一種平板表面流體阻力性能測試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種測試裝置，具體地說是平板表面經(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)計一個能快速、準(zhǔn)確評價材料表面經(jīng)織構(gòu)化或者涂裝減阻涂料處理后 減阻效果的測試裝置顯得尤為重要。傳統(tǒng)的水洞或水槽試驗裝置大都存在造價高、耗資大、 體積大、實驗條件難以控制等問題。
[0003] 通過文獻檢索可知，與本發(fā)明相關(guān)的已有的一些小型流體力學(xué)測量裝置有以下幾 種：第一種是旋轉(zhuǎn)式的阻力測試裝置，如專利公開號為CN103471806A，名稱為"一種轉(zhuǎn) 筒式流體摩擦阻力測試儀"和專利公開號為CN103512844A，名稱為"非光滑表面流體摩 擦阻力測試裝置及非光滑表面減阻效果評價方法"，都是將水流速度轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，但測 試平板不是圓形會產(chǎn)生壓差阻力，影響測試結(jié)果；第二種是拖拽式的阻力測量裝置，如專 利公開號為CN102288382A，名稱為"一種拖拽式流體阻力測試裝置"和專利公開號為CN 103743541A，名稱為"評估仿生非光滑表面減阻效果的試驗裝置及方法"，都是通過拖動平 板來代替流體的流動，形成相對運動，這也不夠直觀；第三種是流道式阻力測量裝置，如專 利公開號為CN102023130B，名稱為"一種流道式海洋生物附著力測試裝置"，設(shè)計較復(fù)雜， 水流的穩(wěn)定性不夠，且沒有考慮流道邊框與水流的摩擦對壓差的影響，測試結(jié)果準(zhǔn)確度不 夠高；還有一種是簡化型平板阻力測量裝置，如專利公開號為CN104634538,名稱為"一種 測量平板流動阻力的實驗裝置"，結(jié)構(gòu)較簡單，未充分考慮湍流的穩(wěn)定性以及支撐與試驗件 的摩擦力問題，影響了測量精度。
[0004]另一方面，在前述的測試裝置中，試樣件都是放在流道的下部并被固定，然后測量 水流通過樣件前和通過后的壓差，但這一段的管壁也會和水流產(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試裝置，該裝置的試驗水流 流速均勻性好、湍流度低，測量結(jié)果精確可靠。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，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試裝置，其特征在于：由水箱、變頻栗、沉降室、擴壓 段、收縮段、工作段、擴散段順次連通構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)；沉降室、擴壓段、收縮段、工作段、擴 散段各段均為管道；測試盒位于工作段的上方，測試盒下口與工作段的上管壁連通，使得測 試盒內(nèi)懸掛的水平測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試平 板的懸掛桿活動接觸，使得測試平板在工作段水流摩擦力作用下向流動方向偏轉(zhuǎn)移動的偏 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；壓力傳感器與測試盒外的可編程控 制器電連接，用于對壓力傳感器的模擬電壓值進行數(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；擴壓段內(nèi)與 水流方垂直豎直設(shè)置整流網(wǎng)；在測試盒之前工作段管道內(nèi)部設(shè)置流速計，對應(yīng)的工作段管 道外部設(shè)置壓力表。
[0009] 上述技術(shù)方案中，收縮段為進口大出口小且實現(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為收縮段的進口 半徑和出口邊長的1/2,X為Batchelor-Shaw收縮曲線段末端距離收縮段進口處的距離，L為收縮段的長度，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 近于勢流，保持流速分布均勻。
[0011] 上述技術(shù)方案中，測試盒內(nèi)有密封裝置、高度調(diào)節(jié)器，密封裝置用于在測試平板懸 掛好后將測試盒蓋板密封，高度調(diào)節(jié)器為設(shè)置在測試盒蓋板上的動力驅(qū)動機構(gòu)，高度調(diào)節(jié) 器底部通過鉸鏈連接豎向懸掛桿，測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，測試盒底部與工作段上管壁密封連接，工作段上管壁與測試盒 底部對應(yīng)處設(shè)置通孔使得測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試裝置分別測試未處理前和經(jīng)表面 處理后的測試平板受水流摩擦?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)處理的測試平板受水流摩擦后輸出模擬電壓值vs，經(jīng)處理后測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來表示，II= 100%X(VS_VR)/VS;減阻率τι越大說明表面處理的減阻效果越好。
[0014] 上述技術(shù)方案中，兩次測試前均需先把水箱加滿水，再通過變頻栗向整個系統(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)擴壓段使水壓增大，再通過收縮段， 進一步增大壓力和流速，并在工作段形成流速均勻性好、湍流度低的試驗水流；工作段形成 流速均勻性好、湍流度低的試驗水流之后，利用計算機對壓力傳感器的模擬電壓值進行數(shù) 據(jù)收集；同時，利用流速計、壓力傳感器、可編程控制器、變頻栗組成控制系統(tǒng)實現(xiàn)一體化的 控制，通過流量計測得的數(shù)據(jù)獲得工作段內(nèi)的流速，然后通過變頻栗的轉(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。可以實時顯示整套裝置的流速、壓力和壓差變 化情況，并可以實現(xiàn)一定的自動控制，設(shè)計原理可靠，結(jié)構(gòu)簡單，易于搭建，操作容易，測試 準(zhǔn)確。
[0015] 相對于傳統(tǒng)測試裝置和方法，本發(fā)明的測試件在處理前后的測試平板放置在水流 上方可以自由活動，可以剔除管壁摩擦力的影響，這與傳統(tǒng)試驗相比是一重大突破；平板受 到水流的摩擦之后，向水流動的方向偏轉(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，計算機可實時記錄反應(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)計了收縮段收縮曲線，使得收縮段實現(xiàn)水流從圓漸變?yōu)榉剑沂湛s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，流場均勻性較好，湍流度較穩(wěn)定，進出口附近 不會發(fā)生流體分離，使管口出流接近于勢流，其流速分布更均勻。
[0016] 相對于傳統(tǒng)測試裝置和方法，本發(fā)明的益效果是，能夠準(zhǔn)確測量平板表面織構(gòu)化 或者涂裝減阻涂料后的減阻效果；通過對水循環(huán)系統(tǒng)的精確設(shè)計，可提供流速均勻、湍流度 低的試驗水流，獲得了穩(wěn)定的水流；通過測試平板懸掛，剔除了工作段管壁與水流的摩擦等 干擾。分別測試測試平板和經(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，測試方法簡單易操作；可以 實時顯示整套裝置的流速、壓力和壓差變化情況，并可以實現(xiàn)一定的自動控制，設(shè)計原理可 靠，結(jié)構(gòu)簡單，易于搭建，操作容易，測試準(zhǔn)確。
【附圖說明】
[0017] 圖1是根據(jù)本發(fā)明實施的平板表面流體阻力性能測試裝置結(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；10-壓力 表；11-測試盒；12-可編程控制器；13-擴散段；14-高度調(diào)節(jié)器；15-鉸鏈；16-懸掛桿； 17-測試平板；18-壓力傳感器。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖1-4及實施例對本專利做更詳細地描述。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明實施的評價平板表面流體阻力性能的測試裝置，如圖1-4所示，包括 水箱1、變頻栗2、沉降室3、擴壓段5、收縮段7、工作段8、擴散段13,沉降室3、擴壓段5、收 縮段7、工作段8、擴散段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)。測試盒11位于工作段8的上方，測試盒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)置在蓋板上的動力驅(qū) 動機構(gòu)，高度調(diào)節(jié)器14底部通過鉸鏈15連接靜止?fàn)顟B(tài)豎直懸掛的懸掛桿16,懸掛桿1