一種平板表面流體阻力性能測(cè)試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測(cè)試裝置，具體地說(shuō)是平板表面經(jīng)織構(gòu)化或者涂裝減阻涂料后在 不同流速水流中的減阻效果的測(cè)試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 船體表面的阻力主要分為摩擦阻力和壓差阻力，而摩擦阻力又是其中最主要的組 成部分，目前對(duì)于船舶減阻技術(shù)的研究也主要關(guān)注于減小摩擦阻力，這對(duì)于提高能源使用 效率、減少溫室氣體排放、改善環(huán)境具有重要意義。船體表面織構(gòu)化或者涂裝減阻涂料都是 有效的減阻技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)能快速、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)材料表面經(jīng)織構(gòu)化或者涂裝減阻涂料處理后 減阻效果的測(cè)試裝置顯得尤為重要。傳統(tǒng)的水洞或水槽試驗(yàn)裝置大都存在造價(jià)高、耗資大、 體積大、實(shí)驗(yàn)條件難以控制等問(wèn)題。
[0003] 通過(guò)文獻(xiàn)檢索可知，與本發(fā)明相關(guān)的已有的一些小型流體力學(xué)測(cè)量裝置有以下幾 種：第一種是旋轉(zhuǎn)式的阻力測(cè)試裝置，如專利公開(kāi)號(hào)為CN103471806A，名稱為"一種轉(zhuǎn) 筒式流體摩擦阻力測(cè)試儀"和專利公開(kāi)號(hào)為CN103512844A，名稱為"非光滑表面流體摩 擦阻力測(cè)試裝置及非光滑表面減阻效果評(píng)價(jià)方法"，都是將水流速度轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但測(cè) 試平板不是圓形會(huì)產(chǎn)生壓差阻力，影響測(cè)試結(jié)果；第二種是拖拽式的阻力測(cè)量裝置，如專 利公開(kāi)號(hào)為CN102288382A，名稱為"一種拖拽式流體阻力測(cè)試裝置"和專利公開(kāi)號(hào)為CN 103743541A，名稱為"評(píng)估仿生非光滑表面減阻效果的試驗(yàn)裝置及方法"，都是通過(guò)拖動(dòng)平 板來(lái)代替流體的流動(dòng)，形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這也不夠直觀；第三種是流道式阻力測(cè)量裝置，如專 利公開(kāi)號(hào)為CN102023130B，名稱為"一種流道式海洋生物附著力測(cè)試裝置"，設(shè)計(jì)較復(fù)雜， 水流的穩(wěn)定性不夠，且沒(méi)有考慮流道邊框與水流的摩擦對(duì)壓差的影響，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度不 夠高；還有一種是簡(jiǎn)化型平板阻力測(cè)量裝置，如專利公開(kāi)號(hào)為CN104634538,名稱為"一種 測(cè)量平板流動(dòng)阻力的實(shí)驗(yàn)裝置"，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，未充分考慮湍流的穩(wěn)定性以及支撐與試驗(yàn)件 的摩擦力問(wèn)題，影響了測(cè)量精度。
[0004]另一方面，在前述的測(cè)試裝置中，試樣件都是放在流道的下部并被固定，然后測(cè)量 水流通過(guò)樣件前和通過(guò)后的壓差，但這一段的管壁也會(huì)和水流產(chǎn)生摩擦，管壁產(chǎn)生的摩擦 剔除不了，這樣造成測(cè)量結(jié)果失真。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一款能夠快速、準(zhǔn) 確地測(cè)量平板表面織構(gòu)化或者涂裝減阻涂料后的減阻效果的測(cè)試裝置，該裝置的試驗(yàn)水流 流速均勻性好、湍流度低，測(cè)量結(jié)果精確可靠。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] -種平板表面流體阻力性能測(cè)試裝置，其特征在于：由水箱、變頻栗、沉降室、擴(kuò)壓 段、收縮段、工作段、擴(kuò)散段順次連通構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)；沉降室、擴(kuò)壓段、收縮段、工作段、擴(kuò) 散段各段均為管道；測(cè)試盒位于工作段的上方，測(cè)試盒下口與工作段的上管壁連通，使得測(cè) 試盒內(nèi)懸掛的水平測(cè)試平板底部與工作段上管壁內(nèi)壁平齊成為流道的組成部分并位于工 作段水流上方；測(cè)試盒內(nèi)還設(shè)置壓力傳感器，壓力傳感器的壓力觸頭沿水平方向與測(cè)試平 板的懸掛桿活動(dòng)接觸，使得測(cè)試平板在工作段水流摩擦力作用下向流動(dòng)方向偏轉(zhuǎn)移動(dòng)的偏 轉(zhuǎn)位移量經(jīng)懸掛桿的杠桿放大作用傳遞至壓力傳感器；壓力傳感器與測(cè)試盒外的可編程控 制器電連接，用于對(duì)壓力傳感器的模擬電壓值進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。
[0008] 上述技術(shù)方案中，沉降室內(nèi)部與水流方向垂直豎直設(shè)置多孔阻尼板；擴(kuò)壓段內(nèi)與 水流方垂直豎直設(shè)置整流網(wǎng)；在測(cè)試盒之前工作段管道內(nèi)部設(shè)置流速計(jì)，對(duì)應(yīng)的工作段管 道外部設(shè)置壓力表。
[0009] 上述技術(shù)方案中，收縮段為進(jìn)口大出口小且實(shí)現(xiàn)水流從圓漸變?yōu)榉降?Batchelor-Shaw收縮曲線，該收縮曲線R的方程為：
[0010]
，其中札和1?2為收縮段的進(jìn)口 半徑和出口邊長(zhǎng)的1/2,X為Batchelor-Shaw收縮曲線段末端距離收縮段進(jìn)口處的距離，L為收縮段的長(zhǎng)度，單位均為收縮段出口和入口的面積比為1:7~1:8,可使出口水流接 近于勢(shì)流，保持流速分布均勻。
[0011] 上述技術(shù)方案中，測(cè)試盒內(nèi)有密封裝置、高度調(diào)節(jié)器，密封裝置用于在測(cè)試平板懸 掛好后將測(cè)試盒蓋板密封，高度調(diào)節(jié)器為設(shè)置在測(cè)試盒蓋板上的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，高度調(diào)節(jié) 器底部通過(guò)鉸鏈連接豎向懸掛桿，測(cè)試平板水平平行懸掛在懸掛桿底部且在高度調(diào)節(jié)器作 用下位于水流上方并處于設(shè)定水平高度，該設(shè)定水平高度使得測(cè)試平板底部與工作段上管 壁內(nèi)壁平齊成為流道的組成部分。
[0012] 上述技術(shù)方案中，測(cè)試盒底部與工作段上管壁密封連接，工作段上管壁與測(cè)試盒 底部對(duì)應(yīng)處設(shè)置通孔使得測(cè)試盒下口與工作段的上管壁連通。
[0013] 上述技術(shù)方案中，平板表面流體阻力性能測(cè)試裝置分別測(cè)試未處理前和經(jīng)表面 處理后的測(cè)試平板受水流摩擦?xí)r壓力傳感器輸出的模擬電壓值，得出相應(yīng)的減阻率；未 經(jīng)處理的測(cè)試平板受水流摩擦后輸出模擬電壓值vs，經(jīng)處理后測(cè)試平板受水流摩擦后 壓力傳感器的輸出模擬電壓值VR;則表面處理后的減阻效果用減阻率II來(lái)表示，II= 100%X(VS_VR)/VS;減阻率τι越大說(shuō)明表面處理的減阻效果越好。
[0014] 上述技術(shù)方案中，兩次測(cè)試前均需先把水箱加滿水，再通過(guò)變頻栗向整個(gè)系統(tǒng)中 加水，當(dāng)沉降室內(nèi)充滿液體后，流體以一定的速度流經(jīng)擴(kuò)壓段使水壓增大，再通過(guò)收縮段， 進(jìn)一步增大壓力和流速，并在工作段形成流速均勻性好、湍流度低的試驗(yàn)水流；工作段形成 流速均勻性好、湍流度低的試驗(yàn)水流之后，利用計(jì)算機(jī)對(duì)壓力傳感器的模擬電壓值進(jìn)行數(shù) 據(jù)收集；同時(shí)，利用流速計(jì)、壓力傳感器、可編程控制器、變頻栗組成控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化的 控制，通過(guò)流量計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)獲得工作段內(nèi)的流速，然后通過(guò)變頻栗的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)整套裝置 的流速，所有的控制都由可編程控制器控制。可以實(shí)時(shí)顯示整套裝置的流速、壓力和壓差變 化情況，并可以實(shí)現(xiàn)一定的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)原理可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于搭建，操作容易，測(cè)試 準(zhǔn)確。
[0015] 相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)試裝置和方法，本發(fā)明的測(cè)試件在處理前后的測(cè)試平板放置在水流 上方可以自由活動(dòng)，可以剔除管壁摩擦力的影響，這與傳統(tǒng)試驗(yàn)相比是一重大突破；平板受 到水流的摩擦之后，向水流動(dòng)的方向偏轉(zhuǎn)，該摩擦力經(jīng)懸掛桿的杠桿作用放大后傳遞至壓 力傳感器，計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)記錄反應(yīng)摩擦力大小的模擬電壓值，避免失真。其次，本發(fā)明專門 設(shè)計(jì)了收縮段收縮曲線，使得收縮段實(shí)現(xiàn)水流從圓漸變?yōu)榉?，且收縮段出口和入口的面積 嚴(yán)格控制，前半段收縮快，后半段變化較平緩，流場(chǎng)均勻性較好，湍流度較穩(wěn)定，進(jìn)出口附近 不會(huì)發(fā)生流體分離，使管口出流接近于勢(shì)流，其流速分布更均勻。
[0016] 相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)試裝置和方法，本發(fā)明的益效果是，能夠準(zhǔn)確測(cè)量平板表面織構(gòu)化 或者涂裝減阻涂料后的減阻效果；通過(guò)對(duì)水循環(huán)系統(tǒng)的精確設(shè)計(jì)，可提供流速均勻、湍流度 低的試驗(yàn)水流，獲得了穩(wěn)定的水流；通過(guò)測(cè)試平板懸掛，剔除了工作段管壁與水流的摩擦等 干擾。分別測(cè)試測(cè)試平板和經(jīng)表面處理后的平板與水流的摩擦力，可得出相應(yīng)的減阻率， 獲得平板表面經(jīng)織構(gòu)化處理或者涂裝減阻涂料后的減阻效果，測(cè)試方法簡(jiǎn)單易操作；可以 實(shí)時(shí)顯示整套裝置的流速、壓力和壓差變化情況，并可以實(shí)現(xiàn)一定的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)原理可 靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于搭建，操作容易，測(cè)試準(zhǔn)確。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的平板表面流體阻力性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明的平板表面流體阻力性能測(cè)試裝置中收縮段結(jié)構(gòu)圖（正視圖）。
[0019] 圖3是圖2的右視圖。
[0020] 圖4是測(cè)試盒結(jié)構(gòu)圖。
[0021] 附圖1-4中，各附圖標(biāo)記如下：
[0022] 1-水箱；2-變頻栗；3-沉降室；4-阻尼板；5-擴(kuò)壓段；6-整流網(wǎng)；7-收縮段； 7-lBatchelor-Shaw收縮曲線；7-2圓變方段；7-3方管段；8-工作段；9-流速計(jì)；10-壓力 表；11-測(cè)試盒；12-可編程控制器；13-擴(kuò)散段；14-高度調(diào)節(jié)器；15-鉸鏈；16-懸掛桿； 17-測(cè)試平板；18-壓力傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖1-4及實(shí)施例對(duì)本專利做更詳細(xì)地描述。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的評(píng)價(jià)平板表面流體阻力性能的測(cè)試裝置，如圖1-4所示，包括 水箱1、變頻栗2、沉降室3、擴(kuò)壓段5、收縮段7、工作段8、擴(kuò)散段13,沉降室3、擴(kuò)壓段5、收 縮段7、工作段8、擴(kuò)散段13各段均為水平方向設(shè)置的管道，各段順此連接構(gòu)成一套完整的 水循環(huán)系統(tǒng)。測(cè)試盒11位于工作段8的上方，測(cè)試盒11內(nèi)有密封裝置、高度調(diào)節(jié)器14、壓 力傳感器18,密封裝置用于將測(cè)試盒11蓋板密封，高度調(diào)節(jié)器14為設(shè)置在蓋板上的動(dòng)力驅(qū) 動(dòng)機(jī)構(gòu)，高度調(diào)節(jié)器14底部通過(guò)鉸鏈15連接靜止?fàn)顟B(tài)豎直懸掛的懸掛桿16,懸掛桿1