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1、(10)申请公布号 CN 103759919 A (43)申请公布日 2014.04.30 CN 103759919 A (21)申请号 201410027017.6 (22)申请日 2014.01.21 G01M 10/00(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工程大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通 大街 145 号哈尔滨工程大学科技处知 识产权办公室 (72)发明人 赵刚 李芳 刘维新 刘文博 李照远 孙壮志 (54) 发明名称 仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置及方法 (57) 摘要 本发明的目的在于提供仿生射流表面流体摩 擦阻力测试装置及方法， 包括旋转圆盘测试模型。
2、、 多孔射流器、 传力杆、 测力元件、 步进电机、 伺服混 合式步进电机驱动器、 弹性膜片联轴器、 螺旋桨、 密闭水箱、 空心水轴、 轴承、 支架、 泵、 溢流阀、 球 阀、 流量计、 水箱 ； 其中伺服混合式步进电机驱动 器与步进电机相连， 步进电机与螺旋桨接， 螺旋桨 带动密闭水箱中的液体旋转， 为主流速度提供动 力 ； 传力杆与空心水轴相连， 旋转圆盘测试模型 安装在空心水轴的末端 ； 所述的步进电机、 泵和 密闭水箱都固定在支架上。本发明采用步进电机 带动螺旋桨旋转为密闭水箱中的主流旋转提供动 力， 测试原理简单直观， 测试结果可靠。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书。
3、 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103759919 A CN 103759919 A 1/2 页 2 1. 仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置， 其特征是 ： 包括支架、 步进电机、 密封水箱、 水池、 第一空心水轴、 第二空心水轴、 水泵， 步进电机、 密封水箱、 水池、 水泵安装在支架上， 步进电机位于密封水箱的下方， 密封水箱里设置螺旋桨， 步进电机连接螺旋桨， 第一空心水 轴通过配水环与第二空心水轴相连通， 第二空心水轴连通水泵， 水泵与水池通过第一管路 相连通， 水池与密。
4、封水箱通过第二管路相连通， 密封水箱和水池里均充有液体， 第一空心水 轴上安装传力杆， 传力杆的端部安装测力元件， 第一空心水轴与配水环相连处安装动密封 装置， 配水环为空心结构， 第一空心水轴位于配水环内的部分包含十字通孔结构， 来自水泵 的水通过第二空心水轴进入配水环， 进而通过十字通孔结构进入第一空心水轴， 通过第一 空心水轴的端部悬空和在第一空心水轴的端部安装光滑表面旋转圆盘测试模型、 仿生射流 表面旋转圆盘模型从而测试仿生射流表面旋转圆盘模型的减阻性能。 2. 根据权利要求 1 所述的仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置， 其特征是 ： 当第一空 心水轴的端部安装仿生射流表面旋转圆盘模型。
5、时， 仿生射流表面旋转圆盘模型上安装多孔 射流器， 仿生射流表面旋转圆盘模型即为在光滑表面旋转圆盘测试模型上设置射流孔， 来 自水泵的水首先进入多孔射流器， 然后通过仿生射流表面旋转圆盘模型的射流孔喷出。 3. 根据权利要求 2 所述的仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置， 其特征是 ： 多孔射流 器里安装栅格整流板。 4. 根据权利要求 1-3 任一所述的仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置， 其特征是 ： 第 一管路上安装溢流阀， 第二空心水轴上安装球阀和流量计。 5. 仿生射流表面流体摩擦阻力测试方法， 其特征是 ： 采用如下测试装置 ： 包括支架、 步 进电机、 密封水箱、 水池、 第一空心水。
6、轴、 第二空心水轴、 水泵， 步进电机、 密封水箱、 水池、 水 泵安装在支架上， 步进电机位于密封水箱的下方， 密封水箱里设置螺旋桨， 步进电机连接螺 旋桨， 第一空心水轴通过配水环与第二空心水轴相连通， 第二空心水轴连通水泵， 水泵与水 池通过第一管路相连通， 水池与密封水箱通过第二管路相连通， 密封水箱和水池里均充有 液体， 第一空心水轴上安装传力杆， 传力杆的端部安装测力元件， 第一空心水轴与配水环相 连处安装动密封装置， 配水环为空心结构， 第一空心水轴位于配水环内的部分包含十字通 孔结构， 来自水泵的水通过第二空心水轴进入配水环， 进而通过十字通孔结构进入第一空 心水轴， 通过第一。
7、空心水轴的端部悬空和在第一空心水轴的端部安装光滑表面旋转圆盘测 试模型、 仿生射流表面旋转圆盘模型从而测试仿生射流表面旋转圆盘模型的减阻性能 ； 当 第一空心水轴的端部安装仿生射流表面旋转圆盘模型时， 仿生射流表面旋转圆盘模型上安 装多孔射流器， 仿生射流表面旋转圆盘模型即为在光滑表面旋转圆盘测试模型上设置射流 孔， 来自水泵的水首先进入多孔射流器， 然后通过仿生射流表面旋转圆盘模型的射流孔喷 出 ； （1） 在第一空心水轴上安装光滑表面旋转圆盘测试模型， 步进电机开始工作， 带动螺旋 桨旋转， 通过与第一空心水轴固连的传力杆和测力元件测量光滑表面旋转圆盘测试模型的 阻力 F1， 随后将光滑表。
8、面旋转圆盘测试模型拆除， 测量第一空心水轴悬空时的阻力 F2， 测量 测力元件与第一空心水轴之间的距离 L， 则光滑表面旋转圆盘测试模型引起的摩擦力矩 Ms 为 Ms=(F1-F2)L ； （2） 在第一空心水轴上安装仿生射流表面旋转圆盘模型并在上仿生射流表面旋转圆盘 权 利 要 求 书 CN 103759919 A 2 2/2 页 3 模型安装多孔射流器， 启动泵， 调节球阀、 溢流阀来调节泵的出口压力和流量计的流量， 进 而控制射流孔的射流速度， 启动步进电机， 保持在与步骤 （1） 步进电机转速相等采集此时的 力信号， 将此时测得的力和步骤 （1） 空转时的力之差与 L 相乘为该射流速度。
9、时仿生射流表 面旋转圆盘模型引起的摩擦力矩 Mj； （3） 用减阻率 DR 来评价仿生射流表面的减阻效果， 则 ： 权 利 要 求 书 CN 103759919 A 3 1/5 页 4 仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及的是一种一种试验装置及方法， 具体地说是测试流体对不同表面结构 摩擦阻力的试验装置及方法。 背景技术 0002 运输工具在水中行进时的主要能耗是用来克服行进阻力， 因此进行阻力分析和减 小阻力， 对于节约能源、 改善工作状况， 提高工作效能具有重要意义。为了评估仿生射流表 面的减阻特性， 在旋转圆盘测试模型上应用仿生射流减阻技术， 加工出仿生。
10、射流表面旋转 圆盘测试模型， 通过与光滑表面旋转圆盘测试模型进行对比来衡量仿生射流表面的减阻效 果。 0003 目前， 评估仿生射流表面减阻效果的试验装置较少， 且多集中在旋转射流测试方 法， 如专利号为 ： 201110089369.0， 名称为 “评估仿生非光滑表面及仿生射流表面减阻效果 的试验装置” 和专利号为 ： 201120070969.8， 名称为 “一种对摩擦阻力测试的试验装置” ， 通 过筒体的旋转为主流场速度提供动力， 流速不好控制。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供结构简单、 操作容易、 测试准确的仿生射流表面流体摩擦 阻力测试装置及方法。 0005 本发明的目的是。
11、这样实现的 ： 0006 本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置， 其特征是 ： 包括支架、 步进电机、 密 封水箱、 水池、 第一空心水轴、 第二空心水轴、 水泵， 步进电机、 密封水箱、 水池、 水泵安装在 支架上， 步进电机位于密封水箱的下方， 密封水箱里设置螺旋桨， 步进电机连接螺旋桨， 第 一空心水轴通过配水环与第二空心水轴相连通， 第二空心水轴连通水泵， 水泵与水池通过 第一管路相连通， 水池与密封水箱通过第二管路相连通， 密封水箱和水池里均充有液体， 第 一空心水轴上安装传力杆， 传力杆的端部安装测力元件， 第一空心水轴与配水环相连处安 装动密封装置， 配水环为空心结构， 第一空。
12、心水轴位于配水环内的部分包含十字通孔结构， 来自水泵的水通过第二空心水轴进入配水环， 进而通过十字通孔结构进入第一空心水轴， 通过第一空心水轴的端部悬空和在第一空心水轴的端部安装光滑表面旋转圆盘测试模型、 仿生射流表面旋转圆盘模型从而测试仿生射流表面旋转圆盘模型的减阻性能。 0007 本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置还可以包括 ： 0008 1、 当第一空心水轴的端部安装仿生射流表面旋转圆盘模型时， 仿生射流表面旋转 圆盘模型上安装多孔射流器， 仿生射流表面旋转圆盘模型即为在光滑表面旋转圆盘测试模 型上设置射流孔， 来自水泵的水首先进入多孔射流器， 然后通过仿生射流表面旋转圆盘模 型的射。
13、流孔喷出。 0009 2、 多孔射流器里安装栅格整流板。 0010 3、 第一管路上安装溢流阀， 第二空心水轴上安装球阀和流量计。 说 明 书 CN 103759919 A 4 2/5 页 5 0011 本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试方法， 其特征是 ： 采用如下测试装置 ： 包 括支架、 步进电机、 密封水箱、 水池、 第一空心水轴、 第二空心水轴、 水泵， 步进电机、 密封水 箱、 水池、 水泵安装在支架上， 步进电机位于密封水箱的下方， 密封水箱里设置螺旋桨， 步进 电机连接螺旋桨， 第一空心水轴通过配水环与第二空心水轴相连通， 第二空心水轴连通水 泵， 水泵与水池通过第一管路相连通。
14、， 水池与密封水箱通过第二管路相连通， 密封水箱和水 池里均充有液体， 第一空心水轴上安装传力杆， 传力杆的端部安装测力元件， 第一空心水轴 与配水环相连处安装动密封装置， 配水环为空心结构， 第一空心水轴位于配水环内的部分 包含十字通孔结构， 来自水泵的水通过第二空心水轴进入配水环， 进而通过十字通孔结构 进入第一空心水轴， 通过第一空心水轴的端部悬空和在第一空心水轴的端部安装光滑表面 旋转圆盘测试模型、 仿生射流表面旋转圆盘模型从而测试仿生射流表面旋转圆盘模型的减 阻性能 ； 当第一空心水轴的端部安装仿生射流表面旋转圆盘模型时， 仿生射流表面旋转圆 盘模型上安装多孔射流器， 仿生射流表面旋。
15、转圆盘模型即为在光滑表面旋转圆盘测试模型 上设置射流孔， 来自水泵的水首先进入多孔射流器， 然后通过仿生射流表面旋转圆盘模型 的射流孔喷出 ； 0012 （1） 在第一空心水轴上安装光滑表面旋转圆盘测试模型， 步进电机开始工作， 带动 螺旋桨旋转， 通过与第一空心水轴固连的传力杆和测力元件测量光滑表面旋转圆盘测试模 型的阻力 F1， 随后将光滑表面旋转圆盘测试模型拆除， 测量第一空心水轴悬空时的阻力 F2， 测量测力元件与第一空心水轴之间的距离 L， 则光滑表面旋转圆盘测试模型引起的摩擦力 矩 Ms为 0013 Ms=(F1-F2)L ； 0014 （2） 在第一空心水轴上安装仿生射流表面旋转。
16、圆盘模型并在上仿生射流表面旋 转圆盘模型安装多孔射流器， 启动泵， 调节球阀、 溢流阀来调节泵的出口压力和流量计的流 量， 进而控制射流孔的射流速度， 启动步进电机， 保持在与步骤 （1） 步进电机转速相等采集 此时的力信号， 将此时测得的力和步骤 （1） 空转时的力之差与 L 相乘为该射流速度时仿生 射流表面旋转圆盘模型引起的摩擦力矩 Mj； 0015 （3） 用减阻率 DR 来评价仿生射流表面的减阻效果， 则 ： 0016 0017 本发明的优势在于 ： 本发明实现对仿生射流表面结构减阻效果测试及表面涂层减 阻结构效果测试， 信号采集系统结构简单， 操作容易， 测试准确 ； 测试圆盘表面可。
17、根据需要 加工出不同的射流孔直径和射流孔个数， 以检测不同射流参数对减阻特性的影响规律 ； 本 发明通过对比光滑表面测试圆盘和仿生射流表面测试圆盘引起的力矩来衡量仿生射流表 面的减阻效果， 通过对比光滑表面旋转圆盘测试模型和表面涂层旋转圆盘测试模型引起的 力矩来衡量表面涂层结构的减阻效果。 评估仿生射流表面结构及表面涂层结构减阻效果的 方法简单直观， 结果可靠。 附图说明 0018 图 1 为本发明的结构示意图 ； 0019 图 2 为本发明的摩擦力矩测量原理示意图。 说 明 书 CN 103759919 A 5 3/5 页 6 具体实施方式 0020 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述 。
18、： 0021 结合图 1 2， 本发明由步进电机 2， 弹性膜片联轴器 3， 螺旋桨 4， 传力杆 13， 测力 元件 14， 支架 1， 密闭水箱 6， 旋转圆盘测试模型 5， 多孔射流器 7， 伺服混合式步进电机驱动 器 20 和射流供给系统组成。其中， 多孔射流器 7 和旋转圆盘测试模型 5 固连， 多孔射流器 7内部装有栅格整流板8， 可以稳定射流速度， 旋转圆盘测试模型5上开有射流孔， 射流孔的 直径和射流孔个数可根据需要自行设计 ； 步进电机 2、 水泵 19 和密闭水箱 6 都固定在支架 1 上。步进电机 2 通过伺服混合式步进电机驱动器 20 来控制， 步进电机 2 通过弹性膜。
19、片联 轴器 3 带动螺旋桨 4 旋转， 为主流速度提供动力 ； 扭测力元件 14 通过传力杆 13 与安装有旋 转圆盘测试模型 5 的空心水轴 12 相连接， 测量流体对旋转圆盘测试模型 5 的摩擦力矩。 0022 如图2所示， 射流供给系统包括泵19、 溢流阀17、 球阀16、 流量计15和必要的管路 连接件， 其中溢流阀 17 的作用是调节泵 19 的出口压力， 通过调节溢流阀 17 和球阀 16 来改 变流量计 15 的流量， 继而控制射流孔 9 的射流速度。 0023 本发明的工作原理为 ： 0024 本发明通过泵 19、 溢流阀 17、 球阀 16 和流量计 15 来调节射流孔 9 。
20、的射流速度， 伺 服混合式步进电机驱动器 20 驱动步进电机 2 运动， 步进电机 2 与螺旋桨 3 相连接， 为主流 速度提供动力， 空心水轴 12 与旋转圆盘测试模型 5 相联接， 测力元件 14 通过传力杆 13 与 空心水轴 12 相连， 密闭水箱 6 内的旋转流体对旋转圆盘测试模型 5 产生摩擦阻力， 通过测 力元件 14 测得阻力值， 测量空心水轴 12 与测力元件 14 之间的距离， 二者的乘积即为空心 水轴 12 所受到的摩擦阻力矩。 0025 本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置， 包括旋转圆盘测试模型、 多孔射流 器、 步进电机、 伺服混合式步进电机驱动器、 弹性膜片联轴。
21、器、 空心水轴、 传力杆、 测力元件、 滚动轴承、 密闭水箱、 螺旋桨、 支架和射流供给系统。其中， 射流供给系统包括泵、 溢流阀、 球阀、 流量计和水箱， 溢流阀的作用是调节泵的出口压力， 通过球阀和流量计来控制射流流 量， 进而控制射流速度。 多孔射流器与旋转圆盘测试模型固连， 多孔射流器内部装有栅格整 流板， 可以稳定射流速度， 旋转圆盘测试模型开有射流孔， 射流孔的直径和个数可根据需要 自行设定。步进电机、 泵和密闭水箱固定在支架上。步进电机的转速通过伺服混合式步进 电机驱动器控制， 步进电机通过弹性膜片联轴器与螺旋桨相联接， 为主流速度提供动力， 测 力元件通过传力杆与空心水轴相联接。
22、， 水轴的末端安装有旋转圆盘测试模型。 0026 本发明仿生射流表面结构减阻效果的评价方法， 将流体对旋转圆盘测试模型的摩 擦阻力作用到空心水轴上， 产生扭矩信号， 通过测力元件测量旋转圆盘测试模型所受到的 扭转力， 测量测力元件与空心水轴之间的距离， 二者的乘积即为旋转圆盘测试模型所受到 的摩擦力矩， 拆除圆盘后测量相同转速时的扭矩信号， 两者之差即为旋转圆盘测试模型引 起的力矩， 改变射流速度， 测量相同主流速度不同射流速度时的扭矩信号。 将光滑表面测试 圆盘引起的摩擦力矩与某一射流速度时仿生射流表面测试圆盘引起的摩擦力矩相减， 所得 的差值与光滑表面测试圆盘引起的摩擦力矩的比值即为该射流。
23、速度时仿生射流表面的减 阻率。 0027 所述的流体摩擦阻力测试装置减阻效果的评价方法具体步骤为 ： 说 明 书 CN 103759919 A 6 4/5 页 7 0028 a、 安装光滑表面旋转圆盘测试模型5， 步进电机2开始工作， 带动螺旋桨4旋转， 在 密闭水箱 6 内形成稳定的流场， 测量旋转圆盘测试模型 5 的阻力 F1， 随后将圆盘拆除， 测量 空转时的阻力 F2， 测量测力元件与空心水轴之间的距离 L， 则光滑表面旋转圆盘测试模型引 起的摩擦力矩 Ms为 0029 Ms=(F1-F2)L 0030 b、 更换仿生射流表面旋转圆盘测试模型5， 将其安装在空心水轴12上， 启动泵19。
24、， 调节球阀 16、 溢流阀 17 来调节泵 19 的出口压力和流量计 15 的流量， 进而控制射流孔 9 的 射流速度， 启动电机 2， 保持在与步骤 a 电机转速相等采集此时的力信号， 将此时测得的力 和上一步空转时的力之差与 L 相乘就是该射流速度时仿生射流表面旋转圆盘测试模型引 起的摩擦力矩 Mj。 0031 c、 用减阻率 DR 来评价仿生射流表面的减阻效果 0032 0033 减阻率越大， 减阻效果越好。 0034 本发明通过对检测到的信息接收、 处理， 可以方便地评价仿生射流表面结构的减 阻效果， 本发明安装方便、 结构简单、 检测效果好， 适用于对仿生射流表面结构流体摩擦阻 力。
25、进行检测并评价其减阻效果。 0035 本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置， 该装置包括旋转圆盘测试模型 5、 多 孔射流器 7、 传力杆 13、 测力元件 14、 步进电机 2、 伺服混合式步进电机驱动器 20、 弹性膜片 联轴器 3、 螺旋桨 4、 密闭水箱 6、 空心水轴 12、 轴承 10、 支架 1、 泵 19、 溢流阀 17、 球阀 16、 流 量计 15、 水箱 18 ； 其中伺服混合式步进电机驱动器 20 与步进电机 2 相连， 步进电机 2 通过 弹性膜片联轴器 3 与螺旋桨 4 连接， 螺旋桨 4 带动密闭水箱 6 中的液体旋转， 为主流速度提 供动力 ； 传力杆13与空。
26、心水轴12相连， 旋转圆盘测试模型5安装在空心水轴12的末端 ； 所 述的步进电机 2、 泵 19 和密闭水箱 6 都固定在支架 1 上。 0036 多孔射流器 7 与旋转圆盘测试模型 5 固连， 多孔模型内部装有栅格整流板 8， 旋转 圆盘测试模型 5 上开有射流孔 9， 射流孔的直径和个数可以根据需要进行加工。 0037 进水管与空心水轴 12 之间通过旋转接头 11 相连接， 减小进水管对空心水轴 12 的 阻力。 0038 水箱6为密闭水箱， 水箱侧面有出水管接口， 水箱盖上有空心水轴12入口， 水箱盖 上水轴入口处装有滚动轴承 10， 减小密封水箱盖对空心水轴 12 的摩擦阻力。 0。
27、039 射流供给系统包括泵 19、 溢流阀 17、 球阀 16、 流量计 15 和水箱 18， 溢流阀 17 的作 用是调节泵 19 的出口压力， 调节球阀 16 的开度， 通过控制射流流量来控制射流速度。 0040 通过泵 19 向空心水轴 12 供水， 水轴中的水进入多孔射流器 7 经由栅格整流板 8 在旋转圆盘测试模型 4 上的射流孔 9 流出形成射流。 0041 螺旋桨 4 由步进电机 2 驱动， 采用三相伺服混合式步进电机驱动器 20 控制， 步进 电机 2 带动螺旋桨 4 在密闭水箱 5 内产生稳定的旋转流场。 0042 本发明仿生射流表面流体摩擦阻力测试装置的减阻效果评价方法， 步进电机 2 带 动螺旋桨 4 发生旋转， 密闭水箱 6 内的旋转流体对旋转圆盘测试模型 5 产生摩擦阻力， 空心 水轴12受到的摩擦阻力矩通过传力杆13传递到测力元件14中， 将测得的力与测力元件14 说 明 书 CN 103759919 A 7 5/5 页 8 和空心水轴12之间的距离的乘积即为旋转圆盘测试模型5的摩擦阻力矩， 通过对比相同电 机转速时光滑表面旋转圆盘和仿生射流表面旋转圆盘受到的摩擦力矩来评估仿生射流表 面的减阻效果。 说 明 书 CN 103759919 A 8 1/1 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103759919 A 9 。