一种仿虾蛄体表非光滑表面的变形装置及其阻力测试装置的制作方法

本发明涉及一种流体阻力测试装置，具体的说是一种仿虾蛄体表非光滑表面的变形装置及其阻力测试装置。

背景技术：

摩擦是能量损失主要方式之一，在高速运动时，摩擦阻力约占总阻力的40％左右，在水中物体运动所受到的阻力的70％-80％都是表面摩擦阻力造成的。如何减少摩擦阻力一直是国内外学者研究的重点，目前为止减阻方法有仿生非光滑壁面减阻技术、柔性表面减阻技术、表面涂层减阻技术、微气泡减阻技术、聚合物减阻技术以及射流减阻技术等等，其中仿生减阻是目前非常热门的一个研究方向。千百万年的演化，进化出很多精妙的结构，例如鲨鱼的鳞片和鳃部、海豚的柔性表面、蚯蚓的沟槽结构以及虾蛄的变形沟槽结构等等，这些结构对于减阻研究有着很好的启示。虾蛄为躲避天敌，会将身体的结构进行优化，在遇到危险时会通过其身体的后半段部位的连续的腹节摆动获得很快的速度摆脱危险，因此可以将这种弯曲摆动的变形壁面投入实验，研究是否能够有助于减少水下游动时的阻力。

人们在采用各种新颖的减阻技术的时候，为了掌握更加准确的机理，记录其减阻效果，需要借助一些高端设备加以实验，测阻力一般采用水洞、风洞和水池装置，但是这些装置的成本都高昂、机构复杂、占地面积大，实验的流场难以模拟，且实验周期长，具有很大的局限性。故需要设计研发一台小型的、造价低廉、操作简单、能够测试变形壁面的测试装置显得格外关键，对于减阻研究具有重大意义。

技术实现要素：

针对现有的流体阻力测试装置占地大、成本高、操作繁琐、不易装卸、功能有限等问题，本发明提出了一种仿虾蛄体表非光滑表面的变形装置及其阻力测试装置。

本发明所采用的技术方案如下：一种仿虾蛄体表非光滑表面的变形装置，所述变形装置包括从左向右依次排布的端盖、若干第一骨架、若干第二骨架，最左边的第一骨架和最左边的第二骨架的下端均固定连接在支架上，端盖与最左边的第二骨架通过连接件固定连接，端盖与最左边的第一骨架之间、相邻两个第一骨架之间、最右边的第一骨架与最左边的第二骨架之间以及相邻两个第二骨架之间通过橡胶膜相连后形成一个密闭的腔体，相邻两个第二骨架之间还安装第一电动推杆和第二电动推杆，第一电动推杆位于第二电动推杆的上方。

进一步的，所述第一骨架由第一下卡箍和固定连接在第一下卡箍上的第一上卡箍组成，所述第二骨架由第二下卡箍和固定连接在第二下卡箍上的第二上卡箍组成。

进一步的，所述第一下卡箍呈半圆形，所述第一上卡箍呈半椭圆形；所述第二下卡箍和第二上卡箍呈短轴长度不同的半椭圆形。

进一步的，所述若干第一骨架上的第一上卡箍从左到右半椭圆形的短轴长度逐渐增大后再逐渐减小；所述若干第二骨架上的第二下卡箍和第二上卡箍从左到右半椭圆形的短轴长度均逐渐减小。

进一步的，还包括若干第一固定槽座和若干第二固定槽座，所述第一固定槽座的上半部分为半椭圆形、下半部分为半圆形，橡胶膜套在第一固定槽座外后通过上下卡合连接第一上卡箍和第一下卡箍使橡胶膜固定在第一固定槽座上；所述第二固定槽座的上、下半部分为短轴长度不同的半椭圆形，橡胶膜套在第二固定槽座外后通过上下卡合连接第二上卡箍和第二下卡箍使橡胶膜固定在第二固定槽座上。

进一步的，所述最右边的第二骨架上连接有尾部收缩件；优选地，所述尾部收缩件内部中空，其径向截面是短轴和长轴均逐渐减少的椭圆形。

本发明的另一目的是提供一种仿虾蛄体表非光滑表面的阻力测试装置，包括水力循环装置、测试装置以及上述的变形装置；所述的变形装置安装在水力循环装置的试验容器中，变形装置的支架与测试装置的测试端相连。

进一步的，所述测试装置包括拉力传感器和传感器固定架，拉力传感器的一端与支架固定连接，拉力传感器的一端与传感器固定架固定连接，传感器固定架与试验容器固定连接。

进一步的，所述水力循环装置包括电机、泵、球阀、试验容器、蝶阀、水槽，所述电机为泵提供动力，泵的进水口通入水槽，泵的出水口依次连通球阀、整流栅以及试验容器的入口，试验容器的出口依次连通蝶阀和水槽，所述变形装置的支架设置在试验容器内。

进一步的，所述试验容器上开有通孔，端盖设置在通孔上，通孔与端盖之间进行磁流体密封。

本发明的有益效果是：体积小、结构紧凑简单、所需成本低、操作简单、试验性能强、不受周围试验环境限制等优点，能够满足试验过程中的各项试验要求；变形装置能够实现弯曲、伸长缩短以及伸长弯曲，从而实现模拟虾蛄游动时的运动过程；尾部收缩件的设计可以防止流体局部损失过大，影响试验数据的精确性；整个装置实现水的循环利用，保证试验全程环保无污染。该阻力测试装置是一种具备测试水下环境中非光滑表面在不同形状下的阻力测试装置。

附图说明

图1为本发明的阻力测试装置的主视图；

图2为本发明变形装置的剖视图；

图3为图1的a-a剖面图；

图4为图2的ⅰ处放大图；

图5为图2的b-b剖视图；

图6为图1的ⅲ处放大图；

图7为磁流体密封结构图；

图8为图1的ⅱ处放大图；

图中：电机1、联轴器2、泵3、球阀4、接管5、扩散段接管6、支撑段接管7、接管支撑架8、收缩段接管9、整流栅10、磁流体密封结构11、变形装置12、试验容器13、后扩散段接管14、蝶阀15、控制段接管16、正方形90°管17、回流段接管18、回流段支撑架19、水槽20、试验平台21、显示屏22、拉力传感器23、传感器支撑架24、泵进水管25、孔用弹性挡圈11-1、极靴11-2、永久磁铁11-3、调整垫片11-4、第一下卡箍12-1、连接件12-2、端盖12-3、固定环12-4、橡胶膜12-5、第一上卡箍12-6、第一固定槽座12-7、第二上卡箍12-8、第二固定槽座12-9、第一电动推杆12-10、推杆固定支座12-11、尾部收缩件12-12、第二电动推杆12-13、第二下卡箍12-14、滚轮12-15、支架12-16、下壳体13-1、观察窗板13-2、上壳体13-3。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施过程。

如图2所示，一种仿虾蛄体表非光滑表面的变形装置，整个变形装置12的上表面形状类似于虾蛄的上表面，所述变形装置包括从左向右依次排布的端盖12-3、若干第一骨架、若干第二骨架，最左边的第一骨架和最左边的第二骨架的下端均固定连接在支架上，端盖12-3与最左边的第二骨架通过连接件12-2固定连接，端盖12-3与最左边的第一骨架之间、相邻两个第一骨架之间、最右边的第一骨架与最左边的第二骨架之间以及相邻两个第二骨架之间通过橡胶膜12-5相连后形成一个密闭的腔体，相邻两个第二骨架之间还安装第一电动推杆12-10和第二电动推杆12-13，第一电动推杆12-10位于第二电动推杆12-13的上方。

进一步的技术方案是，所述第一骨架由第一下卡箍12-1和通过螺栓和螺母固定连接在第一下卡箍12-1上的第一上卡箍12-6组成，共有6组，最左边的第一下卡箍12-1的截面形状为矩形，这样方便固定在支架上，其余为半圆形，用于模拟虾蛄的表面形状，使测量结果更加精确，放置于支架上开设的半圆凹槽中；所述第二骨架由第二下卡箍12-14和通过螺栓和螺母固定连接在第二下卡箍12-14上的第二上卡箍12-8组成，共有8组，最左边的第二下卡箍12-14的截面形状为矩形，这样方便固定在支架上。

进一步的方案是，所述第一下卡箍12-1呈半圆形，所述第一上卡箍12-6呈半椭圆形；所述第二下卡箍12-14和第二上卡箍12-8呈短轴长度不同的半椭圆形。

进一步的方案是，所述若干第一骨架上的第一上卡箍12-6从左到右半椭圆形的短轴长度逐渐增大后再逐渐减小；所述若干第二骨架上的第二下卡箍12-14和第二上卡箍12-8从左到右半椭圆形的短轴长度均逐渐减小，短轴长度的变化使变形装置12的上表面更加贴近虾蛄上表面弯曲的形状。

进一步的方案是，还包括若干第一固定槽座12-7和若干第二固定槽座12-9，所述第一固定槽座12-7的上半部分为半椭圆形、下半部分为半圆形，橡胶膜12-5套在第一固定槽座12-7外后通过上下卡合连接第一上卡箍12-6和第一下卡箍12-1使橡胶膜12-5固定在第一固定槽座12-7上；所述第二固定槽座12-9的上、下半部分为短轴长度不同的半椭圆形，橡胶膜12-5套在第二固定槽座12-9外后通过上下卡合连接第二上卡箍12-8和第二下卡箍12-14使橡胶膜12-9固定在第二固定槽座12-9上。

进一步的方案是，所述最右边的第二骨架上通过螺栓与螺母连接有尾部收缩件12-12；优选地，所述尾部收缩件12-12内部中空，其径向截面是短轴和长轴均逐渐减少的椭圆形，主要是减少流体局部损失，影响测试精度，如图5所示。

所述相邻两个第二骨架之间还安装第一电动推杆12-10和第二电动推杆12-13，第一电动推杆12-10位于第二电动推杆12-13的上方，更详细的方案是：第二固定槽座12-9采用非中空的结构，第一个到第七个的第二固定槽座12-9的径向壁面右端面的上下处分别安装第一电动推杆12-10与第二电动推杆12-13，在第二个到第八个第二固定槽座12-9的径向壁面左端面的上下处各焊接推杆固定支座12-11，第一电动推杆12-10与第二电动推杆12-13的推杆顶端都与推杆固定支座12-11通过销连接，如图4所示。

连接件12-2连接端盖12-3与最左边的第二固定槽座12-9，连接件12-2用于固定支撑变形装置12的左变形部分。

本发明还提供了一种仿虾蛄体表非光滑表面的阻力测试装置，包括水力循环装置、测试装置以及上述的变形装置；所述的变形装置安装在水力循环装置的试验容器中，变形装置的支架与测试装置的测试端相连。

进一步的方案是，结合附图1，所述水力循环装置包括电机1、泵3、球阀4、试验容器13、蝶阀15、水槽20，所述电机1为泵3提供动力，泵3的进水口通入水槽20，泵3的出水口依次连通球阀4、整流栅10以及试验容器13的入口，试验容器13的出口依次连通蝶阀15和水槽20，所述变形装置的支架设置在试验容器13内。更具体的方案是：

电机1为泵3提供动力，电机1与泵3通过联轴器2连接，泵3的进水口与泵进水管25通过法兰连接，泵进水管17的进水口通入水槽20，泵3的出水口通过法兰与接管5连接，接管5上安装球阀4，用于控制试验流量，接管5的出水口通过90°弯头与扩散段接管6一端连接，扩散段接管6的另一端与支撑段接管7通过法兰连接，支撑段接管7的出水口与收缩段接管9连接，收缩段接管9左边收缩部分形状为圆台形，右边剩下部分为长方体，右端与整流栅10以及试验容器13的法兰连接，整流栅10的作用是减少流体的能量损失，使试验容器13内形成一个均匀流场，试验容器13被安装在试验平台21上，其出水口与后扩散段接管14连接，后扩散段接管14的另一端与控制段接管16通过法兰连接，在控制段接管16上安装蝶阀15，用于控制流出的流体流量，控制段接管16的另一端与正方形90°管17连接，正方形90°管17下端与回流段接管18上端连接，回流段接管18下端伸入水槽20中，形成一个循环的水路。

结合附图1，附图3，对试验容器13进行详细地说明：试验容器13包括下壳体13-1、观察窗板13-2和上壳体13-3，下壳体13-1在整个试验容器13的下端，上壳体13-3在上端，两侧用观察窗板13-2通过螺栓与螺母固定连接，形成一个只有出口与入口的封闭空间，下壳体13-1呈阶梯形状，由两个水平面与一个竖直面组成，竖直面高度与变形装置12的高度相等，当水流从左端水平面流入时，可以直接与变形装置12的上表面接触，防止因为管道突然扩大而造成不必要的局部损失，影响测量结果，竖直面上开有通孔，用于安装变形装置12，变形装置12的端盖12-3与固定环12-4穿过下壳体13-1的通孔，在通孔内端与端盖12-3和固定环12-4的外端安装磁流体密封结构11，变形装置12直接安放在下壳体13-1低水平面上，观察窗板13-2材料是无色玻璃，用于观察变形装置12的变形过程。为了减少摩擦力的影响，在支架12-16下端安装滚轮12-15，滚轮12-15与下壳体13-1接触。

所述测试装置包括拉力传感器23和传感器固定架24，拉力传感器23的一端与支架固定连接，拉力传感器23的一端与传感器固定架24固定连接，传感器固定架24与试验容器固定连接。具体的：结合附图1，附图8，拉力传感器23的右端通过螺栓和螺母穿过下壳体13-1与支架12-16连接，左端与传感器固定架24连接，传感器固定架24整体形状是凹形，直接焊接在下壳体13-1的竖直面上，拉力传感器23与显示屏22通过线路连接，显示屏22直接安装在试验平台21上。

结合附图1、附图6以及附图7，对辅助装置进行详细地说明：接管支撑架8上端与支撑段接管8连接，回流段支撑架19用于固定回流段接管18，试验平台21上安装显示屏22和试验容器13，在下壳体13-1竖直面上的通孔内端与端盖12-3和固定环12-4的外端安装磁流体密封结构11，磁流体密封结构包括孔用弹性挡圈11-1、极靴11-2、永久磁铁11-3以及调整垫片11-4，永久磁铁11-3紧套下壳体13-1的通孔内，两个极靴11-2分列在永久磁铁11-3两侧，并且磁流体密封结构11通过磁流体形成环形密封间隙，调整垫片11-4嵌在极靴11-2外壁与下壳体13-1通孔一端之间，防止极靴11-2与安装通孔之间泄漏，孔用弹性挡圈11-1安装在下壳体13-1通孔另一端，用于定位固定极靴11-2，磁流体密封结构优点：在合理压差内，可实现零泄露；该结构是非接触的，防止测量时因为端盖12-3与下壳体13-1竖直面上的通孔直接接触，影响测量结果。

测试装置的工作原理是：发明主要介质为水，也适用于其他无腐蚀性的液体介质。变形装置12可实现弯曲、伸长缩短以及伸长弯曲三种变形，实现弯曲时需要控制第一电动推杆12-10伸长和控制第二电动推杆12-13缩短，实现伸长缩短时只需要同时控制第一电动推杆12-10和第二电动推杆12-13同时伸长和缩短，实现伸长弯曲只要控制第一电动推杆12-10与第二电动推杆12-13伸长，但是第一电动推杆12-10的伸长速度大于第二电动推杆12-13。开始试验时，先将水槽20贮满水，打开接管5上的球阀4和控制段接管16的蝶阀15，再启动电机1，电机1的轴通过联轴器2带动3泵，泵3通过压差将水从水槽20抽入泵进水管25，从泵3的出水口通过接管5、扩散段接管6、支撑段接管7、收缩段接管9，进入试验容器13，然后通过后扩散段接管14、控制段接管16、正方形90°管17、回流段接管18，最终进入水槽20，形成水循环，此时，使第一电动推杆12-10伸长，使第二电动推杆12-13缩短，形成弯曲，从而模拟虾蛄游动时的弯曲现象，变形装置12受到水的作用下会有一个沿水流方向运动的趋势，从而对连接在支架12-16上的双头螺栓有一个拉力，拉力最终传给拉力传感器23，通过与压力传感器23连接的显示屏22，可以测出由第一上卡箍12-6、第二上卡箍12-8和橡胶膜12-5形成的变形非光滑表面在水流下弯曲变形所受到的阻力。

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。