一种表面沟槽结构的壁湍流阻力测试方法技术

本发明专利技术提供了一种表面沟槽结构的壁湍流阻力测试方法，包括：制备多个试样、装夹试样、设置测试初始条件；使滑块位于测试初始位置；启动高速摄像机开始拍摄；启动驱动物体，使其带动已安装有试样和试样夹具的滑块从导轨底部上升至顶部；全程记录驱动物体所带力传感器所反馈的实时牵引力数值；记录滑块的测试结束位置，停止高速摄像机的拍摄；分析高速摄像机拍摄的试样运动过程，获得牵引力‑时间变化曲线；重复执行上述步骤N次，获得试样的重复N次测试结果。本发明专利技术实现了表面沟槽结构的流体减阻效应的精确测试，可以测试不同表面沟槽结构的试样在不同流体环境工况下，处于不同驱动能耗、牵引驱动力或牵引速度时的流体减阻效应。

A method for measuring wall turbulence resistance on a surface trench structure

The invention provides a method for measuring wall turbulent resistance of a surface groove structure, including: preparing a plurality of specimens, clamping the specimens, setting the test initial conditions; positioning the slider at the test initial position; starting the high-speed camera to start shooting; starting the driving object so as to drive the slider with the sample and the sample clamp installed from The bottom of the guide rails rises to the top; the real-time pulling force feedback from the force sensor of the driving object is recorded; the position of the slider is recorded at the end of the test, and the shooting of the high-speed camera is stopped; the movement process of the sample taken by the high-speed camera is analyzed, and the pulling force time curve is obtained; and the above steps are repeated N times. The results of repeated N test were obtained. The invention realizes the accurate measurement of the fluid drag reduction effect of the surface groove structure, and can test the fluid drag reduction effect of the samples with different surface groove structure under different fluid environment conditions under different driving energy consumption, traction driving force or traction speed.

【技术实现步骤摘要】
一种表面沟槽结构的壁湍流阻力测试方法
本专利技术属于检测
，具体涉及一种表面沟槽结构的壁湍流阻力测试方法。
技术介绍
物体相对于流体运动所受的逆物体运动方向或沿来流速度方向的流体动力的分力称为流体阻力。由于液体的粘性作用，物体表面会产生与物面相切的摩擦力，全部摩擦力的合力称为摩擦阻力。在实际流体中，粘性作用下不仅会产生摩擦阻力，而且会使物面压强分布与理想流体中的分布有别，并产生压差阻力。海洋运输工具总阻力中表面摩擦阻力占有很大的比例，高达50％以上，严重影响水下航行器、水上船舶、流体运输的速度，所以提高能源利用率，节能降耗问题尤为突出。为此，目前已发展出多种液态流体减阻方法，主要分为“主动控制”和“被动控制”两类。主动控制技术通常基于流动控制元器件组成的MEMS(电磁力、等离子体、压电陶瓷、合成射流等)和闭环控制技术对流场动态实时监控，并根据流场的变化及时改变控制信号。被动控制技术则是通过对壁湍流实施以固定不变干扰和控制信号，如波形壁法、聚合物添加剂法、超疏水表面、仿生沟槽法等，削弱湍动能的生成，其具有操作简单，成本低的特点，尤其是超疏水表面具有自清洁、低附着、防腐以及能降低摩擦系数等特点，其自身特殊的浸润性，使其在入水时能够产生一层气膜，该气膜的存在有效隔绝了液固界面直接接触，把高摩擦力的液固两相接触面转变成低摩擦力的液固气三相接触面，从而实现优异的减阻效果。目前，测试固体表面沟槽结构的液态流体减阻效应尚无通用的标准化方法，一般采用管道(水洞)或循环水槽，通过并行设置工作段与对照段，将样品置于某工作段内，通过分别测试工作段与对照段的液流入口及出口处压力、流量、流速等参数，获得可以对比的不同固体表面沟槽结构对液流压力、流量、流速的影响数据，进而计算出不同固体表面沟槽结构的液态流体减阻效应(相对百分比)。这类测试方法的特征是测试过程中测试样件固定不动，仅测量测试样件表面相对于来流的粘滞阻力效应，因此高度依赖稳定、精确的液流控制，对应的管道(水洞)或循环水槽系统复杂、成本高，对超疏水表面、仿生沟槽法等的壁湍流流体减阻检测由于装夹不易、调节不方便，适用性不好。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提供了一种表面沟槽结构的壁湍流阻力测试方法，该测试方法可以模拟特定驱动能耗、特定牵引力、特定牵引速度等不同工况，具有精度高、对比性好、操作简单、测试结果稳定可靠等优点。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种表面沟槽结构的壁湍流阻力测试方法，包括如下步骤，(1)制备多个试样；所述试样为具有表面沟槽结构的平面或曲面形状样品，试样上设置有用于固定装夹的夹持部位；(2)装夹试样；任取一个试样，将其固定夹持在壁湍流阻力测试装置的试样夹具上；所述壁湍流阻力测试装置包括环境模拟单元、运动控制单元和拍摄记录单元；所述环境模拟单元包括管筒、叶轮机、隔板、加热管、温控器和外置控制器；所述管筒为一端开口、一端封闭的内空容器，沿重力方向竖直放置；管筒整体由透明材料制成或者其壁面沿轴向设有透明材料制成的观察窗；所述隔板为一平板，竖直设置于管筒内部，隔板的两个侧边与管筒的内壁为密封性固定连接，隔板将管筒的横截面平均分为两部分；隔板的上、下边与管筒的上开口端、下封闭端均留有间隔，使得当管筒注满测试液体后，隔板浸没于测试液体中，测试液体构成一个循环系统；所述加热管紧贴管筒的内壁沿轴向竖直放置于管筒内，且淹没于测试液体内，加热管自身带有测温传感器，与置于管筒外部的温控器通过导线电连接；所述叶轮机放置于管筒的底部，通过电缆与之相连的外置控制器对其电机转速进行精确调节，以控制流体流速制造不同的流体状态；所述运动控制单元包括导轨滑块机构、试样夹具、滑轮、滑轮绳和驱动物体；所述导轨滑块机构设置于管筒内部空腔中能够透明观察的一边，且与加热管分别位于隔板的两侧；所述导轨滑块机构包括一导轨和一滑块，所述导轨紧贴管筒的内壁沿轴向竖直布置并与管筒的壁面固定，导轨上下两端均设置有限位块；所述滑块能够沿重力方向竖直上下运动，且要求滑块的运动过程可被拍摄记录单元透过管筒壁面拍摄记录；所述试样夹具至少具有两个旋转自由度，其中一个旋转中心轴沿管筒轴向，另一个旋转中心轴沿管筒的任意一个径向；所述试样夹具用于安装固定试样，且能够通过两个旋转中心轴的配合调节试样的空间姿态；所述试样夹具与导轨滑块机构的滑块固定；所述滑轮固定安装在管筒的顶端，滑轮绳绕过滑轮，滑轮绳的一端与试样夹具相连，并使得滑轮绳被拉紧后其方向为沿着重力方向的竖直方向；滑轮绳的另一端与驱动物体相连，驱动物体位于管筒的外部，并使得滑轮绳被拉紧后其方向为沿着重力方向的竖直方向；所述拍摄记录单元为高速摄像机；(3)设置测试初始条件，具体包括：(3.1)将高速摄像机安装在支架上，并放置于管筒外，使其调整焦距后能够清晰拍摄试样被滑块带动沿重力方向从底部向上的竖直运动过程；(3.2)设置试样驱动力，即设置驱动物体的工作方式，使其按照设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式或设定牵引速度曲线方式这三种工作方式之一工作；所述驱动物体为一带有力传感器的重物块，所述力传感器用于实时测量反馈当前驱动物体对滑轮绳的拉力大小；所述设定驱动能耗方式是指通过改变重物块的质量来调节其重力势能的大小；所述设定牵引驱动力和设定牵引速度曲线方式是指由外部带有动态拉力仪的闭环控制伺服电机驱动系统拉动重物块沿重力方向以任一预先编程设定的牵引驱动力或牵引速度变化曲线向下运动；(3.3)测试环境设置；根据实验需要模拟的工况，向管筒内加注测试液体，控制叶轮机按照设定的转速运行以提供不同的流体速度，并由温控器和加热管协调工作控制流体温度，构造出具有设定雷诺数的流体状态；(4)使滑块位于导轨底部的测试初始位置；(5)启动高速摄像机开始拍摄，记录滑块的测试初始位置；(6)启动驱动物体，使其带动已安装有试样和试样夹具的滑块从导轨底部上升至顶部；全程记录驱动物体所带力传感器所反馈的实时牵引力数值；(7)记录滑块的测试结束位置，停止高速摄像机的拍摄；(8)测试数据处理和分析，包括如下：(8.1)通过视频图像处理软件，分析高速摄像机拍摄的试样运动过程，即分析试样随时间的空间位置变化，精确计算出试样在固定行程中的任意测试位置的速度、加速度、动能数值，亦即总耗时、速度-时间变化曲线、加速度-时间变化曲线、动能-时间变化曲线；(8.2)根据驱动物体的力传感器实时反馈当前驱动物体提供的牵引拉力数值，得到试样随时间变化的牵引驱动力数值，亦即牵引力-时间变化曲线；(9)重复执行步骤(4)～(8)N次，获得试样的重复N次测试结果，以计算试样在固定行程运动过程中的总耗时平均值、速度-时间变化平均值曲线、牵引力-时间变化平均值曲线；N为预先设定的大于1的任意整数；(10)对所有其他未测试的试样，重复执行步骤(2)～(9)，直至完成所有试样的测试；(11)通过分析步骤(1)～(10)得到的多组数据，得到同一试样以及不同试样在不同流体环境、不同迎流姿态工况下，处于不同设定恒定驱动力、驱动功耗或设定速度变化曲线时的流体减阻效应。优选的，步骤(1)中再准备一个表面未经处理、没有微结构的试样作为原始对照试样。本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术实现了表面沟槽结构的流体减阻效应的精确测试，可以测本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面沟槽结构的壁湍流阻力测试方法，其特征在于，包括如下步骤，(1)制备多个试样(13)；所述试样(13)为具有表面沟槽结构的平面或曲面形状样品，试样(13)上设置有用于固定装夹的夹持部位；(2)装夹试样；任取一个试样(13)，将其固定夹持在壁湍流阻力测试装置的试样夹具(12)上；所述壁湍流阻力测试装置包括环境模拟单元、运动控制单元和拍摄记录单元；所述环境模拟单元包括管筒(10)、叶轮机(15)、隔板(16)、加热管(14)、温控器(18)和外置控制器；所述管筒(10)为一端开口、一端封闭的内空容器，沿重力方向竖直放置；管筒(10)整体由透明材料制成或者其壁面沿轴向设有透明材料制成的观察窗；所述隔板(16)为一平板，竖直设置于管筒(10)内部，隔板(16)的两个侧边与管筒(10)的内壁为密封性固定连接，隔板(16)将管筒(10)的横截面平均分为两部分；隔板(16)的上、下边与管筒(10)的上开口端、下封闭端均留有间隔，使得当管筒(10)注满测试液体后，隔板(16)浸没于测试液体中，测试液体构成一个循环系统；所述加热管(14)紧贴管筒(10)的内壁沿轴向竖直放置于管筒(10)内，且淹没于测试液体内，加热管(14)自身带有测温传感器，与置于管筒(10)外部的温控器(18)通过导线(19)电连接；所述叶轮机(15)放置于管筒(10)的底部，通过电缆与之相连的外置控制器对其电机转速进行精确调节，以控制流体流速制造不同的流体状态；所述运动控制单元包括导轨滑块机构(8)、试样夹具(12)、滑轮(4)、滑轮绳(5)和驱动物体(6)；所述导轨滑块机构(8)设置于管筒(10)内部空腔中能够透明观察的一边，且与加热管(14)分别位于隔板(16)的两侧；所述导轨滑块机构(8)包括一导轨和一滑块，所述导轨紧贴管筒(10)的内壁沿轴向竖直布置并与管筒(10)的壁面固定，导轨上下两端均设置有限位块；所述滑块能够沿重力方向竖直上下运动，且要求滑块的运动过程可被拍摄记录单元透过管筒(10)壁面拍摄记录；所述试样夹具(12)至少具有两个旋转自由度，其中一个旋转中心轴沿管筒(10)轴向，另一个旋转中心轴沿管筒(10)的任意一个径向；所述试样夹具(12)用于安装固定试样(13)，且能够通过两个旋转中心轴的配合调节试样(13)的空间姿态；所述试样夹具(12)与导轨滑块机构(8)的滑块固定；所述滑轮(4)固定安装在管筒(10)的顶端，滑轮绳(5)绕过滑轮(4)，滑轮绳(5)的一端与试样夹具(12)相连，并使得滑轮绳(5)被拉紧后其方向为沿着重力方向的竖直方向；滑轮绳(5)的另一端与驱动物体(6)相连，驱动物体(6)位于管筒(10)的外部，并使得滑轮绳(5)被拉紧后其方向为沿着重力方向的竖直方向；所述拍摄记录单元为高速摄像机(3)；(3)设置测试初始条件，具体包括：(3.1)将高速摄像机(3)安装在支架(2)上，并放置于管筒(10)外，使其调整焦距后能够清晰拍摄试样被滑块带动沿重力方向从底部向上的竖直运动过程；(3.2)设置试样驱动力，即设置驱动物体(6)的工作方式，使其按照设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式或设定牵引速度曲线方式之一运行；所述驱动物体(6)为一带有力传感器的重物块，所述力传感器用于实时测量反馈当前驱动物体(6)对滑轮绳(5)的拉力大小；所述设定驱动能耗方式是指通过改变重物块的质量来调节其重力势能的大小；所述设定牵引驱动力和设定牵引速度曲线方式是指由外部带有动态拉力仪的闭环控制伺服电机驱动系统拉动重物块沿重力方向以任一预先编程设定的牵引驱动力或牵引速度变化曲线向下运动；(3.3)测试环境设置；根据实验需要模拟的工况，向管筒(10)内加注测试液体，控制叶轮机(15)按照设定的转速运行以提供不同的流体速度，并由温控器(18)和加热管(14)协调工作控制流体温度，构造出具有设定雷诺数的流体状态；(4)使滑块位于导轨底部的测试初始位置；(5)启动高速摄像机(3)开始拍摄，记录滑块的测试初始位置；(6)启动驱动物体(6)，使其带动已安装有试样和试样夹具的滑块从导轨底部上升至顶部；全程记录驱动物体(6)所带力传感器所反馈的实时牵引力数值；(7)记录滑块的测试结束位置，停止高速摄像机(3)的拍摄；(8)测试数据处理和分析，包括如下：(8.1)通过视频图像处理软件，分析高速摄像机(3)拍摄的试样运动过程，即分析试样随时间的空间位置变化，精确计算出试样在固定行程中的任意测试位置的速度、加速度、动能数值，亦即总耗时、速度‑时间变化曲线、加速度‑时间变化曲线、动能‑时间变化曲线；(8.2)根据驱动物体(6)的力传感器实时反馈当前驱动物体(6)提供的牵引拉力数值，得到试样随时间变化的牵引驱动力数值，亦即牵引力‑时间变化曲线；(9)重复执行步骤(4)～(8)N次，获得试样...

【技术特征摘要】
1.一种表面沟槽结构的壁湍流阻力测试方法，其特征在于，包括如下步骤，(1)制备多个试样(13)；所述试样(13)为具有表面沟槽结构的平面或曲面形状样品，试样(13)上设置有用于固定装夹的夹持部位；(2)装夹试样；任取一个试样(13)，将其固定夹持在壁湍流阻力测试装置的试样夹具(12)上；所述壁湍流阻力测试装置包括环境模拟单元、运动控制单元和拍摄记录单元；所述环境模拟单元包括管筒(10)、叶轮机(15)、隔板(16)、加热管(14)、温控器(18)和外置控制器；所述管筒(10)为一端开口、一端封闭的内空容器，沿重力方向竖直放置；管筒(10)整体由透明材料制成或者其壁面沿轴向设有透明材料制成的观察窗；所述隔板(16)为一平板，竖直设置于管筒(10)内部，隔板(16)的两个侧边与管筒(10)的内壁为密封性固定连接，隔板(16)将管筒(10)的横截面平均分为两部分；隔板(16)的上、下边与管筒(10)的上开口端、下封闭端均留有间隔，使得当管筒(10)注满测试液体后，隔板(16)浸没于测试液体中，测试液体构成一个循环系统；所述加热管(14)紧贴管筒(10)的内壁沿轴向竖直放置于管筒(10)内，且淹没于测试液体内，加热管(14)自身带有测温传感器，与置于管筒(10)外部的温控器(18)通过导线(19)电连接；所述叶轮机(15)放置于管筒(10)的底部，通过电缆与之相连的外置控制器对其电机转速进行精确调节，以控制流体流速制造不同的流体状态；所述运动控制单元包括导轨滑块机构(8)、试样夹具(12)、滑轮(4)、滑轮绳(5)和驱动物体(6)；所述导轨滑块机构(8)设置于管筒(10)内部空腔中能够透明观察的一边，且与加热管(14)分别位于隔板(16)的两侧；所述导轨滑块机构(8)包括一导轨和一滑块，所述导轨紧贴管筒(10)的内壁沿轴向竖直布置并与管筒(10)的壁面固定，导轨上下两端均设置有限位块；所述滑块能够沿重力方向竖直上下运动，且要求滑块的运动过程可被拍摄记录单元透过管筒(10)壁面拍摄记录；所述试样夹具(12)至少具有两个旋转自由度，其中一个旋转中心轴沿管筒(10)轴向，另一个旋转中心轴沿管筒(10)的任意一个径向；所述试样夹具(12)用于安装固定试样(13)，且能够通过两个旋转中心轴的配合调节试样(13)的空间姿态；所述试样夹具(12)与导轨滑块机构(8)的滑块固定；所述滑轮(4)固定安装在管筒(10)的顶端，滑轮绳(5)绕过滑轮(4)，滑轮绳(5)的一端与试样夹具(12)相连，并使得滑轮绳(5)被拉紧后其方向为沿着重力方向的竖直方向；滑轮绳(5)的另一端与驱动物体(6)相连，驱动物体(6)位于管筒(10)的外部，并使得滑轮绳(5)被拉紧后其方向为沿着重力方向的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宇，赵秀菊，薛伟，杨焕，冯光，吕永好，李小刚，
申请(专利权)人：温州大学激光与光电智能制造研究院，
类型：发明
国别省市：浙江,33