[发明专利]测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平及其标定方法

说明书

本发明提供了一种测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平及其标定方法，该测力天平其包括支撑台、平衡杆、柔性支杆、支撑杆、平板、浮动元件和砝码；所述支撑台上设有支点，所述浮动元件的底部通过柔性支杆与支撑杆的顶部连接，所述柔性支杆上设有光纤光栅传感器，所述支撑杆的底部放置在支点上，所述平衡杆与支撑杆连接，所述平衡杆上设有测力传感器，所述砝码位于平衡杆的两端；所述平板和浮动元件处于同一平面且存在微小间隙。采用本发明的技术方案，将光纤光栅传感器应用于测力天平，实现对浮动元件所受壁面摩擦阻力瞬时值的精确测量，极大地提高测力天平的动态响应频率，为壁面摩擦阻力瞬时值的测量提供了新的思路。

技术领域

本发明属于流体力学流体测试技术领域，尤其涉及一种测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平及其标定方法。

背景技术

在湍流边界层的实验研究和工程应用中，壁面摩擦阻力不仅是其归一化的重要参数，还对流体机械的运行效率具有极大影响。尽管目前的文献已报道了多种壁面摩擦阻力的测量技术，但其大多是基于各种假设的间接测量技术，如普林斯顿管法、近壁面速度梯度法、壁面热线或热膜等。测力天平作为一种直接测量技术，无需额外假设，可直接测量浮动元件所受壁面摩擦阻力，具有简单直接的优点。然而，由于测力天平机械结构的限制，现有技术公开的测力天平响应频率往往较低，仅局限于壁面摩擦阻力平均值的测量，难以精确捕捉其脉动值。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平及其标定方法，解决了现有测量技术存在动态响应低的缺点。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平，其包括支撑台、平衡杆、柔性支杆、支撑杆、平板、浮动元件和砝码；

所述支撑台上设有支点，所述浮动元件的底部通过柔性支杆与支撑杆的顶部连接，所述柔性支杆上设有光纤光栅传感器，所述支撑杆的底部放置在支点上，所述平衡杆与支撑杆连接，所述平衡杆上设有测力传感器，所述砝码位于平衡杆的两端；所述平板和浮动元件处于同一平面且存在微小间隙。其中，平板为待测平面，平板与浮动元件之间的微小间隙既需防止浮动元件与待测平面的接触，还需避免间隙对流动的影响。砝码分别设置于平衡杆的两端，以平衡预应力，保证测力传感器在规定量程范围内工作。优选的，所述平板与浮动元件之间的微小间隙为不大于1mm。其中所述支撑杆为刚性竖直杆。

采用此技术方案，测力天平使用中，浮动元件所受壁面摩擦阻力的时均值由测力传感器测量，再由采集卡对测力传感器的输出信号进行采集。浮动元件所受壁面摩擦阻力的脉动值通过光纤光栅应变进行测量。由于光纤光栅传感器具有极高的动态响应频率，因而可以根据其应变精确捕捉浮动平板所受壁面摩擦阻力的变化。

现有技术的测力天平的整体响应频率小于1赫兹，远低于湍流边界层局部脉动摩擦阻力的特征频率，此技术方案将光纤光栅技术融入测力天平，借助于光纤光栅传感器灵敏度高、响应快的优点，从而解决其动态响应较低的问题，实现对壁面摩擦阻力瞬时值的实时捕捉，该测力天平动态响应频率可达到上千赫兹，实现高动态响应，使得测量更加精准。

作为本发明的进一步改进，所述支点为刀片型支点，所述支撑杆的底部设有V型缺口，所述刀片型支点伸入到V型缺口内。

作为本发明的进一步改进，所述平板和浮动元件之间的间隙为0.4~0.6mm。

作为本发明的进一步改进，所述测力传感器通过连接螺栓固定在平衡杆上。采用此技术方案，所述测力传感器可通过连接螺栓改变其水平位置，调节方便。

作为本发明的进一步改进，所述平衡杆为螺纹结构，所述砝码通过螺纹与平衡杆连接。采用此技术方案，砝码在平衡杆上可以通过旋转来调节配重位置，使用方便。