測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置及方法。該裝置包括收縮穩(wěn)流管、用于承載待測試織構樣品的載物臺、測試區(qū)和至少用于調整所述裝置內(nèi)流體流速的水泵，所述收縮穩(wěn)流管與用以提供流體的水箱連接，所述收縮穩(wěn)流管與測試區(qū)密封連接，并沿流體流動方向依次分布，所述載物臺可滑動的設于所述測試區(qū)內(nèi)，并經(jīng)頂桿與測力計連接。進一步的，該裝置還可包括激光偏光源和高速攝像機，用于捕捉在測試區(qū)內(nèi)流體對應于不同形貌織構樣品的流動狀態(tài)。本發(fā)明的測試裝置結構簡單、被測試樣易制、測試簡潔方便、精度高、穩(wěn)定性和可靠性好，能夠方便可靠的用于阻力測試分析和評估表面織構減阻技術和減阻效果。
【專利說明】
測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置及方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種流體阻力測試裝置，具體涉及一種用于測量不同流速、不同表面形貌織構試樣壁面的流體流動狀態(tài)及摩擦阻力的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在能源緊缺的今天，節(jié)能成為現(xiàn)在科研的當務之急，而且生產(chǎn)、生活中由于物體的運動導致的摩擦阻力消耗當量的能源，物體的摩擦阻力導致航行體航程的縮短，進而導致能源利用效率的大幅降低。根據(jù)理論推算，在動力和能源一定的情況下，假如將阻力減小10%，則巡航速度和航程可同時增加約3.57%。因此設計研究一個能夠評估流體對不同表面的摩擦阻力的測試裝置顯得尤為重要，尤其在應用表面織構減阻技術的同時，可以對其減阻效果進行評估。因此，為了進行不同形貌織構阻力測試分析和流體狀態(tài)的探究，設計一種能夠評估流體對不同表面織構的摩擦阻力測量裝置，對于節(jié)約能源、提高能源利用效率、改善和優(yōu)化工作過程、提高船舶和水下航行器的航行速度和續(xù)航能力具有十分重要的戰(zhàn)略和實際意義。
[0003]目前可應用于流、固界面之間摩擦阻力測試的實驗裝置主要有水洞、風洞、水池和水槽。利用此類裝置研究流體摩擦阻力特性，獲得了許多重要的湍流現(xiàn)象，對推進流體減阻理論的發(fā)展起到了至關重要的作用。但是，該類裝置普遍存在結構復雜、實驗條件不易控制、占用空間大、造價昂貴等缺陷，雖然對于實用教學或非光滑表面研究比較適用，但無法廣泛應用。以現(xiàn)有的水槽實驗裝置為例，其造價昂貴，且在測試時又受限于拖曳水池長度的影響。如何使測試裝置簡單、可靠，且能夠評估不同表面織構減阻效果，為實際應用提供可靠依據(jù)，仍存在諸多問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的主要目的在于提供一種測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置及方法，該裝置結構簡單、實驗樣件易制、測試方法簡潔方便、精度高、穩(wěn)定性和可靠性好，能夠用于液體的遠距離輸送、船舶以及水下航行器在水中運動的阻力測試分析，以及評估流體對不同表面織構的減阻技術和減阻效果。
[0005]為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案包括:
一種測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，其包括收縮穩(wěn)流管、用于承載待測試織構樣品的載物臺、測試區(qū)和至少用于調整所述裝置內(nèi)流體流速的水栗，所述收縮穩(wěn)流管通過水管與用以提供流體的水箱連接，所述收縮穩(wěn)流管與測試區(qū)密封連接，并沿流體流動方向依次分布，所述載物臺可滑動的設于所述測試區(qū)內(nèi)，并經(jīng)頂桿與測力計連接
進一步的，所述裝置還可包括防水膜，所述防水膜套設在所述頂桿上，并固定于所述測試區(qū)的后壁面，用以防止流體從頂桿與測試區(qū)壁面流出。
[0006]進一步的，所述載物臺與所述測試區(qū)的底板之間留有間隙，用以減少載物臺與測試區(qū)的接觸面積，從而減少測試區(qū)與載物臺的摩擦力。
[0007]進一步的，所述裝置還可包括激光偏光源和高速攝像機，用于捕捉在測試區(qū)內(nèi)流體對應于不同形貌織構樣品的流動狀態(tài)。
[0008]進一步的，所述裝置還包括控制單元，所述控制單元與水栗、測力計、激光偏光源和高速攝像機中的部分或全部元件連接。
[0009]進一步的，所述水箱、收縮穩(wěn)流管、測試區(qū)經(jīng)水管密封連接，所述水管的流體輸入端和流體輸出端均與水箱連通，從而形成流體循環(huán)系統(tǒng)。
[0010]進一步的，所述測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置、水箱或水管還分別與支座、水箱支架或水管支架固定連接。
[0011 ] 進一步的，所述載物臺采用直板結構。
[0012]進一步的，所述水管包括兩段以上依次連通的管道，其中相鄰管道之間通過彎管結構或直管接頭固定連接。
[0013]進一步的，所述的
進一步的，所述收縮穩(wěn)流管或所述載物臺采用3D打印構件。
[0014]進一步的，所述測試區(qū)的局部或整體采用透明結構。
[0015]一種測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的方法，包括:
提供所述測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，
將待測試織構樣品固定在載物臺上，通過水箱提供流體，使流體在所述裝置內(nèi)流動，并以水栗調節(jié)流體的流速，以及用測力計實時測量待測試織構樣品在流體中的阻力，同時以激光偏光源和高速攝像機實時捕捉在測試區(qū)內(nèi)流體對于待測試織構樣品的流動狀態(tài)，最終探知待測試織構樣品的減阻機理。
[0016]進一步的，在測試過程中，所述激光偏光源和高速攝像機分別設置于測試區(qū)上方和側面。
[0017]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:該測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置結構簡單、被測試樣易制、測試方法簡潔方便、精度高、穩(wěn)定性和可靠性好，能夠更方便可靠的用于阻力測試分析和評估表面織構減阻技術和減阻效果。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明一典型實施例中一種測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置的剖視圖；
圖2為本發(fā)明一測試區(qū)的局部主視圖；
圖3為本發(fā)明一測試區(qū)的局部俯視圖；
圖4為本發(fā)明一測試區(qū)的局部左視圖；
圖5為本發(fā)明一測試區(qū)的局部剖視圖
圖6為測試不同形貌織構和流速下試樣的阻力和水流狀態(tài)的原理圖；
附圖標記說明:1_水箱、2-水箱支架、3-密封接頭、4-水管、5-排水口、6-收縮穩(wěn)流管、7-測試區(qū)、8-載物臺、9-防水膜、10-頂桿、11-測力計、12-水栗、13-水管支架、14-彎/直管接頭、15-支座、16-螺栓、17-螺孔、18-試樣。
【具體實施方式】
[0019]以下結合附圖及典型實施案例對本發(fā)明的技術方案，包括本發(fā)明裝置的結構、原理和工作過程作進一步的說明。
[0020]請參閱圖1，作為本發(fā)明的一較為典型的實施例，其涉及的一種測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，即一種用于測量不同流速、不同表面織構試樣壁面的流體流動狀態(tài)及摩擦阻力測試裝置包括水箱1、水箱支架2、密封接頭3、水管4、排水口 5、收縮穩(wěn)流管
6、測試區(qū)7、載物臺8、防水膜9、頂桿10、試樣18、測力計11、水栗12、水管支架13、彎/直管接頭14、支座15等。
[0021]其中，水箱通過密封接頭與水管的流體輸入端口相連，而組成水管的各管路之間采用彎/直管接頭連接，水箱、水管及整個測試裝置分別用水箱支架、水管支架和支座進行固定。
[0022]其中，測試區(qū)可采用螺栓或螺釘?shù)扰c收縮穩(wěn)流管進行連接。
[0023]優(yōu)選的，防水膜套在頂桿上并固定在測試區(qū)的后壁面，頂桿安放在載物臺和測力計之間，
其中，通過調節(jié)水栗的輸入電壓來連續(xù)或分檔調節(jié)液流例如水流的速度，通過測力計的示數(shù)來讀取阻力的大小。其中，測力計可采用電子測力計。
[0024]其中，彎/直管接頭與管路之間可采用膠進行粘結。
[0025]其中，收縮穩(wěn)流管可采用3D打印進行打印，材質可以為聚乳酸。
[0026]其中，載物臺可采用3D打印機進行打印，材質可以為聚乳酸。
[0027]其中，載物臺，S卩，測試織構的載體優(yōu)選為直板。
[0028]其中，測試區(qū)可以局部或整體為透明結構，例如為一個有機玻璃組裝結構。
[0029]其中，載物臺放置在測試區(qū)內(nèi)，并能在測試區(qū)滑動。優(yōu)選的，載物臺與測試區(qū)的底板保持一定的間距。
[0030]優(yōu)選的，在測試區(qū)采用激光偏光源和高速攝像機捕捉水流在不同的織構下的水的流動狀態(tài)。
[0031]進一步的，防水膜采用無彈性材料。
[0032]優(yōu)選的，可將水管的流體輸入端和流體輸出端均與水箱連通，從而構建循環(huán)水系統(tǒng)，如此，可以利用循環(huán)水保證實驗區(qū)的壓力穩(wěn)定，同時節(jié)約水資源。
[0033]本實施例的該測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置的組裝過程可以為:將水箱I固定在水箱支架2上，將密封接頭3安裝在水箱I上，并通過粘結劑使水管4連接，將支座15安裝在水管的下面對水管進行固定，并將彎/直管接頭14與水管4用粘結劑進行連接組成整個裝置的骨架，以及將收縮穩(wěn)流管6與測試區(qū)7采用螺栓進行連接。
[0034]顯然的，還可在本實施例的該測試裝置內(nèi)設置一控制單元如PLC、計算機系統(tǒng)等，并將之與水栗、電子測力計、高速攝像機等連接，利于操作人員方便的對該測試裝置進行操控或者實現(xiàn)自動化測試。
[0035]本實施例的該測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置的工作過程可以為:打開測試區(qū)7的上板，并置入載物臺8，以及將頂桿10安放在防水膜9中來進行力的傳導，通過調節(jié)水栗12的輸入電壓來調節(jié)流速大小，
其中，由于不同流速對織構會產(chǎn)生不同的摩擦力，相同流速對不同形貌織構樣品會產(chǎn)生不同的摩擦力，而其中這摩擦力的大小會通過頂桿傳送到測力計11上，從而可以得出不同形貌織構在不同流速下的阻力大小，同時，在測試區(qū)上表面加入激光偏光源，在測試區(qū)的側面加入高速攝像機，將高速攝像機和電腦相連而對流體，例如水流的狀態(tài)進行觀察，得出不同形貌織構樣品在不同流速下的流動狀態(tài)，最后得出不同形貌織構、不同流速下試樣阻力的大小和流體狀態(tài)，從而得到流體的流動狀態(tài)與阻力之間的關系。在實現(xiàn)結束后，打開排水口 5的水閥進行排水即可。
[0036]本實施例的該測試裝置結構簡單、被測試樣易制、測試簡潔方便、精度高、穩(wěn)定性和可靠性好，能夠方便可靠的用于阻力測試分析和評估表面織構減阻技術和減阻效果。
[0037]應當理解，上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，其特征在于包括收縮穩(wěn)流管(6)、用于承載待測試織構樣品的載物臺(8)、測試區(qū)(7)和用于調整所述裝置內(nèi)流體流速的水栗(12)，所述收縮穩(wěn)流管(6)通過水管(4)與用以提供流體的水箱(I)連接，所述收縮穩(wěn)流管(6)與測試區(qū)(7)密封連接，并沿流體流動方向依次分布，所述載物臺(8)可滑動的設于所述測試區(qū)(7 )內(nèi)，并經(jīng)頂桿(10 )與測力計(11)連接。2.根據(jù)權利要求1所述的測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，其特征在于還包括防水膜(9)，所述防水膜(9)套設在所述頂桿(10)上，并固定于所述測試區(qū)(7)的后壁面。3.根據(jù)權利要求1所述的測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，其特征在于所述載物臺(8)與所述測試區(qū)(7)的底板之間留有間隙。4.根據(jù)權利要求1所述的測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，其特征在于還包括激光偏光源和高速攝像機，用于捕捉在測試區(qū)內(nèi)流體對應于待測試織構樣品的流動狀??τ O5.根據(jù)權利要求1所述的測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，其特征在于所述水箱(I)、收縮穩(wěn)流管(6)、測試區(qū)(7)經(jīng)水管(4)密封連接，所述水管(4)的流體輸入端和流體輸出端均與水箱(I)連通，從而形成流體循環(huán)系統(tǒng)。6.根據(jù)權利要求1所述的測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，其特征在于還包括控制單元，所述控制單元與水栗(12)、測力計(11)、激光偏光源和高速攝像機中的部分或全部元件連接。7.根據(jù)權利要求1所述的測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，其特征在于所述載物臺(8)采用直板結構。8.根據(jù)權利要求1-7中任一項所述的測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，其特征在于所述頂桿(10)采用剛性桿狀件，其一端與所述載物臺(8)固定連接，另一端直接與所述測力計(11)連接。9.根據(jù)權利要求1所述的測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置，其特征在于所述測試區(qū)(7)的局部或整體采用透明結構。10.一種測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的方法，其特征在于包括: 提供權利要求1-9中任一項所述的測試不同形貌織構樣品在流體中阻力的裝置， 將待測試織構樣品固定在載物臺上，通過水箱提供流體，使流體在所述裝置內(nèi)流動，并以水栗調節(jié)流體的流速，以及用測力計實時測量待測試織構樣品在流體中的阻力，同時以激光偏光源和高速攝像機實時捕捉在測試區(qū)內(nèi)流體對于待測試織構樣品的流動狀態(tài)，最終探知待測試織構樣品的減阻機理。
【文檔編號】G01M10/00GK105987803SQ201510057906
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月4日
【發(fā)明人】曾志翔, 李龍陽, 烏學東, 孫小東, 門瑩瑩, 劉二勇, 趙文杰
【申請人】中國科學院寧波材料技術與工程研究所