一种测量曲面边界层壁面空气摩擦阻力的测力天平的制作方法

1.本实用新型涉及流体力学空气摩擦阻力测量技术领域，尤其涉及一种测量曲面边界层壁面空气摩擦阻力的测力天平。


背景技术：

2.在实验研究和工程应用中，我们不仅需要测量平板湍流边界层内的摩擦阻力，还经常面临对曲面边界层内壁面摩擦阻力的测量。然而，国内外市场均没有现成的仪器能够准确地直接测量曲面上的空气摩擦阻力。虽然目前已有多种非直接测量的手段，比如光学，电磁学，传热学，特殊涂层等，但由于各种假设其应用场景受到各种限制。另一方面，文献报道的用于直接测量的测力天平往往局限于平板湍流边界层的测量，而在实际应用中更为广泛存在的曲面边界层中难以应用。现有技术中，对测量面为平面的，其壁面摩阻容易采用测力天平进行测量，但是当测量面为曲面时，由于受到装置重力、压力梯度等影响，无法直接使用平面浮动元件测力天平测量。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本实用新型公开了一种测量曲面边界层壁面空气摩擦阻力的测力天平，解决了曲面边界层实验中表面空气摩擦阻力难以精确测量的问题。
4.对此，本实用新型的技术方案为：
5.一种测量曲面边界层壁面空气摩擦阻力的测力天平，其包括支撑台、平衡杆、可调角度的支撑杆、曲面板和浮动元件；
6.所述支撑台上设有支点，所述浮动元件与支撑杆的顶部连接，所述支撑杆的底部放置在支点上，所述平衡杆与支撑杆连接，所述平衡杆上设有测力传感器，所述平衡杆的两端分别设有可移动的配重构件；
7.所述浮动元件的表面为曲面，所述浮动元件和曲面板的表面共面，且所述浮动元件与曲面板之间存在微小间隙。
8.其中，曲面板为待测面，所述曲面板和浮动元件的表面共面，曲面板与浮动元件之间的微小间隙既需防止浮动元件与待测平面的接触，还需避免间隙对流动的影响。配重构件分别设置于平衡杆的两端，以平衡预应力，保证测力传感器在规定量程范围内工作。优选的，所述曲面板与浮动元件之间的微小间隙为不大于100微米。
9.采用此技术方案，测力天平使用中，曲面浮动元件受到的空气摩擦阻力通过支撑杆、支点、平衡杆后放大传递到测力传感器，再由计算机对测力传感器的输出信号进行采集，用直接的方法测量曲面所受空气摩擦阻力有助于减少外界，如光、磁场等中间因素的干扰，从而具有很高的精确度。
10.作为本实用新型的进一步改进，所述曲面板和浮动元件之间的间隙为50~70微米。
11.作为本实用新型的进一步改进，所述支撑杆与水平杆通过紧固螺母连接，所述支撑杆通过调节紧固螺母调整角度。
12.作为本实用新型的进一步改进，所述测力传感器通过连接螺栓固定在平衡杆上。测力传感器优选为高灵敏度力传感器。该测力天平的放大倍数由测力传感10到支点的距离以及浮动元件到支点的距离决定。采用此技术方案，可通过连接螺栓改变测力传感器的水平位置，从而可以调整测力天平的放大倍数。进一步优选的，所述测力天平的放大倍数是45倍，为了与实际结合，可以设计不同尺寸的测力天平达到不同的放大倍数。
13.作为本实用新型的进一步改进，所述平衡杆为螺纹结构，所述配重构件通过螺纹与平衡杆连接。采用此技术方案，可以通过旋转来调节配重构件在平衡杆的水平位置，使测力传感器在其规定量程内工作。进一步的，所述配重构件为砝码。
14.作为本实用新型的进一步改进，所述支点为刀片型支点，所述支撑杆的底部设有v型缺口，所述刀片型支点伸入到v型缺口内。
15.作为本实用新型的进一步改进，所述支撑台的底部设有可调支撑脚。
16.作为本实用新型的进一步改进，所述支撑杆和平衡杆的材质为铝合金。支撑杆和平衡杆的质量对测力天平动态响应有很高的影响，质量过大会使测力天平的响应速度降低，影响测力天平的灵敏度；而支撑杆和平衡杆刚度不够则会导致测量过程中发生形变，从而影响测量的准确性。采用此技术方案，可以减少支撑杆和平衡杆的质量对测量的影响，并保证支撑杆和平衡杆的刚度。
17.作为本实用新型的进一步改进，所述支撑杆和平衡杆为中空结构。采用此技术方案，可以减少支撑杆和平衡杆的质量对测量的影响，并保证支撑杆和平衡杆的刚度。
18.作为本实用新型的进一步改进， 所述浮动元件的流向长度为1~5厘米。采用此技术方案，曲面浮动元件具有微小化的特点，可以最大程度的减小和浮动元件尺寸相关的误差。
19.作为本实用新型的进一步改进，所述测量曲面边界层壁面空气摩擦阻力的测力天平包括位于外侧的防风罩。采用此技术方案，使测力天平处于封闭的状态，避免外界空气流动对测力天平干扰。
20.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
21.采用本实用新型的技术方案，将浮动元件设置为曲面形状，在曲面边界层实验中，曲面浮动元件受到的空气摩擦阻力通过天平放大传递到测力传感器，然后转化为电压信号通过计算机进行采集，从而解决了曲面边界层实验中表面空气摩擦阻力难以精确测量的问题，适用于曲面或斜面边界层内壁面摩擦阻力的精确测量，分辨率达10-5
n量级。
附图说明
22.图1是本实用新型实施例的一种测量曲面边界层壁面空气摩擦阻力的测力天平的结构示意图。
23.附图标记包括：
24.1-浮动元件，2-曲面板，3-支撑杆，4-防风罩，5-平衡杆，6-紧固螺母，7-连接螺栓，8-砝码，9-刀片型支点，10-测力传感器，11-支撑台。
具体实施方式
25.下面结合附图，对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。
26.实施例1
27.如图1所示，一种测量曲面边界层壁面空气摩擦阻力的测力天平，其包括位于外侧的防风罩4，以及支撑台11、浮动元件1、曲面板2，可调角度的支撑杆3、平衡杆5、紧固螺母6、连接螺栓7、砝码8、刀片型支点9和测力传感器10。
28.所述刀片型支点9位于支撑台11上，所述浮动元件1与支撑杆3的顶部连接，所述支撑杆3的底部放置在刀片型支点9上，所述平衡杆5与支撑杆3通过紧固螺母6连接，所述支撑杆3通过调节紧固螺母6，从而调整角度。所述测力传感器10通过调节螺栓7与平衡杆5连接，两个砝码8分别位于所述平衡杆5的两端。
29.所述曲面板2为待测曲面，所述浮动元件1的表面为曲面，所述浮动元件1和曲面板2的表面共曲面，且所述浮动元件1与曲面板2之间存在微小间隙。优选的，间隙大小范围为50到70微米以内。
30.本实施例中，通过调节连接螺栓7可以改变测力传感器的水平位置，从而调整测力天平的放大倍数。进一步优选的，本实施例中，所述测力天平的放大倍数是45倍。
31.所述平衡杆5为螺纹结构，砝码8通过螺纹与平衡杆5连接，可以通过旋转来调节砝码8在平衡杆5的水平位置，使测力传感器10在其规定量程内工作。
32.进一步的，所述支撑杆3的底部设有v型缺口，所述刀片型支点9伸入到v型缺口内。
33.进一步的，所述支撑杆3和平衡杆5使用的材料为密度小且刚度大的铝合金材料，并优选采用中空的设计以减少质量。
34.进一步的，所述浮动元件的流向长度为1~5厘米，可以最大程度的减小和浮动元件尺寸相关的误差。
35.采用本实施例，在曲面边界层实验中，浮动元件受到的空气摩擦阻力通过天平放大传递到测力传感器，然后转化为电压信号通过计算机进行采集，具有高精度、高分辨率等特点。另外，本测力天平中曲面浮动元件的形状和大小可以根据待测曲面形状进行调整。
36.以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。