[发明专利]一种基于石墨烯的表面摩擦力测量装置及使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及流体流动测量领域，特指一种基于石墨烯的表面摩擦力的测量装置及其测量方法，其可以解决特殊复杂场合的流体壁面摩擦力测量问题。

背景技术

表面摩擦应力测量既是一个重要的应用问题也是一个基础的研究问题，它不但可以用于改善交通运输工具的的性能而且可用于描绘流场中物体表面流动的特征。

测量表面摩擦应力的方法通常包括：Preston管、Stanton管、底层隔板、热线、热膜、激光多普勒法、表面油膜等；Preston管、Stanton管和底层隔板属间接差压测量法，无法实现动态测量；热膜能够实现动态测量，但较难实现摩擦力方向的测量；热线法能够实现摩擦力方向测量，但制作困难，易损坏；激光多普勒只是单点摩擦力测量，且非常昂贵；表面油膜法的优点是能够实现全局摩擦力测量，但绝对摩擦力的量值误差会较大，且无法实现动态摩擦力测量。

发明内容

为了避免和克服上述不足，本发明的目的是提供一种基于石墨烯的表面摩擦力测量装置及使用方法，可以实现复杂摩擦力场的动态测量。

一种基于石墨烯的表面摩擦力测量装置，其包括底座、圆台形测量体、石墨烯片层和铜箔电极；所述圆台形测量体固定在底座上，在圆台形测量体侧面均匀分布若干块等面积的石墨烯片层，铜箔电极对应各石墨烯片层两侧弧线的边缘设置。

作为改进，所述石墨烯片层可以分为四块。

进一步的，所述圆台形测量体的侧面与底面夹角为45°。

此外，本发明还提供了一种基于石墨烯的表面摩擦力测量装置的使用方法，该装置中石墨烯片层为四块，其使用过程包括以下步骤：

1）将表面摩擦力测量装置放置于摩擦力标定系统内，在已知来流摩擦力大小和角度的情况下，使来流流过该装置，产生钝体绕流,标定出摩擦力系数C和角度系数；

2）校准出表面摩擦力测量装置各石墨烯片层区域的系数曲线；

3）将校准后的表面摩擦力测量装置放入待测流体中，使待测流体流过测量装置产生钝体绕流；测量出各石墨烯片层区域两端电压，依据电压最大原则初步判断来流所在区域；依据该区域和相邻两个区域的电压大小，求出角度系数K_α和总电压系数为K_q；再依据该区已经校准出的系数曲线，插值求出摩擦力的大小和方向。

所述步骤1）具体为：

1.1）测量各石墨烯片层区域两端电极之间的电压U；比较各区域的电压大小，定义最大的电压所在区为1区；顺时针依次为2、3、4区；则各区电压分别为U1、U2、U3、U4；

1.2）定义1区和3区所在方向为轴向，定义2区和4区所在方向为法向； 定义摩擦力方向与轴线之间角度为α角，角度系数为K_α，定义总电压系数为K_q，所涉及的公式如下：

  ；

所述步骤2）具体为：改变α角，校准出该区系数曲线，包括：K_α-α曲线、K_q-α曲线；

所述步骤3）中，把若干个表面摩擦力测量装置按照阵列排布在待测流体中执行步骤3），可以实现全局摩擦力场的测量。

本发明通过使来流流过圆台形测量装置，产生钝体绕流，通过测量钝体表面石墨烯的物理参数，得到流体的摩擦力大小和方向。当地摩擦力τ（Pa）的大小与石墨烯片层两端电极之间的电压U成线性关系，关系式为，式中C为摩擦力系数，根据实验预先标定得到。

与现有的摩擦力测量技术相比具有以下优点：可以实现全局摩擦力的动态测量，且无可动部件，结构稳定可靠，成本较低；测量范围广，可实现180度摩擦力方向的角测量；公式算法简单精确。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

图1 基于石墨烯的摩擦力测量装置三维图

图2 基于石墨烯的摩擦力测量装置俯视图

图3 基于石墨烯的摩擦力场测量装置阵列分布图

图中标号名称：1、矩形基座，2、测量装置圆台形头部，3、石墨烯片层，4铜箔电极。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明所述的基于石墨烯的表面摩擦力测量装置，包括底座1、圆台形测量体2、石墨烯片层3和铜箔电极4；所述圆台形测量体2固定在底座1上，在圆台形测量体2侧面均匀分布四块块等面积的石墨烯片层3，铜箔电极4对应各石墨烯片层3两侧弧线的边缘设置。

本发明的使用包括以下步骤：