实现仿生表面结构变换的流体减阻效果测试装置及方法
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；
所述外壳一底部向外突出，固定在所述仿生结构试验板上，其内部设置有多圈凹凸伸缩杆，每个凹凸伸缩杆均有一套伸缩杆控制组件，每圈凹凸伸缩杆的底端固连一个环形支撑圈，所述环形支撑圈采用磁性材料制成；所述圆形含磁粒覆盖膜从底部覆盖在所有环形支撑圈的表面，且所述圆形含磁粒覆盖膜的外围安装一圈沿径向延伸的所述环状发散弹簧；所述环状发散弹簧一端在固定所述圆形含磁粒覆盖膜上，另一端固定在所述仿生结构试验板上；所述圆形含磁粒覆盖膜与所述外壳一底部圆形开口对应位置的上下表面分别安装上环形滚轮以及下环形滚轮，使得所述圆形含磁粒覆盖膜随着所述环状支撑圈发生向内或者向外延展时能够平滑延展。
进一步地，所述凹凸伸缩杆控制组件包括轴套、主齿轮、左驱动齿轮、右驱动齿轮、上轴承、下轴承、高精度电机一和高精度电机二，所述主齿轮通过螺纹连接安装在所述凹凸伸缩杆上，所述主齿轮的上下两端分别安装一个轴套，所述轴套的端部支撑在所述凹凸伸缩控制台上，所述上轴承和下轴承分别套接在所述轴套上，对所述主齿轮进行固定；所述高精度电机一和高精度电机二分别固定在所述凹凸伸缩控制台上，且位于所述凹凸伸缩杆的左右两侧，所述左驱动齿轮、右驱动齿轮分别与所述高精度电机一和高精度电机二连接，且均与所述主齿轮啮合；
所述左驱动齿轮和右驱动齿轮同时旋转稳定地带动所述主齿轮旋转，从而通过螺纹作用使凹凸伸缩杆发生伸缩。
进一步地，所述凹凸伸缩控制台上安装凹凸控制板，凹凸控制板上集成有凹凸USB接入口以及凹凸档位变化按钮。
进一步地，所述表面结构变换装置为沟槽变换装置，其包括外壳二、沟槽伸缩杆、沟槽伸缩杆控制组件、矩形支撑片、矩形含磁粒覆盖膜、矩形发散弹簧、上矩形滚轮、下矩形滚轮；
所述外壳二底部向外突出，固定在所述仿生结构试验板上，其内部设置有多排沟槽伸缩杆，每个沟槽伸缩杆均有一套沟槽伸缩杆控制组件，每排沟槽伸缩杆下端与一个矩形支撑片固连，所述矩形支撑片采用磁性材料制成；所述矩形含磁粒覆盖膜从底部覆盖在所有矩形支撑片，且所述矩形含磁粒覆盖膜的外围安装一圈沿径向延伸的所述矩形发散弹簧；所述矩形发散弹簧一端固定在所述矩形含磁粒覆盖膜上，另一端固定在所述仿生结构试验板上；所述矩形含磁粒覆盖膜与所述外壳二底部矩形开口对应位置的上下表面分别安装上矩形滚轮以及下矩形滚轮，使得矩形含磁粒覆盖膜随着矩形支撑片发生向内或者向外延展时能够平滑延展。
进一步地，所述沟槽伸缩杆控制组件与所述凹凸伸缩杆控制组件结构和组成相同。
进一步地，所述管道上盖板内部开设有滑槽，且滑槽内部设置有多条凹槽，所述仿生结构试验板沿着所述滑槽相对于所述管道上盖板滑动，且通过所述凹槽实现防水密封。
进一步地，所述水流循环系统包括大水箱、主管道、电磁流量计、测试管道、副管道、整流栅一、整流栅二、小水箱、动力管道、回流管道、水泵、变频器和电机；所述大水箱、主管道、整流栅二、测试管道、整流栅一、副管道、小水箱、回流管道依次连接，所述动力管道一端与所述大水箱连通，另一端接在所述水泵的出水口，所述回流管道的一端接在所述水泵的进水口；所述水泵由所述电机驱动，且通过所述变频器调节流速。
一种实现仿生表面结构变换的流体减阻效果测试方法，该方法基于上述的装置来实现，该方法具体包括如下步骤：
(1)设定所述表面结构变换装置的底部形成光滑平面，拨动所述转换开关到居中位置，此时所述电磁铁通电产生磁性，与所述磁铁相吸，所述仿生结构试验板受磁力作用靠在所述电磁铁上；
(2)拨动所述转换开关从由居中到居右，此时所述电磁铁快速消磁，所述计时器开始计时，所述仿生结构试验板在流体摩擦力作用下向右移动，直到所述传力挡板触碰所述压控开关，所述压控开关传送关闭信号至所述计时器，此时记时间为t1；
(3)重新设定所述表面结构变换装置为其他结构，按照相同流程进行测试，测试结束所述计时器计时为t2；
(4)根据t＝t2-t1判断减阻效果，t越大，减阻效果越好。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明可以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，且可以同时进行不同凹坑凸包以及沟槽模型的组合测试，也可以对单一凹坑凸包或沟槽模型进行减阻测试，以满足试验需要。
(2)本发明通过电磁铁以及计时器来实现测量，最后通过时间来反映减阻效果，简单明了，操作方便，能够直观的反映不同结构的试验板表面的减阻效果。
(3)本发明测试过程中使用水为流体介质，通过动力供给装置及主流循环管路实现水的循环利用，节约资源，环保无污染；
(4)本发明成本低、占地面积小、噪声低、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，且操作快捷简便。
附图说明
图1是试验装置结构示意图；
图2是凹凸包变换装置的示意图；
图3是凹凸伸缩杆控制组件的示意图；
图4环状发散弹簧处的放大图；
图5是沟槽变换装置的剖面图；
图6是环状支撑圈及矩形支撑片底部结构示意图；
图7仿生结构试验板测试与管道上盖板连接处放大图；
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实现仿生表面结构变换的流体减阻效果测试装置，包括水流循环系统、凸包凹坑变换装置、沟槽变换装置、减阻效果测试装置以及仿生结构试验板23。
其中，水流循环系统包括主测试管路和动力供给装置。动力供给装置包括水泵14、电机13、变频器12。主流测试管路包括大水箱2、主管道27、电磁流量计28、测试管道20、副管道17、整流栅一18、整流栅二26、小水箱16，动力管道3以及回流管道15。减阻效果测试装置包括主控平台4、转换开关5、计时器6、支撑架7、支撑板8、压控开关21、传力挡板22、磁铁24以及电磁铁25。凹凸变换装置9包括凹凸伸缩杆9-1、凹凸伸缩控制台9-2、凹凸USB接入口9-3、凹凸档位变化按钮9-4、凹凸控制板9-5、环状支撑圈9-6、内环形滚轮9-7、外环形滚轮9-8、圆形含磁粒覆盖膜9-9、环状发散弹簧9-10、外壳一9-11以及内部伸缩杆控制组件。
沟槽变换装置11包括沟槽伸缩杆11-1、沟槽伸缩控制台11-2、沟槽USB接入口11-3、沟槽档位变换按钮11-4、沟槽控制面板11-5、矩形支撑片11-6、内矩形滚轮11-7、外矩形滚轮11-8、矩形含磁粒覆盖膜11-9、矩形发散弹簧11-10、外壳二11-11、以及内部伸缩杆控制组件。
主流测试管路包括旋塞1、大水箱2、主管道27、电磁流量计28、测试管道20、副管道17、整流栅一18、整流栅二28、小水箱16、动力管道3以及回流管道15。
结合图1所示，水流循环系统中，电机13输出轴通过联轴器与水泵14联接，电机13为YVP系列变频调速三相异步电动机，通过变频器12进行转速调控。水泵14的进水口通过回流管道15与连接小水箱16，水泵14出水口通过动力管道3连接大水箱2。通过调节变频器14可以控制主流管道27的流速，从而控制主流场的流速。
主流测试管路具体结构为：大水箱2放置在最左侧，其上有旋塞1，大水箱2上方右侧连接动力管道3，由动力管道3与动力供给装置的水泵14的出液口相连，动力管道3通过固定板10固定在支撑板8上，水泵14的进液口与回流管道15相接，回流管道15的另一端与小水箱16相连接，大水箱2的底部右侧与主管道27相连，主管道27上集成电磁流量计28，主管道27另一端与测试管道20相连接，测试管道20进口端与出口端分别安装整流栅二28、整流栅一18。测试管道20出口端与通过副管道17与小水箱16相接，小水箱16通过回流管道15与水泵14进液口相接，形成一个水路循环系统。测试的时候想通过打开旋塞1给整个装置注满液体，通过控制动力供给装置提供的水流动力，并且通过电磁流量计28观察此时的测试管道20的水流流速工况。
结合图2、图3、图4、图6，凹凸包变换装置9的具体结构为：外壳一9-10底部向外突出，固定在仿生结构试验板23上，其内部设置有多圈凹凸伸缩杆9-1。凹凸伸缩杆9-1通过凹凸伸缩控制台9-2与其内部的凹凸伸缩杆控制组件相连，伸缩杆控制组件如下：凹凸伸缩杆9-1与主齿轮9-14通过螺纹连接。主齿轮9-14的轴向表面上通过焊接固定有轴套9-21，轴套9-21上下分别安装有上轴承9-15以及下轴承9-20，轴承类型均选择为圆锥滚子轴承，上轴承9-15和下轴承9-20对主齿轮9-14进行固定，主齿轮9-14两边分别安装左驱动齿轮9-23以及右驱动齿轮9-18，左驱动齿轮9-23通过左驱动轴9-22与高精度电机一9-12相连，高精度电机一9-12通过电机固定杆一9-13与凹凸伸缩控制台9-2相连接。右驱动齿轮9-18通过右驱动轴9-19与高精度电机二9-17相连，高精度电机二9-17通过电机固定杆二9-16与凹凸伸缩控制台9-2相连接。左驱动齿轮9-23和右驱动齿轮9-18同时旋转运作稳定的带动主齿轮9-14旋转从而通过螺纹作用使凹凸伸缩杆9-1发生伸缩，以上就是其内部的伸缩杆控制组件。凹凸伸缩控制台9-2上安装凹凸控制板9-5，凹凸控制板9-5上集成有凹凸USB接入口9-3以及凹凸档位变化按钮9-4。伸缩杆9-1底部与环状支撑圈9-6焊接固定，环状支撑圈9-6采用磁性材料制成。环状支撑圈9-6表面覆盖有圆形含磁粒覆盖膜9-9，圆形含磁粒覆盖膜9-9外围集成一圈发散弹簧9-10，发散弹簧9-10与仿生结构试验板23内部密封连接，当环状支撑圈9-6形成支撑结构时圆形含磁粒覆盖膜9-9随着发生变换，同时带动环状发散弹簧9-10伸缩，从而使圆形含磁粒覆盖膜9-9完成对环状支撑圈9-6的包覆。在圆形含磁粒覆盖膜9-9与底部圆形开口对应位置的上下分别安装上环形滚轮9-7以及下环形滚轮9-8，其作用是在圆形含磁粒覆盖膜9-9随着环状支撑圈9-6发生向内或者向外延展时能够起到一个平滑延展的作用。
凹凸包模型控制方法：当需要进行某种凸包或者凹坑模型减阻效果测试的时候，先通过计算机仿真建模进行凹坑凸包建模，设定几种凸包凹坑模式通过凹凸USB接入口9-3导入到凹凸控制板9-5中每种模型对应一个凹凸档位变化按钮9-4。按下所需要的凹坑凸包模型所对应的凹凸档位变化按钮9-4，凹凸控制板9-5收到信号通过凹凸伸缩控制台9-2同时控制高精度电机一9-12和高精度电机二9-17运转，高精度电机一9-12和高精度电机二9-17分别通过左驱动轴9-22以及右驱动轴9-19控制左驱动齿轮9-23和右驱动齿轮9-18同方向转动从而使与其相接的主齿轮9-14运转，从而通过螺纹带动凹凸伸缩杆9-1发生伸缩。并且通过算法对高精度电机一9-12和高精度电机二9-17进行转数控制来实现伸缩杆9-1的伸缩量变化，且凹凸伸缩杆9-1焊接在环状支撑圈9-6上，每一个环状支撑圈9-6上焊接若干根凹凸伸缩杆9-1，其采用相同控制，使环状支撑圈9-6能够稳定升降。整个凹凸包变换装置底部为密集的若干环状支撑圈9-6共同组成，通过对每一个环状支撑圈9-6上的的凹凸伸缩杆9-1的伸缩量进行定量控制，从而实现每一个环状支撑圈9-6的伸缩量发生改变，如最外圈的环状支撑圈9-6的向外伸缩量最小，最里圈的环状支撑圈9-6伸缩量最大，中间的若干个环状支撑圈9-6均匀形成一个阶梯式结构衔接最外圈和最里圈，形成我们所需要的一个凸包支撑结构。同理可以形成一个其他的凹坑凸包支撑结构。最后若干环状支撑圈9-6形成的凹坑或者凸包支撑结构表面的圆形含磁粒覆盖膜9-9发生延展覆盖在支撑结构上并通过磁性吸附以及水压作用贴合在支撑结构表面以实现环状支撑圈9-6形成支撑结构的表面密封以及光滑衔接，形成测试的凸包或凹坑结构。
结合图5、图6所示的沟槽变换装置11的具体结构为：外壳二11-11底部向外突出，固定在仿生结构试验板23上，其内部设置有多排沟槽伸缩杆，沟槽USB接入口11-3与沟槽档位变换按钮11-4集成在沟槽控制面板11-5上，沟槽控制面板11-5安装在沟槽伸缩控制台11-2上。沟槽伸缩杆11-1通过沟槽伸缩控制台11-2与其内部的沟槽伸缩杆控制组件相连，底部与矩形支撑片11-6焊接，沟槽伸缩杆11-1表面同样嵌有螺纹。其内部的伸缩杆组件安装及与凹凸包变换装置9中的凹凸伸缩杆9-1安装方式相同。矩形支撑片11-6表面覆盖有矩形含磁粒覆盖膜11-9，矩形含磁粒覆盖膜11-9外围嵌有安装矩形发散弹簧11-10，当矩形支撑片11-6形成支撑结构时矩形含磁粒覆盖膜11-9发生延展，同时带动矩形发散弹簧11-10伸缩，从而使矩形含磁粒覆盖膜11-9完成对形成的支撑结构的包覆。矩形含磁粒覆盖膜11-9与仿生结构试验板23内部同样采用滑动密封连接。在矩形含磁粒覆盖膜11-9与底部矩形开口对应位置的上下分别安装上矩形滚轮11-6以及下矩形滚轮11-8，其作用是在矩形含磁粒覆盖膜11-9随着矩形支撑片11-6发生向内或者向外延展时能够起到一个平滑延展的作用。沟槽变换装置11的主体结构与凹凸包变换装置9相似，不同的使底部设计为矩形支撑片11-6类似为一个长方体切片的形状，但同样由磁性材料构成，通过控制沟槽伸缩杆11-1来实现对矩形支撑片11-6的控制，通过矩形支撑片11-6的相对位置变换形成沟槽结构，通过覆盖矩形含磁粒覆盖膜11-9形成所需要的测试沟槽。
沟槽模型控制方法：其控制原理大致与凹凸包模型控制方法类似，主要区别在于底部的支撑结构不同。结合图5、图6，通过仿真建模进行沟槽建模，设定几种沟槽模式通过沟槽USB接入口11-3导入到沟槽控制面板11-5中，沟槽建模主要可以设计成梯型以及三角形等。通过按下对应沟槽档位变换按钮11-4来启动沟槽伸缩控制台11-2通过内部的伸缩控制组件对沟槽伸缩杆11-1进行伸缩量控制，伸缩控制组件控制方式与凹凸伸缩杆9-1为相同原理。矩形支撑片11-6为片状，类似于一块正方体切片，每一片为一个矩形支撑片11-6，其每一片都贴合在一起，每一片矩形支撑片11-6上安装有若干个伸缩杆，其同时运作，稳定的控制每一片矩形支撑片11-6的相对与仿生结构试验板23的伸缩量，整个沟槽变换装置11底部设计为密集的矩形支撑片11-6共同组成通过对不同矩形支撑片11-6的伸缩杆的伸缩量进行控制，使若干矩形支撑片11-6形成一个梯度支撑结构。如中间的若干片矩形支撑片11-6向外伸缩量最高且相等，两边的矩形支撑片11-6伸缩量最小，其余矩形支撑片11-6依次均匀的衔接两边矩形支撑片11-6与中间矩形支撑片11-6形成一个梯形沟槽支撑结构，如图5所示。同理可以形成V型沟槽支撑结构等，最后矩形含磁粒覆盖膜11-9随着支撑结构发生延展，覆盖在梯度支撑结构上，并通过磁性吸附以及水压作用贴合在支撑结构表面，以实现梯度支撑结构表面的一个密封及光滑过渡形成所需的沟槽测试结构。
结合图1减阻效果测试装置的具体结构：转换开关5以及计时器6集成在主控平台4上。转换开关5分三个挡位，居左侧时电磁铁和计时器均不工作，居中时电磁铁通电，居右时计时器计时，主控平台4底部装有电磁铁25并与管道上盖板19相接通过防水密封胶固定在其表面，在未启动时与磁铁24贴合，磁铁24装在仿生结构试验板最左端。支撑板8左端焊接在主控平台4上面，并通过支撑杆7进行固连，支撑板8右下端均固定在管道上盖板19上，并在其左侧安装压控开关21。仿生结构试验板尾端安装传力挡板22，减阻效果测试时通过转换开关5达到同时控制电磁铁25快速消磁及计时器6计时，再由压控开关21来实现计时器停止计时的信号，通过时间来反映减阻效果。
减阻效果测试方法：结合图1流速一定时，设定凹坑变换装置9的环状支撑结构以及沟槽变换装置11的梯度支撑结构与仿生结构试验板23底部形成光滑平面，拨动转换开关5到居中位置，此时电磁铁25通电产生磁性，与磁铁24相吸，仿生结构试验23板受磁力作用靠在最左端，拨动转换开关5从由居中到居右，此时电磁铁25快速消磁，计时器6开始计时，仿生结构试验板23在流体摩擦力作用下向右移动，通过传力挡板22直到触碰的压控开关21，压控开关21传送关闭信号至计时器6，此时记时间为t1，重新测试设定凹坑变换装置9的环状支撑结构以及沟槽变换装置11的梯度支撑结构为其他结构，按照相同流程进行测试，测试结束计时器6计时为t2。令t＝t2-t1，t越大减阻效果越好。
结合图7装置密封，管道上盖板19与仿生结构试验板23连接伸缩处设计为设置具有规则几何形状的阶梯型密封结构，阶梯型密封结构纵向矩形凹槽结构，两者滑动区域四周均设置阶梯型密封结构，形成密封沟槽，当仿生结构试验板23滑动时形成一系列有规则的节流间隙和膨胀空腔，通过介质的粘性摩擦以及能量的转化产生逐级节流效应，从而实现密封。同理，结合图4圆形含磁粒覆盖膜9-9与仿生结构试验板23连接伸缩处也设计为具有规则几何形状的阶梯型密封结构，此外，矩形含磁粒覆盖膜11-9与仿生结构试验板23连接伸缩处也是相同结构。
整个装置的工作原理：装置使用时，先通过打开旋塞1往大水箱2中注液，使整个主流循环管路充满液体，之后关闭旋塞1并通过对动力供给装置中的变频器12进行调节，从而控制电机13的转速，实现对水泵运转功率进行控制，进而完成对主流测试管路流速进行控制，并通过电磁流量计28进行读取，设定测试管道20内的不同流速工况。之后通过凹凸包模型控制方法及沟槽模型控制方法，实现对凹凸包变换装置9及沟槽变换装置11的变换，对仿生结构试验板23的测试凹凸包及沟槽结构进行控制。最后利用减阻效果测试方法实现对各种测试凹凸包及沟槽的减阻效果进行评价。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
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