[发明专利]一种用于肥皂膜水洞模型实验的单自由度微小力测量系统

说明书

本发明公开了一种用于肥皂膜水洞模型实验的单自由度微小力测量系统，涉及实验流体力学的实验设备领域，包括上储水器、带阀流量计、记录相机、第二反射平面镜、第一反射平面镜、激光发射器、主相机、下储水器、上抽水泵、支撑框架、接收平面、六自由度调节仪、悬臂梁、模型支持装置、肥皂膜和实验模型。所述第一反射平面镜和第二反射平面镜平行，第一反射平面镜和第二反射平面镜与肥皂膜垂直；主相机和记录相机布置在肥皂膜的两侧；悬臂梁固定在六自由度调节仪上；六自由度调节仪固定在肥皂膜装置的框架上，并且位于肥皂膜的后方。本发明改变了测力系统的空间布置，更准确地得到激光点的真实位移值，提高实验的精度。

技术领域

本发明属于实验流体力学领域，涉及一种用于肥皂膜水洞模型实验的单自由度微小力测量系统。

背景技术

肥皂膜水洞装置是一种典型的用于模拟二维流场的实验装置，核心在于使用肥皂液拉开的流动肥皂膜，其横向尺度通常可达厚度的10⁶倍。理论证明，当肥皂膜的运动速度远小于Marangoni波的传播速度时，肥皂膜的运动遵循不可压缩的N-S方程。该装置有操作简单、维护方便、重复性好、稳定可靠等优点，广泛应用于二维流场实验。

目前的肥皂膜水洞装置可以很好地利用单色光干涉法显示流场特性，并通过高速摄像机记录流场中实验模型物体的运动，但是很难通过实验得知模型的动力学响应即受力情况，而且通常这种力非常的微小(10^-5N级别)，常规的测力方法是无法运用的。为解决这一问题，国内外团队开发了一种悬臂梁测力系统，利用激光束通过反射平面镜的多次反射放大物体在肥皂膜中的运动位移，然后通过静态标定即可计算得物体的所受阻力情况。但是由于反射平面镜和肥皂膜同处一个平面，搭载在悬臂梁上的反射镜需穿过肥皂膜平面布置在前方，使得激光点的位移记录装置(即测力系统的摄像装置)和肥皂膜流场摄像装置需要错位布置，给实验带来了诸多不便。

因此，需要开发一种在能够测量实验模型在肥皂膜水洞装置中动态受力情况的前提下，还能与肥皂膜流场摄像装置分开布置的肥皂膜测力系统，合理分配测力系统的空间布局，保证水洞中的实验各部分测量互不干扰，测量结果精确而科学。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对肥皂膜水洞提供一种精确高效的测量系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于肥皂膜水洞模型实验的单自由度微小力测量系统，包括上储水器、带阀流量计、记录相机、第二反射平面镜、第一反射平面镜、激光发射器、主相机、下储水器、上抽水泵、支撑框架、接收平面、六自由度调节仪、悬臂梁、模型支持装置、肥皂膜和实验模型；所述第一反射平面镜和所述第二反射平面镜平行，所述第一反射平面镜和所述第二反射平面镜与所述肥皂膜垂直；所述主相机和所述记录相机布置在所述肥皂膜的两侧；所述悬臂梁固定在所述六自由度调节仪上；所述六自由度调节仪固定在所述肥皂膜装置的框架上，并且位于所述肥皂膜的后方。

进一步地，所述激光发射器位于所述第一反射平面镜和所述第二反射平面镜之间，所述接收平面放置于所述第一反射平面镜的另一侧。

进一步地，所述接收平面与所述第一反射平面镜和所述第二反射平面镜平行。

进一步地，所述激光发射器所发射的激光点首先打在所述第一反射平面镜上，然后反射到所述第二反射平面镜上，经过所述第二反射平面镜的反射激光点最后反映在所述接收平面上。

进一步地，所述模型支持装置固定于悬臂梁上。

进一步地，所述实验模型放置在所述模型支持装置上。

进一步地，所述悬臂梁采用碳纤维材料。

进一步地，所述第一反射平面镜通过热熔胶固定于所述悬臂梁的自由端。

进一步地，所述实验模型处于所述肥皂膜平面内。