与导轨相平行。
2.根据权利要求1所述的非光滑表面流体摩擦阻力测试装置，其特征是:步进电机采用三相伺服混合式步进电机驱动器控制，最小步距角为0.036°。
3.根据权利要求1或2所述的非光滑表面流体摩擦阻力测试装置，其特征是:水箱上设置旋转轴入口，旋转轴入口处安装滚动轴承，旋转轴与滚动轴承相配合。
4.根据权利要求1或2所述的非光滑表面流体摩擦阻力测试装置，其特征是:导轨可沿支撑台移动。
5.根据权利要求3所述的非光滑表面流体摩擦阻力测试装置，其特征是:导轨可沿支撑台移动。
6.根据权利要求1或2所述的非光滑表面流体摩擦阻力测试装置，其特征是:水箱相邻的两个侧面分别开有窗口，窗口装有透光率大于99%的光学玻璃进行密封。
7.根据权利要求3所述的非光滑表面流体摩擦阻力测试装置，其特征是:水箱相邻的两个侧面分别开有窗口，窗口装有透光率大于99%的光学玻璃进行密封。
8.根据权利要求4所述的非光滑表面流体摩擦阻力测试装置，其特征是:水箱相邻的两个侧面分别开有窗口，窗口装有透光率大于99%的光学玻璃进行密封。
9.根据权利要求5所述的非光滑表面流体摩擦阻力测试装置，其特征是:水箱相邻的两个侧面分别开有窗口，窗口装有透光率大于99%的光学玻璃进行密封。
10.非光滑表面减阻效果评价方法，其特征是:采用非光滑表面流体摩擦阻力测试装置进行评价，该装置包括步进电机、扭矩信号耦合器、旋转轴、水箱，步进电机通过第一弹性膜片联轴器与扭矩信号耦合器相连，扭矩信号耦合器的输出轴通过第二弹性膜片联轴器与旋转轴相连，旋转轴的端部安装旋转圆盘，旋转圆盘设置在密闭的水箱里，旋转圆盘在步进电机的带动下旋转，扭矩信号耦合器采集旋转圆盘的扭矩、功率、转速信号并传入到计算机，步进电机和扭矩信号耦合器均固定在导轨上，导轨安装在支撑台上，旋转轴与导轨相平行； (1)步进电机带动旋转圆盘旋转，通过扭矩信号耦合器测量旋转圆盘总力矩，随后将圆盘拆除，采用相同方法测量空转时的扭矩，将两者作差得到光滑表面圆盘引起的摩擦力矩； (2)在旋转圆盘表面加工出所需的非光滑表面形状，将加工后的非光滑表面圆盘安装在旋转轴上，启动步进电机，保持在与步骤(I)相同转速，采集此时的扭矩信号，将此时测得的扭矩和步骤(I)空转时的扭矩作差，得到非光滑表面圆盘引起的摩擦力矩； (3)将步骤(I)测得的旋转圆盘引起的扭矩与步骤(2)测得的旋转面圆盘引起的扭矩相减，再除以步骤(I)旋转圆盘引起的扭矩，所得结果即为非光滑表面的减阻率。
【文档编号】G01N19/02GK103512844SQ201310467757
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2013年10月9日
【发明者】赵刚, 李芳 , 刘维新, 杜军伟, 臧东阳, 孙壮志, 张殊, 刘明明, 李照远 申请人:哈尔滨工程大学