本實用新型涉及一種可調(diào)式波動壁面阻力測試裝置。

背景技術(shù)：

目前，國內(nèi)外專家學者對于仿生非光滑表面的減阻效果進行了深入的研究，通過理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗等手段對于諸如“鯊魚”、“海豚”、“蚯蚓”、“蜣螂”等生物體非光滑的表面結(jié)構(gòu)的研究，得出了非光滑表面的減阻機理。這種非光滑表面具有神奇的微納結(jié)構(gòu)特性，使之表現(xiàn)出優(yōu)異的減阻能力。雖然對于仿生非光滑表面的減阻研究取得了一定的成果，且部分成果也已應(yīng)用到工程實際當中，但是對于波動表面的減阻效果的研究卻仍然存在一些問題。目前對于波動表面減阻效果的研究多采用數(shù)值模擬和模型試驗相結(jié)合的方法。由于數(shù)值模擬具有結(jié)果可視化，成本低廉，只需在計算機上進行模擬和數(shù)據(jù)處理，不占用試驗場地等優(yōu)點因此被廣泛地應(yīng)用。然而數(shù)值模擬多為輔助手段，是對試驗結(jié)果的補充和進一步完善，數(shù)值模擬時要對邊界條件和材料屬性進行簡化，而且結(jié)構(gòu)離散化的形式不同，得到的結(jié)果和精度也不同，隨機性比較大，可信度較低。由于波動表面的特殊性，僅僅通過數(shù)值模擬很難得到準確的結(jié)果，并且數(shù)值模擬結(jié)果的正確性最終還是要通過試驗的方法加以驗證。所以，要對波動表面的減阻效果進行研究需要借助模型試驗進行論證。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決目前采用數(shù)值模擬方式評估波動表面的減阻效果而導 致結(jié)果準確性不高，以及數(shù)值模擬結(jié)果的正確性需要通過試驗的方法加以驗證的問題，本實用新型提出了一種可對多種不同波動形式表面的減阻效果進行測試的可調(diào)式波動壁面阻力測試裝置，只需通過控制器改變施加的電壓信號即可調(diào)節(jié)波動壁面的形式，操作方便易于實現(xiàn)。

本實用新型所述的一種可調(diào)式波動壁面阻力測試裝置，其特征在于：包括支撐臺、過濾器、風機、安裝在所述的支撐臺的測試管件、水平布置的IPMC變形波動表面和調(diào)控機構(gòu)，所述的過濾器安裝在風機的進風口處，所述的風機的出風口與所述的測試管件進風口密封連通；所述的波動表面安裝在所述的測試管件的測試腔內(nèi)；所述的調(diào)控機構(gòu)的正負極分別通過導線與所述的IPMC變形波動表面的上下表面電連，實現(xiàn)對IPMC變形波動表面沿厚度方向加壓；

所述的IPMC變形波動表面由若干矩形單元首尾順次相連成帶狀表面，所述的IPMC變形波動表面的前端與測試管件的測試腔內(nèi)壁固接，后端與測試腔內(nèi)壁滑動連接；

所述的調(diào)控機構(gòu)包括用于調(diào)節(jié)加載在IPMC變形波動表面壓力的IPMC驅(qū)動器、用于感應(yīng)IPMC變形波動表面應(yīng)力變化的柔性熱膜應(yīng)力傳感器以及帶顯示屏的傳感器終端，所述的IPMC驅(qū)動器的正負極分別與所述的IPMC變形波動表面的上下表面電連，每塊矩形單元上表面對應(yīng)貼附一個柔性熱膜應(yīng)力傳感器，所述的柔性熱膜應(yīng)力傳感器的信號輸出端與所述的傳感器終端的信號輸入端電連。

所述的測試管件包括彎管段、直管段、擴散管段、測試管段、收 縮管段以及出口管段，所述的彎管段的進風口與所述的風機的出風口連通，所述的彎管段、直管段、擴散管段、測試管段、收縮管段以及出口管段依次首尾密封連通形成帶測試腔的風道，所述的直管段頂部開設(shè)用于卡入熱球風速儀的測速孔，并且熱球風速儀的測試端穿過所述的測速孔伸入直管段中央；所述的測試管段水平裝在所述的支撐臺上。

所述的彎管段為90°彎管。

所述的IPMC變形波動表面通過前固定裝置和后固定裝置安裝在測試管件的測試腔內(nèi)，所述的前固定裝置包括第一薄鋼片、第二薄鋼片、用于緊固的沉頭螺栓和與沉頭螺栓螺接的螺母，所述的第一薄鋼片與所述的第二薄鋼片通過沉頭螺栓夾在所述的IPMC變形波動表面的前端，并且第二薄鋼片外端卡入測試管段內(nèi)側(cè)壁的水平定位槽內(nèi)；所述的后固定裝置包括第三薄鋼片、第四薄鋼片、第一滾輪以及與第一滾輪滑動配合的滑道，所述的第三薄鋼片與所述的第四薄鋼片通過沉頭螺栓夾在所述的IPMC變形波動表面的后端，所述的第一滾輪通過沉頭螺栓裝在所述的第三薄鋼片、第四薄鋼片的端部；所述的滑道安裝在所述的測試管段內(nèi)側(cè)壁上，并與定位槽等高，實現(xiàn)IPMC變形波動表面的水平布置。

所述的IPMC變形波動表面與測試管段頂板之間配有承重裝置，所述的承重裝置包括若干承重組件，除了前后兩端的矩形單元之外剩余的矩形單元各對應(yīng)一個承重組件，所述的承重組件包括位于矩形單元底部的剛性細管、吊繩以及承重滾輪，所述的吊繩穿過剛性細管后 掛在承重滾輪上，所述的承重滾輪與設(shè)置在測試管段頂板上的頂部滑槽滑動配合。

所述的IPMC變形波動表面的前端配有豎直擋風板，所述的豎直擋風板的頂部壓緊第二薄鋼片，所述的豎直擋風板的側(cè)邊卡入測試管段內(nèi)側(cè)壁的豎直槽中，所述的豎直擋風板的頂部邊緣介于所述的IPMC變形波動表面的上下表面之間；所述的豎直擋風板底部向外翻折形成用于裝在測試管段的水平安裝部，所述的水平安裝部通過第二螺栓、第二螺母與所述的測試管段固接，并且所述的水平安裝部與所述的測試管段之間夾有墊板。

相鄰的矩形單元之間通過環(huán)氧乙酯相互粘連。

所述的風機為變頻調(diào)速風機。

本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：過濾器連接風機，風機連接90°彎頭，之后連接一段直管段，直管段通過擴散管段與測試管段相連，測試管段通過收縮管段與出口管段相連組成管道系統(tǒng)。直管段中設(shè)有熱球風速儀用來測試通過管段中風速的大小。試驗所用風機采用變頻調(diào)速風機，可以用來調(diào)節(jié)流經(jīng)管道的風速，使試驗在適當?shù)娘L速下進行。為了使試驗結(jié)果更加準確，在測試管段中放置擋風板，擋風板使空氣流經(jīng)測試管段之時，只與測試表面的上表面接觸，防止與測試表面上下表面同時接觸，使試驗結(jié)果不準確。

本實用新型的測試表面不同于其它波動表面，本測試表面是可調(diào)式波動表面，即測試表面是可調(diào)的，不需要更換測試表面，通過調(diào)節(jié)裝置即可使測試表面形成不同形式的波動表面，省去了更換不同測試 表面的麻煩，同時可以節(jié)約時間，降低使用成本，操作簡單、方便。測試表面引入了新興IPMC材料，一系列由IPMC材料制成的矩形單元之間通過粘接形成了測試表面。測試表面通過固定裝置及承重裝置置于測試管段之中。測試表面的波動通過一系列矩形單元的變形來實現(xiàn)：在對IPMC材料厚度方向施加電壓時，IPMC材料即發(fā)生變形，一系列矩形單元按照一定的規(guī)律變形即可形成波動表面。每個矩形單元的變形可以單獨控制，因此，通過一系列矩形單元不同變形情況的組合可相應(yīng)的得到不同形式的波動表面。由于矩形單元在發(fā)生變形時，沿著空氣流動方向，測試表面的長度也將相應(yīng)發(fā)生變化，為了測試表面在測試過程中不會因為長度變化發(fā)生斷裂或扭曲，測試表面在測試管段的入口段和測試管段的出口段采用不同的固定方式進行固定：在測試管段入口處，測試表面通過薄鋼片、螺栓螺母以及壁面上的槽道固定。測試表面被兩片薄鋼片壓緊用螺栓和螺母連接在一起，將下側(cè)的薄鋼片插入測試管段側(cè)壁的槽中；在測試管段出口處，測試表面通過薄鋼片、螺栓和螺母以及滾輪和滑道固定，滑道通過螺釘固定于測試管段側(cè)壁，測試表面被兩片薄鋼片壓緊，用螺栓和螺母將它們以及滾輪連接在一起，滾輪則通過滑道的一端開口處裝入滑道內(nèi)。通過這種固定方式，測試表面在垂直于流向的方向上不會發(fā)生移動，而在沿著流向的方向上可以移動，這樣便可避免測試表面在長度變化時，沿著流向發(fā)生移動而斷裂或扭曲。由于測試表面的自重不能忽略，因此必須通過承重裝置來承受測試表面的重量。承重裝置由滑道和滾輪組成：在測試管段的頂部壁面開設(shè)滑道，將滾輪通過滑道一端的開 口裝入滑道，使?jié)L輪只能沿著流向滾動，用細線穿過剛性細管繞過測試表面下側(cè)，然后將細線的兩端系于滾輪上，剛性細管位于測試表面下側(cè)，避免測試表面因受到細線的拉力而沿著垂直于流向的方向彎曲。柔性熱膜應(yīng)力傳感器置于測試表面上，用來采集測試表面的應(yīng)力值，當空氣通過管道系統(tǒng)流經(jīng)測試表面，位于測試表面上的柔性熱膜應(yīng)力傳感器便會感應(yīng)出測試表面的應(yīng)力大小，并將得到的結(jié)果反饋給傳感器終端。

本測試裝置進行的試驗為對照試驗，首先進行的是測試表面未發(fā)生波動之前的試驗，通過該試驗可以得到測試表面的應(yīng)力值。其次進行的則是波動表面的試驗，通過IPMC驅(qū)動裝置，調(diào)節(jié)施加在矩形單元兩側(cè)的電壓值即可得到波動表面，在此試驗條件下所得到的應(yīng)力大小，即為波動表面的應(yīng)力值。將得到的應(yīng)力值與沒有發(fā)生波動情況下測試表面的應(yīng)力值相比較，即可得到波動表面的減阻效果。并且，當一種形式的波動表面測試完成之后，通過IPMC驅(qū)動裝置，改變施加在矩形單元兩側(cè)的電壓信號，即可得到不同的波動表面，同時可以得到不同波動表面的應(yīng)力大小，最終可以得到不同波動表面的減阻效果。

本實用新型的有益效果是：與傳統(tǒng)的波動表面想比，本實用新型的測試表面為可調(diào)式波動表面，測試表面引入了新型的IPMC材料。IPMC(Ion-exchange Polymer Metal Composite)作為人工肌肉中的一種智能材料，具有驅(qū)動電壓低、響應(yīng)速度快、質(zhì)量輕便、柔韌性好等優(yōu)點。IPMC材料在較低的電壓下可以產(chǎn)生較大的位移變形，當對由 IPMC材料組成的矩形單元厚度方向施加電壓時，矩形單元可產(chǎn)生較大的變形，使用IPMC驅(qū)動器改變施加在矩形單元兩側(cè)的電壓信號即可得到不同形式的波動表面，而傳統(tǒng)的測試裝置則是通過更換不同的波動表面進行測試。因為波動表面加工制造難度、試驗成本以及更換波動表面費時、麻煩等方面的原因，與其他測試波動表面減阻效果的測試裝置相比，本測試裝置可以測試不同波動形式表面的減阻效果，只需通過IPMC驅(qū)動器改變輸入測試表面兩側(cè)的電壓信號就可以實現(xiàn)，過程簡單，操作容易、節(jié)約時間、降低使用成本。

附圖說明

圖1本實用新型的結(jié)構(gòu)圖；

圖2本實用新型的試驗管道結(jié)構(gòu)圖；

圖3本實用新型的俯視圖；

圖4本實用新型的測試表面前固定裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖5本實用新型的測試表面后固定裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖6本實用新型的承重裝置結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖進一步說明本實用新型

參照附圖：

本實用新型所述的一種可調(diào)式波動壁面阻力測試裝置，包括支撐臺1、過濾器2、風機3、安裝在所述的支撐臺1的測試管件4、水平布置的IPMC變形波動表面5和調(diào)控機構(gòu)6，所述的過濾器2安裝在風機3的進風口處，所述的風機3的出風口與所述的測試管件4進風 口密封連通；所述的波動表面5安裝在所述的測試管件4的測試腔內(nèi)；所述的調(diào)控機構(gòu)6的正負極分別通過導線與所述的IPMC變形波動表面5的上下表面電連，實現(xiàn)對IPMC變形波動表面5沿厚度方向加壓；

所述的IPMC變形波動表面5由若干矩形單元51首尾順次相連成帶狀表面，所述的IPMC變形波動表面5的前端與測試管件4的測試腔內(nèi)壁固接，后端與測試腔內(nèi)壁滑動連接；

所述的調(diào)控機構(gòu)6包括用于調(diào)節(jié)加載在IPMC變形波動表面的壓力的IPMC驅(qū)動器61、用于感應(yīng)IPMC變形波動表面應(yīng)力變化的柔性熱膜應(yīng)力傳感器62以及帶顯示屏的傳感器終端63，所述的IPMC驅(qū)動器的正負極分別與所述的IPMC變形波動表面5的上下表面電連，每塊矩形單元51上表面對應(yīng)貼附一個柔性熱膜應(yīng)力傳感器62，所述的柔性熱膜應(yīng)力傳感器62的信號輸出端與所述的傳感器終端63的信號輸入端電連。

所述的測試管件4包括彎管段41、直管段42、擴散管段43、測試管段44、收縮管段45以及出口管段46，所述的彎管段41的進風口與所述的風機3的出風口連通，所述的彎管段41、直管段42、擴散管段43、測試管段44、收縮管段45以及出口管段依次首尾密封連通形成帶測試腔的風道，所述的直管段42頂部開設(shè)用于卡入熱球風速儀47的測速孔，并且熱球風速儀47的測試端穿過所述的測速孔伸入直管段42中央；所述的測試管段44水平裝在所述的支撐臺1上。

所述的彎管段41為90°彎管。

所述的IPMC變形波動表面5通過前固定裝置52和后固定裝置 53安裝在測試管件4的測試腔內(nèi)，所述的前固定裝置52包括第一薄鋼片521、第二薄鋼片522、用于緊固的第一沉頭螺栓523和與第一沉頭螺栓螺接的第一螺母524，所述的第一薄鋼片521與所述的第二薄鋼片522通過第一沉頭螺栓523夾在所述的IPMC變形波動表面5的前端，并且第二薄鋼片522外端卡入測試管段44內(nèi)側(cè)壁的水平定位槽內(nèi)；所述的后固定裝置53包括第三薄鋼片531、第四薄鋼片532、第一滾輪533以及與第一滾輪滑動配合的滑道534，所述的第三薄鋼片531與所述的第四薄鋼片532通過第二沉頭螺栓535夾在所述的IPMC變形波動表面5的后端，所述的第一滾輪533安通過第二沉頭螺栓535裝在所述的第三薄鋼片531、第四薄鋼片532的端部；所述的滑道534安裝在所述的測試管段44內(nèi)側(cè)壁上，并與定位槽等高，實現(xiàn)IPMC變形波動表面5的水平布置。

所述的IPMC變形波動表面5與測試管段44頂板之間配有承重裝置54，所述的承重裝置54包括若干承重組件，除了前后兩端的矩形單元之外剩余的矩形單元51各對應(yīng)一個承重組件，所述的承重組件包括位于矩形單元底部的剛性細管541、吊繩542以及承重滾輪543，所述的吊繩542穿過剛性細管541后掛在承重滾輪543上，所述的承重滾輪543與設(shè)置在測試管段44頂板上的頂部滑槽滑動配合。

所述的IPMC變形波動表面5的前端配有豎直擋風板55，所述的豎直擋風板55的頂部壓緊第二薄鋼片522，所述的豎直擋風板55的側(cè)邊卡入測試管段44內(nèi)側(cè)壁的豎直槽中，所述的豎直擋風板55的頂部邊緣介于所述的IPMC變形波動表面5的上下表面之間；所述的 豎直擋風板55底部向外翻折形成用于裝在測試管段44的水平安裝部，所述的水平安裝部通過螺栓551、第二螺母552與所述的測試管段44固接，并且所述的水平安裝部與所述的測試管段44之間夾有墊板553。

相鄰的矩形單元51之間通過環(huán)氧乙酯511相互粘連。

所述的風機3為變頻調(diào)速風機。

具體的，結(jié)合附圖1整個試驗裝置是由過濾器2連接風機3，通過90°彎管41以及直管段42，連接擴散管段43，接入測試管段44，然后連接收縮管段45，最后與出口管段46相連組成管道系統(tǒng)，試驗在此管道系統(tǒng)中進行，整個測試裝置固定于支撐臺上。試驗開始時，啟動風機3使空氣通過過濾器2進入管道系統(tǒng)，進而流經(jīng)整個管道系統(tǒng)，熱球風速儀47通過直管段42頂部中央所開設(shè)的測速孔深入管段中央，用來測得風速值，通過變頻調(diào)速風機3可以調(diào)節(jié)風速的大小，保證試驗在合適的風速下進行。為了使試驗結(jié)果更加準確，在測試管段中，放置豎直擋風板55，使通過測試管段中的空氣只和測試表面上表面接觸，空氣流經(jīng)測試管段時與測試表面進行接觸，此時位于測試表面上的熱膜應(yīng)力傳感器便會將測試表面上的應(yīng)力值反饋給傳感器終端63，通過傳感器終端63上的顯示屏即可讀出表面應(yīng)力值的大小。

結(jié)合附圖1、附圖2和附圖3，測試表面是由IPMC材料制成的矩形單元通過環(huán)氧乙酯粘接起來組成的。IPMC(Ion-exchange Polymer Metal Composite)作為人工肌肉中的一種智能材料，在較低的電壓下 可以產(chǎn)生較大的位移變形，當對由IPMC材料組成的矩形單元厚度方向施加電壓時，矩形單元51可產(chǎn)生較大的變形，使用IPMC驅(qū)動器61改變施加在矩形單元51兩側(cè)的電壓信號即可使矩形單元發(fā)生彎曲，一系列矩形單元通過一定的規(guī)律產(chǎn)生彎曲，綜合作用的結(jié)果則是形成波動表面。柔性熱膜應(yīng)力傳感器62貼附于測試表面上表面，IPMC驅(qū)動器61與矩形單元51連接的導線以及柔性熱膜應(yīng)力傳感器62與傳感器控制器63連接的導線通過測試管段44底部中間的集線孔統(tǒng)一引出，整個測試表面通過固定裝置和承重裝置置于測試管段中?？紤]到測試表面在發(fā)生變形時，沿著流向的方向上將會發(fā)生移動，因此固定裝置也必須允許測試表面沿流向可以發(fā)生移動，否則會因測試表面的移動而產(chǎn)生扭曲或斷裂。測試表面5在測試管段44入口段和出口段采用不同的固定裝置進行固定。

結(jié)合附圖2、附圖3和附圖4，測試表面44前端通過第一薄鋼片521和第二薄鋼片522壓緊，然后用第一沉頭螺栓523連接在一起，將下面的第二薄鋼片522置于測試管段44側(cè)壁441開的水平定位槽中，為了不使第二薄鋼片522前端發(fā)生移動，將豎直擋風板55緊壓第二薄鋼片522，上部置于側(cè)壁441開的豎直槽中，底部通過墊板553，用螺栓551和第二螺母552固定于測試管段44底部。

結(jié)合附圖2、附圖3和附圖5，測試表面5后端通過第三薄鋼片531、第四薄鋼片532壓緊，然后用第二沉頭螺栓535將第三薄鋼片531、第四薄鋼片532以及第一滾輪533固定在一起?；?34通過螺釘連接固定于測試管段44側(cè)壁，第一滾輪533通過滑道534的一 端開口處塞入滑道534中，此時測試表面5和第一滾輪533連接在一起，因為有滑道534的限制，第一滾輪533只能沿著滑道534滾動，因此測試表面44也只能沿著流向的方向移動，垂直于流向的方向上則被限制而無法移動。

結(jié)合附圖2和附圖6，由于測試表面5的自重不能忽略不計，因此在測試管段44中設(shè)置了承重裝置，用來承受測試表面的重量。在測試管段44頂部壁面中間開設(shè)槽道，將承重滾輪543從槽道一端的開口處塞入槽道之中。為了使承重裝置可以均勻的承擔測試表面5的重量，在槽道之中均勻分布10個承重滾輪543來分擔測試表面5的重量。將吊繩542穿過剛性細管541，將剛性細管541置于測試表面5的下面，吊繩542的兩端繞過測試表面5下方系于承重滾輪543上的小孔上。這樣便可將測試表面5的重量均勻得分給10個承重滾輪543承擔，并且在測試表面5移動的時候，承重裝置也會跟隨一起移動。

本測試裝置進行的試驗為對照試驗，測試時，先測試未發(fā)生波動之前的表面應(yīng)力的大小。啟動風機3，空氣經(jīng)過濾器2進入管道，進而充滿整個管道系統(tǒng)，風機3采用變頻調(diào)速風機來調(diào)節(jié)風速的大小，位于直管段42中的熱球風速儀47來測試流過管道的風速值，使試驗在適宜的風速下進行?？諝饬鹘?jīng)測試管段44時，與測試表面5上表面接觸，位于測試表面5的柔性熱膜應(yīng)力傳感器62將此時得到的應(yīng)力值輸送給傳感器控制器63，通過傳感器終端63的顯示器即可得到測試表面的應(yīng)力值。

在相同的工況下，啟動IPMC驅(qū)動器61，通過調(diào)節(jié)IPMC驅(qū)動器61改變施加在矩形單元51兩側(cè)的電壓信號，使其發(fā)生變形，多個矩形單元51綜合作用形成波動表面。此時，通過柔性熱膜應(yīng)力傳感器62反饋給傳感器終端63的應(yīng)力即為波動表面應(yīng)力的大小。通過比較原測試表面(未發(fā)生波動時的表面)與波動表面應(yīng)力值的大小情況，即可得到波動表面的減阻效果。

此外，通過IPMC驅(qū)制器61可以改變施加在矩形單元51上的電壓信號，根據(jù)IPMC材料的特性，當施加的電壓信號不同時，IPMC的變形情況也不同，因此可以通過改變電壓信號來實現(xiàn)測試表面不同的波動形式，由此即可測試不同波動表面的減阻效果，通過不同波動表面的減阻效果的比較，還可以得到較佳的波動表面進行應(yīng)用。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對實用新型構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本實用新型的保護范圍不應(yīng)當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護范圍也包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。