CN103743542B - 评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置及方法，包括水箱、离心泵、可拆卸矩形测试管道、多孔射流器、高精度差压计、电磁流量计、调速阀、溢流阀和必要的回路连结件组成。多孔射流器内部装有整流板，可以提供稳定的射流，在射流入口两端各开设一个测压孔，将该两点的压力引入高精度差压计，以测取该两点间的差压。通过对比射流前后压差的大小来评估多孔仿生射流表面的减阻效果。本发明试验装置能够实现对多孔仿生射流表面及表面涂层结构减阻效果的测试，亦能进行常规流体力学试验；供水部分通过协调离心泵、阀、流量计等元器件，可以精确的控制试验模型的射流速度和主流速度，模拟多种射流环境。

Description

评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种试验装置和试验方法，具体地说是测试流体对不同结构表面摩擦阻力的试验装置和试验方法。

背景技术

目前，国内外相关学者对流体与固体界面之间的运动减阻问题进行了广泛深入的理论探索及应用研究，并成功的在多方面取得了较为显著的进展。由于减阻问题能够直接影响到装备的能耗和力学性能，所以此问题的研究一直受到各国专家学者的关注，其研究方法主要从理论分析、数值模拟、模型试验等方面进行研究，最后通过比较试验装置中测试样件的减阻性能并得出所需结论，进而再投入到工程实际应用中。试验方法作为研究流体减阻的重要手段，对推进流体减阻理论的发展起到了非常重要的作用，流体力学新现象和新理论的提出，一般需要对流体进行大量测试试验。仿生射流表面能够减小流体与固体之间的摩擦阻力，减阻效果明显，是一种全新的减阻技术，当前对于此项技术的研究主要集中在理论分析与数值模拟阶段，因其还没有一套完整的射流表面测试试验装置，因此模型试验还无法完成。传统的减阻试验研究大多在水洞、水槽或水池拖曳等环境中进行，但是，由于其造价昂贵、耗资巨大、体积庞大、日常维护困难、噪声大、试验条件不易控制、试验模型复杂，在试验条件的各个方面都具有一定的局限性，并且以上所述装置均无法进行射流表面减阻试验的研究，因此，研究设计一台成本低廉、结构简单、试验方便的射流减阻测试试验装置显得尤为重要。

目前，非光滑表面和射流表面的减阻测试装置多集中在旋转射流测试方法，消耗了更多的湍动能。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”。

发明内容

本发明的目的在于提供能够用于测试流体对不同结构表面摩擦阻力的评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是：包括水箱、泵、测试管道、压差计，水箱里充有液体，测试管道的下壁上安装光滑表面槽道盖板或多孔仿生射流表面槽道盖板，水箱通过第一管路连通泵，泵通过第二管路连通测试管道的入口，试验管道的出口通过第三管路连通水箱，光滑表面槽道盖板上设置第一组测压孔，多孔仿生射流表面槽道盖板上设置第二组测压孔，第一组测压孔和第二组测压孔均有两个、且所处位置相同；当测试管道的下壁上安装多孔仿生射流表面槽道盖板时，多孔仿生射流表面槽道盖板上安装多孔射流器，第二管路上引出第四管路，第四管路连通多孔射流器，第二组测压孔分别位于多孔射流器的两侧，压差计的两端分别安装在第二组测压孔的两个孔处；当测试管道的下壁上安装光滑表面槽道盖板时，压差计的两端分别安装在第一组测压孔的两个孔处。

本发明评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置还可以包括：

1、泵与第四管路之间的第二管路上引出第五管路，第五管路连通水箱。

2、第二管路上安装第一调速阀、流量计、第一压力表，第四管路上安装球阀、第二调速阀、第二压力表。

3、第五管路上安装溢流阀。

4、所述的测试管道为矩形，测试管道的内部包括矩形槽道。

本发明评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验方法，其特征是：采用如下试验装置：包括水箱、泵、测试管道、压差计，水箱里充有液体，测试管道的下壁上安装光滑表面槽道盖板或多孔仿生射流表面槽道盖板，水箱通过第一管路连通泵，泵通过第二管路连通测试管道的入口，试验管道的出口通过第三管路连通水箱，光滑表面槽道盖板上设置第一组测压孔，多孔仿生射流表面槽道盖板上设置第二组测压孔，第一组测压孔和第二组测压孔均有两个、且所处位置相同；当测试管道的下壁上安装多孔仿生射流表面槽道盖板时，多孔仿生射流表面槽道盖板上安装多孔射流器，第二管路上引出第四管路，第四管路连通多孔射流器，第二组测压孔分别位于多孔射流器的两侧，压差计的两端分别安装在第二组测压孔的两个孔处；当测试管道的下壁上安装光滑表面槽道盖板时，压差计的两端分别安装在第一组测压孔的两个孔处；

泵与第四管路之间的第二管路上引出第五管路，第五管路连通水箱；第二管路上安装第一调速阀、流量计、第一压力表，第四管路上安装球阀、第二调速阀、第二压力表；第五管路上安装溢流阀；

（1）测试管道的下壁上安装光滑表面槽道盖板，关闭球阀，启动泵，通过调节溢流阀来调节泵的出口压力，通过第一调速阀和第一流量计来调节测试管道里的流体速度即主流速度，同时记录差压计测得的压力差p_s；

（2）取下光滑表面槽道盖板，并在测试管道的下壁上安装多孔仿生射流表面槽道盖板，在多孔仿生射流表面槽道盖板上安装多孔射流器，打开球阀，通过调节第二调速阀来调节射流速度，保持与步骤（1）的主流速度相等，同时记录下不同射流速度时差压计测得的压力差p_j；

（3）多孔仿生射流表面槽道盖板的减阻效果用减阻率DR来表示，则：

$\mathrm{DR}=100\%\×\frac{p_s-p_j}{p_s}.$

本发明的优势在于：本发明造价低、结构紧凑、体积小、日常维护方便、噪声低；试验装置能够实现对多孔仿生射流表面及表面涂层结构减阻效果的测试，亦能进行常规流体力学试验；供水部分通过协调离心泵、阀、流量计等元器件，可以精确的控制试验模型的射流速度和主流速度，模拟多种射流环境；试验过程中实现了水的循环利用，环保节能，无污染。

本发明采用高精度差压计对仿生射流表面的流体摩擦阻力进行测试并对其减阻效果进行评价。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2a为本发明的矩形槽道示意图a，图2b为本发明的矩形槽道示意图b，图2c为本发明的矩形槽道示意图c；

图3为本发明的槽道盖板示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～3，本发明包括水箱1、离心泵2、可拆卸矩形测试管道8、高精度差压计17、电磁流量计5、调速阀4、20、压力表6、10、多孔射流器18、溢流阀3和必要的回路连结件组成。其中可拆卸矩形测试管道8包括矩形槽道14和槽道盖板15两部分，当需要测量不同表面结构的减阻效果时只需要更换槽道盖板15即可；多孔射流器18内部装有栅格整流板12，可以使得多孔射流的射流流体更加均匀稳定。在槽道盖板15上沿流动方向开设两个测压孔16，将该两点的压力引入高精度差压计17，以测取该两点间的压力差，通过对比光滑表面槽道盖板和装有多孔射流器的槽道盖板时测得的压力差来评估多孔仿生射流表面的减阻效果。

本发明的多孔仿生射流表面减阻效果评价方法的具体步骤为：

a、在可拆卸矩形测试管道上安装光滑表面槽道盖板并关闭射流管路上的球阀，启动离心泵，通过调节溢流阀来调节泵的出口压力，通过调速阀和流量计来调节矩形测试管道的主流速度，同时记录高精度差压计测得的压力差p_s；

b、在可拆卸矩形测试管道上安装多孔射流表面槽道盖板和多孔射流器，打开球阀，通过调节调速阀来调节射流速度，保持与步骤a的主流速度相等，同时记录下不同射流速度时高精度差压计测得的压力差p_j；

c、多孔仿生射流表面的减阻效果用减阻率DR来表示，计算方法为：

$\mathrm{DR}=100\%\×\frac{p_s-p_j}{p_s};$

减阻率DR越大，减阻效果越好。本发明的主流速度、射流速度、射流孔个数、射流孔直径可调，可以对多个减阻效果的影响因素进行分析。

本发明包括主流循环管路、射流循环管路两部分组成。主流循环管路包括水箱1、离心泵2、溢流阀3、调速阀4、电磁流量计5、压力表6、测试管道8、两个测压孔16、高精度差压计17和必要的回路连接件。其中两个测压孔16与高精度差压计17相连接，且两个测压孔16分别位于射流管入口19的两侧，用于测量两点的压力差，并通过对比射流前后两点的压力差的变化来评估多孔仿生射流表面的减阻效果。

射流管路包括水箱1、离心泵2、溢流阀3、调速阀20、压力表10、射流管入口19、球阀9和必要的回路连接件。射流孔个数、射流孔直径、射流速度和主流速度可调，通过对比光滑表面槽道盖板和射流表面槽道盖板测得的压力差来评估多孔仿生射流表面各因素的减阻效果。

多孔仿生射流表面减阻效果的评价方法的具体步骤为：

a、在可拆卸矩形测试管道8上安装光滑表面槽道盖板并关闭射流管路上的球阀9，启动离心泵2，通过调节溢流阀3来调节泵2的出口压力，通过调速阀4和流量计5来调节矩形测试管道8的主流速度，同时记录高精度差压计17测得的压力差p_s；

b、在可拆卸矩形测试管道8上安装多孔射流表面槽道盖板和多孔射流器18，打开球阀9，通过调节调速阀20来调节射流速度，保持与步骤a的主流速度相等，同时记录下不同射流速度时高精度差压计17测得的压力差p_j；

c、多孔仿生射流表面的减阻效果用减阻率DR来表示，计算方法为：

$\mathrm{DR}=100\%\×\frac{p_s-p_j}{p_s};$

减阻率DR越大，减阻效果越好。

d、分别改变主流速度、射流速度、射流孔个数、射流孔直径四个减阻因素中的一个因素或多个因素，记录差压计测得的压力差，并与相同主流速度下的光滑表面时测得的压力差进行对比，可以对单因素和多因素耦合情况下的减阻效果进行分析。

本发明的工作原理为：

本发明通过驱动离心泵2给主流循环管路和射流循环管路供水，通过溢流阀3调节离心泵2的出口压力。通过调节调速阀4和调速阀20来分别调节测试测试管道的入口7和射流管入口19的速度。在槽道盖板15上射流管入口19左右开设两个测压孔16，将测得的压力值引入高精度差压计17，通过对光滑表面槽道盖板和射流表面槽道盖板测得的压差值进行比较来检测多孔仿生射流表面的减阻效果。

本发明评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置，包括水箱1、离心泵2、溢流阀3、调速阀4和20、球阀9、电磁流量计5、压力表6和10、可拆卸矩形测试管道8、多孔射流器18、高精度差压计17和必要的回路连结件组成；其中，多孔射流器18包括射流孔板11和栅格整流板12两部分。

在离心泵2的出口处安装了溢流阀3，可以调节泵2的出口压力。

在主流管路和射流支路上分别安装了调速阀4和20以及压力表6和10，可以分别调节可拆卸矩形测试管道8和射流管入口19的速度。

可拆卸矩形测试管道8包括矩形槽道14和槽道盖板15两部分，可以根据测量对象的不同更换槽道盖板15即可。

在槽道盖板15上的多孔射流器18安装位置的两侧沿流向方向开设两个测压孔16，将两点的压力引入高精度差压计17，以测得矩形测试管道两点的压力差。

通过改变射流孔板11上的射流孔个数以及射流孔直径，可以评估不同射流孔直径时多孔仿生射流表面的减阻效果。

本发明评估多孔仿生射流表面减阻效果的方法：当槽道盖板15为未加射流时的光滑表面时，通过调速阀4、电磁流量计5和压力表6来调节矩形测试管道8的入口速度，同时记录下不同主流速度时差压计测得的压力差；将光滑表面槽道盖板换成装有多孔射流器18的射流表面槽道盖板15，通过调节调速阀20来调节射流入口的速度，同时记录下不同射流速度时差压计测得的压力差，通过对比相同主流速度时光滑表面和多孔仿生射流表面的压力差来评估多孔仿生射流表面的减阻效果。

评估多孔仿生射流表面减阻效果的方法具体步骤为：

a、在可拆卸矩形测试管道8上安装光滑表面槽道盖板并关闭射流管路上的球阀9，启动离心泵2，通过调节溢流阀3来调节泵2的出口压力，通过调速阀4和流量计5来调节矩形测试管道8的主流速度，同时记录高精度差压计17测得的压力差p_s；

b、在可拆卸矩形测试管道8上安装多孔射流表面槽道盖板和多孔射流器18，打开球阀9，通过调节调速阀20来调节射流速度，保持与步骤a的主流速度相等，同时记录下不同射流速度时高精度差压计17测得的压力差p_j；

c、多孔仿生射流表面的减阻效果用减阻率DR来表示，计算方法为：

$\mathrm{DR}=100\%\×\frac{p_s-p_j}{p_s};$

减阻率DR越大，减阻效果越好。本发明的主流速度、射流速度、射流孔个数、射流孔直径可调，可以对多个减阻效果的影响因素进行分析。

Claims (10)

1.评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是：包括水箱、泵、测试管道、压差计，水箱里充有液体，测试管道的下壁上安装光滑表面槽道盖板或多孔仿生射流表面槽道盖板，水箱通过第一管路连通泵，泵通过第二管路连通测试管道的入口，测试管道的出口通过第三管路连通水箱，光滑表面槽道盖板上设置第一组测压孔，多孔仿生射流表面槽道盖板上设置第二组测压孔，第一组测压孔和第二组测压孔均有两个、且所处位置相同；当测试管道的下壁上安装多孔仿生射流表面槽道盖板时，多孔仿生射流表面槽道盖板上安装多孔射流器，第二管路上引出第四管路，第四管路连通多孔射流器，第二组测压孔分别位于多孔射流器的两侧，压差计的两端分别安装在第二组测压孔的两个孔处；当测试管道的下壁上安装光滑表面槽道盖板时，压差计的两端分别安装在第一组测压孔的两个孔处。

2.根据权利要求1所述的评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是：泵与第四管路之间的第二管路上引出第五管路，第五管路连通水箱。

3.根据权利要求1或2所述的评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是：第二管路上安装第一调速阀、流量计和第一压力表，第四管路上安装球阀、第二调速阀和第二压力表。

4.根据权利要求2所述的评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是：第五管路上安装溢流阀。

5.根据权利要求4所述的评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是：第二管路上安装第一调速阀、流量计和第一压力表，第四管路上安装球阀、第二调速阀和第二压力表。

6.根据权利要求1或2所述的评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是：所述的测试管道为矩形，测试管道的内部包括矩形槽道。

7.根据权利要求3所述的评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是：所述的测试管道为矩形，测试管道的内部包括矩形槽道。

8.根据权利要求4所述的评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是：所述的测试管道为矩形，测试管道的内部包括矩形槽道。

9.根据权利要求5所述的评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验装置，其特征是：所述的测试管道为矩形，测试管道的内部包括矩形槽道。

10.评估多孔仿生射流表面减阻效果的试验方法，其特征是：采用如下试验装置：包括水箱、泵、测试管道、压差计，水箱里充有液体，测试管道的下壁上安装光滑表面槽道盖板或多孔仿生射流表面槽道盖板，水箱通过第一管路连通泵，泵通过第二管路连通测试管道的入口，测试管道的出口通过第三管路连通水箱，光滑表面槽道盖板上设置第一组测压孔，多孔仿生射流表面槽道盖板上设置第二组测压孔，第一组测压孔和第二组测压孔均有两个、且所处位置相同；当测试管道的下壁上安装多孔仿生射流表面槽道盖板时，多孔仿生射流表面槽道盖板上安装多孔射流器，第二管路上引出第四管路，第四管路连通多孔射流器，第二组测压孔分别位于多孔射流器的两侧，压差计的两端分别安装在第二组测压孔的两个孔处；当测试管道的下壁上安装光滑表面槽道盖板时，压差计的两端分别安装在第一组测压孔的两个孔处；

泵与第四管路之间的第二管路上引出第五管路，第五管路连通水箱；第二管路上安装第一调速阀、流量计和第一压力表，第四管路上安装球阀、第二调速阀和第二压力表；第五管路上安装溢流阀；

(1)测试管道的下壁上安装光滑表面槽道盖板，关闭球阀，启动泵，通过调节溢流阀来调节泵的出口压力，通过第一调速阀和流量计来调节测试管道里的流体速度即主流速度，同时记录压差计测得的压力差p_s；

(2)取下光滑表面槽道盖板，并在测试管道的下壁上安装多孔仿生射流表面槽道盖板，在多孔仿生射流表面槽道盖板上安装多孔射流器，打开球阀，通过调节第二调速阀来调节射流速度，保持与步骤(1)的主流速度相等，同时记录下不同射流速度时压差计测得的压力差p_j；

(3)多孔仿生射流表面槽道盖板的减阻效果用减阻率DR来表示，则：

$DR=100\%\×\frac{p_s-p_j}{p_s}.$