一种材料表面流体阻力测试方法技术

本发明专利技术提供了一种材料表面流体阻力测试方法，包括：准备多个实验样品、装夹实验样品、设置测试初始条件；调节滑块的位置，使得滑块位于直线导轨的第一端；启动激光测距仪开始测距，启动驱动物体，使其可以按设定驱动能耗方式、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；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；之后停止激光测距仪的测距；测试数据处理和分析；重复执行上述步骤获得多次测试结果。本发明专利技术实现了实验样品表面湍流阻力、表面微结构减阻效应的精确测试，可以测试不同试样在不同流体环境、不同迎流姿态工况下，处于不同设定驱动能耗、设定牵引驱动力、设定牵引速度曲线时的流体减阻效应。

【技术实现步骤摘要】
一种材料表面流体阻力测试方法
本专利技术属于流体检测领域，具体涉及材料表面流体阻力测试方法。
技术介绍
当物体在水等黏性流体中运动时，与相对运动的流体之间会存在动量传递，即流体会对物体产生阻碍其运动的反作用力，该阻力也称之为流体阻力。流体阻力通常分为摩擦阻力和压差阻力，摩擦阻力是物体表面剪切力产生的流动阻力，其方向与流体的相对运动方向相反，而压差阻力则是垂直于物体表面的压力产生的对物体运动的阻力，以物体运动时流体绕过物体为例，这两种阻力与物体的形状、物体的特征长度和物体表面的粗糙度相关。目前如何有效降低船舶行驶及管道运输中的流体阻力成为提高船舶行驶性能、管道运输能力及节省燃料的关键，而如何对不同形状、尺寸和表面粗糙度的物体运动过程中的流体阻力进行简便快速的测试成为这一研究领域中的重要一环。目前用于流体测试的装置主要有拖曳水池、水洞和循环水槽，拖曳水池是采用电动拖车牵引船模而进行的，测试过程中采用拖车在不同速度下等速拖曳船模，根据匀速运动下物体所受外力平衡的原理，通过测试拖曳拉力来获得船模不同速度下的综合阻力，再采用弗劳德定律换算成相当速度下的实船阻力；水洞是一个流速和压力可以分别控制的水循环系统，与拖曳水池正好相反，在水洞中移动的不是试验物体，而是可控水流，通过制造高速水流对不同湍流状态下的船舶行驶阻力进行测试；与水洞类似，循环水槽采用模型固定不动，水流均匀流动时对水下航行器等简单几何体的所受到的力进行测试。以上装置从宏观和微观两个方面对船体和简单几何模型运动过程中的流体阻力进行测试，但仍然存在不足，如拖曳水池对实验场地的面积和成本要求较高，并不适合单一曲面的简单快速测试，而水洞和循环水槽利用的是相对运动的原理来模拟物体运动时的状态，与物体真实运动状态相比存在一定的误差，同时当前测试均为匀速状态下对流体阻力进行测试，需要对不同速度下物体的阻力进行拟合，测试过程较繁琐，而船体真实运动时则是船载发动机施加驱动力后船体由静止转变为加速运动，待阻力与施加动力相等时船体达到匀速运动状态，因此目前缺乏模拟具有船载发动机驱动工况下的船体壁面阻力变化的简单测试装置。
技术实现思路
本专利技术针对已有测试技术的不足，提供了一种材料表面流体阻力测试方法，通过该测试方法可测量不同形状试样在不同种流体状态、不同姿态、不同驱动工况下的流体阻力。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种材料表面流体阻力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)准备多个实验样品；所述实验样品为平面或曲面形状样品，所述实验样品的形状、尺寸和表面粗糙度数据中至少有一个与其它实验样品不相同；(2)装夹实验样品；任取一个实验样品，将其固定夹持在材料表面流体阻力测试装置中的试样夹具上；所述材料表面流体阻力测试装置包括环境模拟单元、运动控制单元和测试记录分析单元；所述环境模拟单元包括循环水槽、叶轮机、加热管和温控器；所述循环水槽为一环形管道，包括直工作段和过渡段两部分，所述直工作段为长度不小于0.5米且表面对应开有敞口槽的直管；循环水槽的放置方式要求使得直工作段呈水平状态且其海拔为整个循环水槽的最高；所述循环水槽内部注有测试液体，所述直工作段上表面的敞口槽和液面均与重力方向垂直，且测试液体在测试过程中不溢出；所述叶轮机安装在循环水槽内的过渡段部分，叶轮机内置防水电机和转速控制器，用于通过转速控制器对电机的转速进行精确调节，使循环水槽内部的测试液体形成循环湍流；所述加热管通过两端的支撑架水平固定安装在循环水槽内的过渡段部分，所述温控器设置在循环水槽的外部，通过导线与加热管电连接，加热管与温控器联合构成闭环温控系统；所述运动控制单元包括直线导轨、滑块、试样夹具、滑轮、滑轮绳和驱动物体；所述直线导轨水平设置于直工作段的敞口槽上方，其两端分别固定在循环水槽内侧的两端，滑块可滑移的安装在直线导轨上，且滑块的滑移方向与敞口槽下方的液面平行；所述试样夹具呈平板状，用于装夹实验样品；所述试样夹具的整体尺寸小于实验样品，以使得实验样品能够完全覆盖试样夹具；所述试样夹具通过一至少带有两个旋转自由度的姿态调整机构与滑块连接；所述滑轮固定安装在外部支架上，滑轮绳绕过滑轮，滑轮绳的一端与设置在循环水槽外部的驱动物体连接，并使得滑轮绳被拉紧后该段的方向为沿着重力方向的竖直方向；滑轮绳的另一端穿过循环水槽侧壁上的通孔与滑块连接，并使得滑轮绳被拉紧后该段的方向为水平方向；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；所述驱动物体具有设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式和设定牵引速度曲线方式三种工作方式；所述测试记录分析单元包括激光测距仪和计算机；所述激光测距仪水平安装于直线导轨下方、测试液体液面上方；所述激光测距仪的出射激光束沿水平方向，出射激光束被滑块的表面反射回激光测距仪的光电传感器；所述计算机与激光测距仪和驱动物体均相连，用于接收流体阻力测试过程中实验样品的位移和拉力；(3)测试初始条件设置，包括：(3.1)设置测试记录分析单元即设置激光测距仪，使其调整后的出射激光束沿水平方向，并能够被滑块的表面反射回激光测距仪的光电传感器，从而可实时获取滑块的位置，进而获得实验样品的位置；(3.2)设置试样驱动条件，即设置驱动物体的工作方式，使其可以按设定驱动能耗方式、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运行；(3.3)测试环境设置；向循环水槽内加注测试液体，使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)调节滑块的位置，使得滑块位于直线导轨的第一端，所述第一端是指与驱动物体距离最远的一端；(5)启动激光测距仪开始测距，即记录滑块的测试初始位置；(6)启动驱动物体，使其可以按设定驱动能耗方式、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，带动已安装有实验样品和试样夹具的滑块从直线导轨的第一端平行运动到另一端；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，之后停止激光测距仪的测距；(8)测试数据处理和分析，包括如下：(8.1)根据激光测距仪实时反馈的实验样品随时间变化的位置数据，精确计算出实验样品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，得到实验样品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，获得同一实验样品的重复N次测试结果，以计算实验样品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、加速度-时间变化平均值曲线、动能-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实验样品，重复执行步骤(2)～(9)，直至完成所有实验样品的测试；(11)通过分析步骤(1)～(10)得到的多组数据，得到同一实验样品以及不同实验样品在不同流体环境、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。本专利技术具有如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种材料表面流体阻力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)准备多个实验样品(14)；所述实验样品(14)为平面或曲面形状样品，所述实验样品(14)的形状、尺寸和表面粗糙度数据中至少有一个与其它实验样品(14)不相同；(2)装夹实验样品(14)；任取一个实验样品(14)，将其固定夹持在材料表面流体阻力测试装置中的试样夹具(12)上；所述材料表面流体阻力测试装置包括环境模拟单元、运动控制单元和测试记录分析单元；所述环境模拟单元包括循环水槽(10)、叶轮机(5)、加热管(17)和温控器(16)；所述循环水槽(10)为一环形管道，包括直工作段和过渡段两部分，所述直工作段为长度不小于0.5米且表面对应开有敞口槽的直管；循环水槽(10)的放置方式要求使得直工作段呈水平状态且其海拔为整个循环水槽(10)的最高；所述循环水槽(10)内部注有测试液体(6)，所述直工作段上表面的敞口槽和液面均与重力方向垂直，且测试液体在测试过程中不溢出；所述叶轮机(5)安装在循环水槽(10)内的过渡段部分，叶轮机(5)内置防水电机和转速控制器，用于通过转速控制器对电机的转速进行精确调节，使循环水槽(10)内部的测试液体形成循环湍流；所述加热管(17)通过两端的支撑架水平固定安装在循环水槽(10)内的过渡段部分，所述温控器(16)设置在循环水槽(10)的外部，通过导线与加热管(17)电连接，加热管(17)与温控器(16)联合构成闭环温控系统；所述运动控制单元包括直线导轨(3)、滑块(8)、试样夹具(12)、滑轮(1)、滑轮绳(2)和驱动物体(4)；所述直线导轨(3)水平设置于直工作段的敞口槽上方，其两端分别固定在循环水槽(10)内侧的两端，滑块(8)可滑移的安装在直线导轨(3)上，且滑块(8)的滑移方向与敞口槽下方的液面平行；所述试样夹具(12)呈平板状，用于装夹实验样品(14)；所述试样夹具(12)的整体尺寸小于实验样品(14)，以使得实验样品(14)能够完全覆盖试样夹具(12)；所述试样夹具(12)通过一至少带有两个旋转自由度的姿态调整机构(11)与滑块(8)连接；所述滑轮(1)固定安装在外部支架(9)上，滑轮绳(2)绕过滑轮(1)，滑轮绳(2)的一端与设置在循环水槽(10)外部的驱动物体(4)连接，并使得滑轮绳(2)被拉紧后该段的方向为沿着重力方向的竖直方向；滑轮绳(2)的另一端穿过循环水槽(10)侧壁上的通孔与滑块(8)连接，并使得滑轮绳(2)被拉紧后该段的方向为水平方向；所述驱动物体(4)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(4)对滑轮绳(2)的拉力大小；所述驱动物体(4)具有设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式和设定牵引速度曲线方式三种工作方式；所述测试记录分析单元包括激光测距仪(7)和计算机(15)；所述激光测距仪(7)水平安装于直线导轨(3)下方、测试液体液面上方；所述激光测距仪(7)的出射激光束沿水平方向，出射激光束被滑块(8)的表面反射回激光测距仪(7)的光电传感器；所述计算机(15)与激光测距仪(7)和驱动物体(4)均相连，用于接收流体阻力测试过程中实验样品(14)的位移和拉力；(3)测试初始条件设置，包括：(3.1)设置测试记录分析单元即设置激光测距仪(7)，使其调整后的出射激光束沿水平方向，并能够被滑块(8)的表面反射回激光测距仪(7)的光电传感器，从而可实时获取滑块(8)的位置，进而获得实验样品(14)的位置；(3.2)设置试样驱动条件，即设置驱动物体(4)的工作方式，使其可以按设定驱动能耗方式、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运行；(3.3)测试环境设置；向循环水槽(10)内加注测试液体，使叶轮机(5)按照设定的转速运行以提供不同的流体速度，并由温控器(16)和加热管(17)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)调节滑块(8)的位置，使得滑块(8)位于直线导轨(3)的第一端，所述第一端是指与驱动物体(6)距离最远的一端；(5)启动激光测距仪(7)开始测距，即记录滑块(8)的测试初始位置；(6)启动驱动物体(4)，使其可以按设定驱动能耗方式、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，带动已安装有实验样品(14)和试样夹具(12)的滑块(8)从直线导轨(3)的第一端平行运动到另一端；全程记录驱动物体(4)所带力传感器所反馈的实时牵引力数值；(7)记录滑块(8)的测试结束位置，之后停止激光测距仪(7)的测距；(8)测试数据处理和分析，包括如下：(8.1)根据激光测距仪(7)实时反馈的实验样品(14)随时间变化的位置数据，精确计算出实验样品(14)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...

【技术特征摘要】
1.一种材料表面流体阻力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)准备多个实验样品(14)；所述实验样品(14)为平面或曲面形状样品，所述实验样品(14)的形状、尺寸和表面粗糙度数据中至少有一个与其它实验样品(14)不相同；(2)装夹实验样品(14)；任取一个实验样品(14)，将其固定夹持在材料表面流体阻力测试装置中的试样夹具(12)上；所述材料表面流体阻力测试装置包括环境模拟单元、运动控制单元和测试记录分析单元；所述环境模拟单元包括循环水槽(10)、叶轮机(5)、加热管(17)和温控器(16)；所述循环水槽(10)为一环形管道，包括直工作段和过渡段两部分，所述直工作段为长度不小于0.5米且表面对应开有敞口槽的直管；循环水槽(10)的放置方式要求使得直工作段呈水平状态且其海拔为整个循环水槽(10)的最高；所述循环水槽(10)内部注有测试液体(6)，所述直工作段上表面的敞口槽和液面均与重力方向垂直，且测试液体在测试过程中不溢出；所述叶轮机(5)安装在循环水槽(10)内的过渡段部分，叶轮机(5)内置防水电机和转速控制器，用于通过转速控制器对电机的转速进行精确调节，使循环水槽(10)内部的测试液体形成循环湍流；所述加热管(17)通过两端的支撑架水平固定安装在循环水槽(10)内的过渡段部分，所述温控器(16)设置在循环水槽(10)的外部，通过导线与加热管(17)电连接，加热管(17)与温控器(16)联合构成闭环温控系统；所述运动控制单元包括直线导轨(3)、滑块(8)、试样夹具(12)、滑轮(1)、滑轮绳(2)和驱动物体(4)；所述直线导轨(3)水平设置于直工作段的敞口槽上方，其两端分别固定在循环水槽(10)内侧的两端，滑块(8)可滑移的安装在直线导轨(3)上，且滑块(8)的滑移方向与敞口槽下方的液面平行；所述试样夹具(12)呈平板状，用于装夹实验样品(14)；所述试样夹具(12)的整体尺寸小于实验样品(14)，以使得实验样品(14)能够完全覆盖试样夹具(12)；所述试样夹具(12)通过一至少带有两个旋转自由度的姿态调整机构(11)与滑块(8)连接；所述滑轮(1)固定安装在外部支架(9)上，滑轮绳(2)绕过滑轮(1)，滑轮绳(2)的一端与设置在循环水槽(10)外部的驱动物体(4)连接，并使得滑轮绳(2)被拉紧后该段的方向为沿着重力方向的竖直方向；滑轮绳(2)的另一端穿过循环水槽(10)侧壁上的通孔与滑块(8)连接，并使得滑轮绳(2)被拉紧后该段的方向为水平方向；所述驱动物体(4)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(4)对滑轮绳(2)的拉力大小；所述驱动物体(4)具有设定驱动能耗方式、设定牵引驱动力方式和设定牵引速度曲线方式三种工作方式；所述测试记录分析单元包括激光测距仪(7)和计算机(15)；所述激光测距仪(7)水平安装于直线导轨(3)下方、测试液体液面上方；所述激光测距仪(7)的出射激光束沿水平方向，出射激光束被滑块(8)的表面反射回激光测距仪(7)的光电传感器；所述计算机(15)与激光测距仪(7)和驱动物体(4)均相连，用于接收流体阻力测试过程中实验样品(14)的位移和拉力；(3)测试初始条件设置，包括：(3.1)设置测试记录分析单元即设置激光测距仪(7)，使其调整后的出射激光束沿水平方向，并能够被滑块(8)的表面反射回激光测距仪(7)的光电传感器，从而可实时获取滑块(8)的位置，进而获得实验样品(14)的位置；(3.2)设置试样驱动条件，即设置驱动物体(4)的工作方式，使其可以按设定驱动能耗方式、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运行；(3.3)测试环境设置；...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨焕，薛伟，曹宇，赵秀菊，李涛，叶总一，刘文文，
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