[发明专利]实现仿生表面结构变换的流体减阻效果测试装置及方法

说明书

本发明公开一种实现仿生表面结构变换的流体减阻效果测试装置及方法，该装置包括水流循环系统、减阻效果测试装置、表面结构变换装置和仿生结构试验板；通过将表面结构变换装置设置在所述仿生结构试验板上，并通过磁力通断测试减阻的时间，进而判断减阻效果大小。本发明能够实现对不同深度及曲率的凹坑凸包模型以及不同沟槽深度及沟槽结构模型变换的减阻测试，结构简单、数据采集方便，且能有效直观的反映出各种模型的减阻效果，且操作简便。

技术领域

本发明涉及流固间摩擦阻力的测试领域，具体涉及一种实现仿生表面结构变换的流体减阻效果测试装置及方法。

背景技术

流体在固体表面流动时，其表面会产生摩擦阻力。在海洋航行、管道运输等领域泵组的动力主要都是用来克服流体与壁面之间的摩擦阻力。常规水面船舶表面摩擦阻力占总阻力的50％左右，水下航行器表面摩擦阻力甚至占总阻力的70％以上，根据理论推算，在动力和能源一定条件下，假设水下航行器的阻力减小10％，则其巡航速度和航程可以同时增加约3.57％。所以对于减阻技术的研究能够节约大量的能源，提高能力利用率，目前对于减阻技术的研究主要分为非光滑表面减阻、微气泡减阻、壁面振动减阻、高聚物添加剂减阻和仿生射流减阻等。其中非光滑表面减阻通过对一些生物的特征进行模拟研究，具备很好的减阻效果，而且绿色环保，有极大的研究意义和价值。

近年来，研究发现许多生物表面结构是非光滑的，例如鲨鱼和海豚表皮分布着许多肋条状的鳞片结构。这些沟槽结构可以改变鲨鱼在游动时皮肤表面的湍流层的结构和速度分布，沟槽减阻表面是受游动能力极佳的鲨鱼皮肤盾鳞启发而来。此外凹坑凸包也是一种重要的沟槽，是受土壤动物表面的凹坑或凸包结构启发的，鱼类鳞片以及座头鲸鲸鳍等表面也有类似结构。通过研究凹坑凸包减阻元对管道减阻性能的影响，发现凹坑凸包的最高减阻率能够达到达33.57％。受此启发，对不同的生物表面的非光滑生物结构特征进行优化模拟，再把这些模拟优化后的特征投入到试验中，设定对比实验，从而探究这些不同的生物特征能够达到的减阻效果，针对于解决实验特征的多样性，设计发明一种小型、简便、经济、能够对不同沟槽形状及凹坑凸包表面减阻效果测量的实验装置变得十分重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种实现仿生表面结构变换的流体减阻效果测试装置及方法，能够用于测量流体与固体之间的摩擦力，且可评估不同沟槽形状及凹坑凸包的减阻效果。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种实现仿生表面结构变换的流体减阻效果测试装置，该装置包括水流循环系统、减阻效果测试装置、表面结构变换装置和仿生结构试验板；

所述水流循环系统包括测试管路，所述测试管路上部两端设置有管道上盖板，所述仿生结构试验板两端滑动连接在所述管道上盖板之间；

所述减阻效果测试装置包括主控平台、转换开关、计时器、支撑板、支撑架、压控开关、传力挡板、磁铁以及电磁铁；所述电磁铁集成在所述主控平台底部，且所述电磁铁与所述管道上盖板相连；所述转换开关和计时器安装在所述主控平台上；所述支撑板一端与所述主控平台固连，另一端通过所述支撑架固定安装在所述管道上盖板上；所述磁铁固定在所述仿生结构试验板上靠近所述电磁铁的一端，所述传力挡板固定在所述仿生结构试验板上远离所述电磁铁的一端，所述表面结构变换装置固定在仿生结构试验板上，且位于所述磁铁和所述传力挡板之间；

所述压控开关固定在所述管道上盖板上靠近所述传力挡板的一侧；

所述转换开关用于同时控制电磁铁消磁及计时器计时，所述压控开关用于实现计时器停止计时的信号。

进一步地，所述表面结构变换装置为凹凸变换装置，其包括外壳一、凹凸伸缩杆、凹凸伸缩控制台、凹凸伸缩杆控制组件、环状支撑圈、环状发散弹簧、圆形含磁粒覆盖膜、上环形滚轮和下环形滚轮；