一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置的制作方法

本申请涉及一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置。

背景技术：

当今科技水平的不断发展，船舶和水下航行器的性能日益完善，数量也是日益增加，有效地降低船舶、水下航行器等的表面摩擦阻力已成为人们创造节能新技术的突破口。鳐鱼等能够利用身体机能在水下以极低的阻力实现快速游动，而且身体不被其他海洋生物、微生物所附着，这种低能量，高效率的游动模式是任何水下航行体都渴望能够拥有。仿生和壁面减阻技术的发展，需要我们理解和掌握生理结构和鱼的内部运动机制，实现低阻游动以控制其外部流的高效率。但是由于数值模拟和流体实验等方法存在周期过长，经费需求大等特点，许多研究还仅仅停留在理论层面，很多导致现有的水动力减阻技术尚未走向工程领域。

因此，设计一种用于实验室的小型流动阻力测试装置进行波动壁面阻力测试装置的开发和设计，以满足小型化并能与不同表面耦合进行多种复合阻力测试实验的需求，对于减阻技术的发展至关重要。在实验室的基础上，用测阻装置对减阻技术甚至于减阻材料的应用提供可靠和准确的工艺参数，将是推动减阻技术的更加深入发展的重要一步。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述技术问题，本申请的目的在于提供一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置。

所述的一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，其特征在于包括波动壁面振动伸缩机构、水循环机构以及压差阻力测试机构，所述水循环机构包括水泵和循环管路，水泵的出水口由所述循环管路与水泵的进水口连接，形成水流循环回路；所述循环管路上还设有注水堵头、出水堵头和放气堵头，循环管路包括水平放置的试验段直管，所述压差阻力测试机构能够对试验段直管的进、出口的水流静压分别进行检测；所述波动壁面振动伸缩机构包括电机传动装置、可变形柔性壁面以及均匀间隔固定设于可变形柔性壁面底部的若干能够在长度方向上伸缩变形的伸缩支撑杆，所有伸缩支撑杆均位于同一平面上，每个伸缩支撑杆上端均通过试验段直管底部相应设置的磁流体密封件竖直伸入试验段直管内，并对可变形柔性壁面底部进行连接固定，使所述可变形柔性壁面水平放置于试验段直管的内部中部；所述电机传动装置对伸缩支撑杆的下端进行顶紧支撑，在电机传动装置的驱动作用下伸缩支撑杆能够在竖直平面内上下循环往复运动，且相邻两个伸缩支撑杆的运动方向相反，并带动可变形柔性壁面弯曲变形为正弦波形的波动壁面。

所述的一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，其特征在于所述电机传动装置包括步进电机、梅花型联轴器和凸轮轴，所述步进电机的输出轴通过梅花型联轴器与凸轮轴的一端端部固定连接，所述凸轮轴上均匀间隔设置若干初始相位各异的偏心圆盘凸轮，且相邻两个偏心圆盘凸轮之间的相位差均为90°，以便输出正弦波形；所述偏心圆盘凸轮的数量与伸缩支撑杆的数量相同，偏心圆盘凸轮对应设置于伸缩支撑杆的下方并对伸缩支撑杆进行顶紧支撑。

所述的一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，其特征在于所述电机传动装置还包括设于凸轮轴两端用于对其进行支撑的两个轴承座，所述轴承座上端设有轴承，凸轮轴通过所述轴承配合安装在轴承座上；所述凸轮轴上的所有偏心圆盘凸轮均设置于所述两个轴承座之间，所述凸轮轴上偏心圆盘凸轮的数量为5个，沿着凸轮轴靠近于步进电机的一端向着凸轮轴远离步进电机的一端的水平方向延伸时，所述5个偏心圆盘凸轮的初始相位分别为0°、90°、180°、270°和360°。

所述的一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，其特征在于所述伸缩支撑杆包括自下而上依次设置的滚轮、滚轮支架、第一弹簧脚垫、弹簧、第二弹簧脚垫、螺纹管和螺纹杆，所述螺纹管内设有阴螺纹，螺纹杆下端设有相配的阳螺纹，螺纹杆下端与螺纹管配合螺纹连接；所述螺纹杆上端通过试验段直管底部的磁流体密封件竖直伸入试验段直管内，并与可变形柔性壁面底部固定连接。

所述的一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，其特征在于所述滚轮中心设有水平的螺纹孔，螺栓与滚轮的螺纹孔配合螺纹连接，并将滚轮固定安装在滚轮支架上；所述滚轮的厚度与偏心圆盘凸轮的厚度相同，且滚轮的厚度面与相应偏心圆盘凸轮的厚度面紧密贴触。

所述的一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，其特征在于所述可变形柔性壁面的材质为夹不锈钢网胶板，可变形柔性壁面包括两块相同的柔性支板，所述两块柔性支板的端部对齐贴合且一并通过胶黏剂胶接在第一支撑板架的上表面，每块柔性支板上均设有若干第二支撑板架，第二支撑板架顶面设有与柔性支板宽度相配的插槽，所述柔性支板配合插设于所述插槽内，所述第二支撑板架的插槽上还设有用于对柔性支板进行限位的限位杆，所述限位杆与柔性支板的宽度方向相平行。

所述的一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，其特征在于所述可变形柔性壁面上的第一支撑板架和第二支撑板架两者数量之和与伸缩支撑杆的数量相同，所述第一支撑板架和第二支撑板架底部均设置有防水深沟球轴承，第一支撑板架底部的防水深沟球轴承和第二支撑板架底部的防水深沟球轴承分别与不同的伸缩支撑杆上端密封固定连接；所述两块柔性支板远离第一支撑板架的一端均悬空设置。

所述的一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，其特征在于所述试验段直管由两个半圆管密封拼接而成，所述压差阻力测试机构包括设于试验段直管顶部靠近两端开口处的两个取压结构，每个取压结构均连接有压力流速传感器。

所述的一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，其特征在于所述循环管路包括异径拐角管、第一稳定段管、收缩管、试验段直管、发散管、第二稳定段管、等径拐角弯管和回水异径管段，水泵的出水口依次通过所述异径拐角管、第一稳定段管、收缩管、试验段直管、发散管、第二稳定段管、等径拐角弯管和回水异径管段与水泵的进水口连接，形成水流循环回路；所述收缩管与发散管镜像对称，所述注水堵头设于第一稳定段管顶部，放气堵头设于第二稳定段管顶部，出水堵头设于等径拐角弯管底部。

所述的一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，其特征在于还包括支座框架，所述回水异径管段设于支座框架内部，且回水异径管段的两端从支座框架内穿出并分别与等径拐角弯管和水泵的进水口连接；所述支座框架上表面设置有u型框架，所述电机传动装置固定设置于u型框架的上表面，u型框架上表面与试验段直管底部之间固定设置一对支撑架。

相对于现有技术，本申请取得的有益效果是：

1）本申请是一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，它能够在实验室里实现对海洋环境的模拟，定量测试在不同波动幅度和周期的参数下导致的多样化的各类非光滑表面的减阻率，为减阻实验提供可靠和准确的工艺参数。该装置极大地解决了场地和成本的限制，提高了实验速度和开发效率。

2）本申请的装置结构简单，水循环机构主要通过泵的动力，为装置提供水流场条件，其中循环管路的设计不仅能够有效降低能耗、提供足够流速的实验水流场，而且还能够有效降低装置的占据空间。

附图说明

图1为本申请波动壁面阻力测试装置的立体结构示意图；

图2为本申请波动壁面阻力测试装置的正视图；

图3为本申请的波动壁面振动伸缩机构与试验段直管之间的连接结构示意图；

图4为本申请的波动壁面振动伸缩机构与试验段直管之间的连接结构在试验段直管拆卸状态下的示意图；

图5为本申请的波动壁面振动伸缩机构的结构示意图；

图6为本申请的凸轮轴以及设于凸轮轴上的偏心圆盘凸轮的结构示意图；

图7为本申请的轴承座的结构示意图；

图8为本申请的伸缩支撑杆的结构示意图；

图9为本申请的可变形柔性壁面的侧俯视图；

图10为本申请的可变形柔性壁面的侧仰视图；

图中：1-支座框架，101-步进电机，102-梅花型联轴器，103-凸轮轴，104-轴承座，104a-轴承，105-偏心圆盘凸轮，2-循环管路，201-异径拐角管，202-第一稳定段管，203-收缩管，204-试验段直管，205-发散管，206-第二稳定段管，207-等径拐角弯管，208-回水异径管段，3-取压结构，4-u型框架，5-可变形柔性壁面，501-柔性支板，502-第二支撑板架，502a-限位杆，503-第一支撑板架，504-防水深沟球轴承，6-支撑架，7-水泵，8-伸缩支撑杆，801-滚轮，802-滚轮支架，803-第一弹簧脚垫，804-弹簧，805-第二弹簧脚垫，806-螺纹管，807-螺纹杆，9-磁流体密封件。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例：对照图1-10

一种基于鱼类体表结构的波动壁面阻力测试装置，包括波动壁面振动伸缩机构、水循环机构以及压差阻力测试机构，所述水循环机构包括水泵7和循环管路2，水泵7的出水口由所述循环管路2与水泵7的进水口连接，形成水流循环回路。

所述波动壁面振动伸缩机构包括电机传动装置、可变形柔性壁面5以及均匀间隔固定设于可变形柔性壁面5底部的若干能够在长度方向上伸缩变形的伸缩支撑杆8，所有伸缩支撑杆8均位于同一平面上，每个伸缩支撑杆8上端均通过试验段直管204底部相应设置的磁流体密封件9竖直伸入试验段直管204内（设置磁流体密封件9的目的在于，防止试验段直管204内液体的下渗），并对可变形柔性壁面5底部进行连接固定，使所述可变形柔性壁面5水平放置于试验段直管204的内部中部；所述电机传动装置对伸缩支撑杆8的下端进行顶紧支撑，在电机传动装置的驱动作用下伸缩支撑杆8能够在竖直平面内上下循环往复运动，且相邻两个伸缩支撑杆8的运动方向相反，并带动可变形柔性壁面5弯曲变形为正弦波形的波动壁面。

对照图1和图2可以看出，本申请的装置还包括支座框架1，支座框架1上表面设置有u型框架4。所述循环管路2包括异径拐角管201、第一稳定段管202、收缩管203、试验段直管204、发散管205、第二稳定段管206、等径拐角弯管207和回水异径管段208，水泵7的出水口依次通过所述异径拐角管201、第一稳定段管202、收缩管203、试验段直管204、发散管205、第二稳定段管206、等径拐角弯管207和回水异径管段208与水泵7的进水口连接，形成水流循环回路。

对照图2可以看出，所述收缩管203与发散管205镜像对称，即沿着试验段直管204内水流的水平延伸方向，收缩管203的管径逐渐缩小，而发散管205的管径逐渐扩大。试验段直管204的管径与收缩管203较小口径一端的管径相同，而第一稳定段管202、第二稳定段管206以及等径拐角弯管207的管径均与收缩管203较大口径一端的管径相同。第一稳定段管202顶部设有注水堵头2a，第二稳定段管206顶部设有放气堵头，等径拐角弯管207底部设有出水堵头。向循环管路2内充满水的过程为：关闭出水堵头，将水注入的同时打开放气堵头以排出管路内的气体，直到出气孔出现少量液体，流量达到设计流量并且放气堵头处充满水，关闭注水堵头2a和放气堵头，启动水泵，提供水循环的流场条件进行实验。

在本申请中，采用闭式循环管路结构，以获得理想的流速分布，同时节约成本与能源。该闭式循环管路基于小型水洞准则设计，通过水泵将能量输送给循环流动的液体，为阻力测试实验提供多样化的可控的流场空间。

其中试验段直管204，是进行阻力测试实验的可控流场空间，用于控制其水流的湍流度、流速以及压力等参数以提高阻力测试精度和稳定性是评估本装置性能的关键指标。收缩管203是为均匀加速水流以达到阻力测试实验要求的流速范围，并在一定程度上起到减小水流湍流度的作用。

发散管205也可称为扩压段，可将从试验段直管204流出的高速水流降速增压，将水流的一部分动能转换为压能，使水流在之后的管路中低速流动以减小压力损失，提高管路系统的能效比。第二稳定段管206的主要作用是稳定即将进等径拐角弯管207的水流；等径拐角弯管207的主要作用是引导水流无预旋的进入下一段管路，为增大导流度和提高能效比可设置导流片；回水异径管段208用于平缓的运送水流进入水泵7，异径拐角管201主要用于连接水泵7的出水口和第一稳定段管202进口。

从图1可以看出，回水异径管段208设于支座框架1内部，且回水异径管段208的两端从支座框架1内穿出并分别与等径拐角弯管207和水泵7的进水口连接，u型框架4上表面与试验段直管204底部之间固定设置一对支撑架6（以对试验段直管204进行支撑固定）。本发明的电机传动装置固定设置于u型框架4上表面，由此能够有效缩小本发明的装置所占据的空间面积。

对照图3和图4可以看出，试验段直管204由两个半圆管密封拼接而成（由此试验段直管204能够进行拆卸，向试验段直管204内安装可变形柔性壁面5，设置可拆卸结构目的是为了可与不同的非光滑壁面进行耦合开展实验），所述压差阻力测试机构包括设于试验段直管204顶部靠近两端开口处的两个取压结构3，每个取压结构3均连接有压力流速传感器。当液体经过试验段直管204时，安装在取压结构3末端的压力流速传感器即可将管道中安装取压结构3处横截面内的静压力和流速测出。根据伯努利方程，如果用试验段直管204进出口前后的水流压差代替表达阻力损失，即对于不同的减阻试验，只要测定试验段直管204中当流体流过时进出口之间的静压力差。为了排除伸缩支撑杆8上端对于流场的影响，在伸缩支撑杆8上端焊接防水应变片以保证实验的准确性。

对照图5~8可以看出，电机传动装置包括步进电机101（步进电机101固定设置于u型框架4上表面）、梅花型联轴器102和凸轮轴103，所述步进电机101的输出轴通过梅花型联轴器102与凸轮轴103的一端端部固定连接，所述凸轮轴103上均匀间隔设置若干初始相位各异的偏心圆盘凸轮105（对照图5和图6，本实施例中偏心圆盘凸轮105的数量为5个，每个偏心圆盘凸轮均在垂直方向作往复运动。在偏心圆盘凸轮105向凸轮轴103上装配的过程中，偏心圆盘凸轮可由凸轮轴103的两端向中心进行装配，即先安装凸轮轴103中心的偏心圆盘凸轮105），对照图6可以看出相邻两个偏心圆盘凸轮105之间的相位差为90°，沿着凸轮轴103靠近于步进电机101的一端向着凸轮轴103远离步进电机101的一端的水平方向时，图5中的5个偏心圆盘凸轮105的初始相位分别为0°、90°、180°、270°和360°，以便输出正弦波形；所述偏心圆盘凸轮105的数量与伸缩支撑杆8的数量相同，偏心圆盘凸轮105对应设置于伸缩支撑杆8的下方并对伸缩支撑杆8进行顶紧支撑。

为了提高电机传动装置运行的稳定性，电机传动装置还包括固定设于u型框架4上表面的一对轴承座104，所述一对轴承座104设于凸轮轴103两端以对其进行支撑。对照图7可以看出，所述轴承座104上端设有轴承104a，凸轮轴103能通过所述轴承104a配合安装在轴承座104上，由此在步进电机101的转动作用下，凸轮轴103能够在轴承座104上进行转动。对照图5可以看出，所述凸轮轴103上的所有偏心圆盘凸轮105均设置于所述两个轴承座104之间。

对照图8可以看出，伸缩支撑杆8包括自下而上依次设置的滚轮801、滚轮支架802、第一弹簧脚垫803、弹簧804、第二弹簧脚垫805、螺纹管806和螺纹杆807，所述螺纹管806内设有阴螺纹，螺纹杆807下端设有相配的阳螺纹，螺纹杆807下端与螺纹管806配合螺纹连接（由此螺纹杆807可调节高度地安装在螺纹管806上）；所述螺纹杆807上端通过试验段直管204底部的磁流体密封件9竖直伸入试验段直管204内，并与可变形柔性壁面5底部固定连接。

偏心圆盘凸轮105对伸缩支撑杆8底部的滚轮801进行顶紧支撑。其中，滚轮801中心设有水平的螺纹孔，螺栓与滚轮801的螺纹孔配合螺纹连接，并通过所述螺栓将滚轮801固定安装在滚轮支架802上（即保证滚轮801不会发生相对滑动或变形，且滚轮801不会发生滚动）；所述滚轮801的厚度与偏心圆盘凸轮105的厚度相同，且滚轮801的厚度面与相应偏心圆盘凸轮105的厚度面紧密贴触，由此增加偏心圆盘凸轮105与滚轮801的顶紧接触面积。其中，伸缩支撑杆8上设置弹簧804的目的在于“补偿偏心圆盘凸轮105滚动造成的竖直方向上的行程差”。弹簧804一开始即处于不同程度的压缩状态。偏心圆盘凸轮105运动时，弹簧804的回复力可以带动可变形柔性壁面5的弯曲壁面恢复水平形状。

可以看出，步进电机101带动相邻相位各异的偏心圆盘凸轮105实现上下循环往复运动，偏心圆盘凸轮105对伸缩支撑杆8底部的滚轮801进行顶紧支撑，通过伸缩支撑杆8将往复运动传递给可变形柔性壁面5，使可变形柔性壁面5发生弯曲变形实现正弦运动。其中伸缩支撑杆8的螺纹杆807可调节高度地安装在螺纹管806上，这样能够方便调节伸缩支撑杆8的长度，进而改变可变形柔性壁面5弯曲形成的正弦波形的振幅，正弦波形的周期则由步进电机101控制，由此实现多样化的减阻实验需求。

对照图9和图10，可变形柔性壁面5的材质为夹不锈钢网胶板，可变形柔性壁面5包括两块相同的柔性支板501，所述两块柔性支板501的端部对齐贴合且一并通过胶黏剂胶接在第一支撑板架503的上表面，每块柔性支板501上均设有若干第二支撑板架502，第二支撑板架502顶面设有与柔性支板501宽度相配的插槽，所述柔性支板501配合插设于所述插槽内，所述第二支撑板架502的插槽上还设有用于对柔性支板501进行限位的限位杆502a，所述限位杆502a与柔性支板501的宽度方向相平行。

所述可变形柔性壁面5上的第一支撑板架503和第二支撑板架502两者数量之和与伸缩支撑杆8的数量相同。所述第一支撑板架503和第二支撑板架502底部均设置有防水深沟球轴承504，第一支撑板架503底部的防水深沟球轴承504和每一个第二支撑板架502底部的防水深沟球轴承504分别与不同的伸缩支撑杆8上端密封固定连接（从图5可以看出，第一支撑板架503下方设有一个伸缩支撑杆8，每个第二支撑板架502也相应的均设置一个伸缩支撑杆8）；所述两块柔性支板501远离第一支撑板架503的一端均悬空设置（即可变形柔性壁面5的两端端部均没有设置第二支撑板架502，使可变形柔性壁面5留有一定的形变余量。柔性支板501远离第一支撑板架503的一端端部处于悬空状态，其悬空部分的长度可用于补偿波动时变形壁面的长度变化，防止壁面被拉断或扁塌。柔性支板501的中部伸进设有插槽的第二支撑板架502中自由伸缩，以保证运动变形时带来的变形差）。

其中，所述第一支撑板架503和第二支撑板架502底部均设置防水深沟球轴承504的目的在于：伸缩支撑杆8上的螺纹杆807直接进行拧动，即可改变螺纹杆807在螺纹管806上的安装高度，而不用将螺纹杆807的上端从可变形柔性壁面5底部取下，由此操作方便快捷。

在本实施例中的实验开始时，启动步进电机，带动偏心圆盘凸轮105转动。偏心圆盘凸轮105的转动使得与其顶紧的伸缩支撑杆8在垂直方向上做往复运动，导致伸缩支撑杆8的弹簧804被压缩从而使伸缩支撑杆8的运动传递至可变形柔性壁面5。由于相邻两个偏心圆盘凸轮105的相位各异，与第一支撑板架503和第二支撑板架502相连的两块柔性支板501在同一时间即发生不同的运动，即整体可变形壁面输出呈现正弦波形。然后启动水泵提供稳定的流场环境。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，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。