[发明专利]一种基于激光测距的材料表面流体阻力测试装置

说明书

本发明提供了一种基于激光测距的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；所述测试记录分析单元包括激光测距仪和计算机；激光测距仪水平安装于直线导轨下方、测试液体液面上方。与传统技术相比，本发明同时拥有拖曳水池和循环水槽相应的测试功能，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。

技术领域

本发明属于流体检测领域，具体涉及一种基于激光测距的材料表面流体阻力测试装置。

背景技术

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。

发明内容

本发明针对已有测试技术的不足，提供了一种基于激光测距的材料表面流体阻力测试装置，通过该测试装置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。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于激光测距的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；