一种表面摩阻测量装置

1.本实用新型涉及一种表面摩阻测量装置，属于空气动力学领域。


背景技术：

2.表面摩阻是飞行器飞行过程中总阻力的主要组成部分。表面摩阻测量可揭示表面流体的复杂特征和拓扑结构，对研究和设计飞行器具有重要意义。相关测量方法可分为直接测量和间接测量，其中荧光油膜法作为最常用的间接测量方法，它具有更便捷、更经济和更直观的特性。
3.荧光油膜法其原理主要是将一定特性的荧光硅油均匀涂抹于模型表面，形成极薄油膜，最后通过测量在风洞实验下模型表面荧光油膜流动的时空状态来间接测量表面摩阻。荧光硅油作为重要的指示剂，其粘度和发光性能都有严格要求，通常是在365nm波长的紫外光源激发下辐射出红色可见光，进而被高速相机捕捉。此外，需要测量的时空状态信息主要是荧光油膜的厚度和运动速度，将测量结果代入表面摩阻简化方程即可求解，其中流动速度采用光流法进行解算，而油膜厚度可采用专业测厚仪直接测量，亦可使用灰度-厚度线性模型进行近似间接求解。
4.上述方法具有一定的弊端，一方面在实际的高速风洞实验中，模型的振动和光源强度的变化都会影响光流法的解算结果；另一方面荧光油膜灰度-厚度模型是较为理想的线性模型，只在一定的厚度区间范围内适用，对测量精度较高的场合并不适用。为克服以上缺陷，提高表面摩阻的测量精度，简化测量过程，基于油膜的离心效应，提出了一种新型表面摩阻测量装置及方法。
5.专利cn201711460560.5提出了一种基于温度效应的荧光油膜厚度标定方法，通过在选取好的试验环境温度中标定油膜并获取油膜参数，进而获取油膜灰度值与高度值线性函数关系式，并进一步获取线性图像截距与油膜温度值的线性函数关系式，最终达到能够在风洞试验中根据当前采集图像灰度值计算油膜高度与油膜温度值，进而可计算表面摩阻值。该方法的前提是荧光油膜灰度值和厚度值呈理想的线性关系，在实际场景中很难满足，置信度较低；
6.专利cn201710067448.9提出了一种流场边界层剪切应力光学测量方法，涉及风洞试验技术领域。主要步骤包括：步骤(一)、对风洞试验模型进行阳极化处理和发黑处理；步骤(二)、涂抹液晶涂层；步骤(三)、得到液晶涂层颜色和剪切力的关系曲线；步骤(四)、安装6台测试相机；步骤(五)、6台测试相机同时拍摄液晶涂层图像；步骤(六)、去除不同测试相机拍摄的图像位置差异；步骤(七)、去除畸变处理；步骤(八)、对各个相机拍摄图像的相同颜色进行颜色校正；步骤(九)、得到模型表面剪切应力矢量分布结果。该方法需安装6台测试相机，成本较高；包含大量的模型预处理和图像处理过程，过程较为繁琐，引入误差较高。


技术实现要素：

7.本实用新型旨在克服表面摩阻测量的现有方法的不足，简化测量过程、提升测量
精度，提出一种新型表面摩阻测量装置及方法。
8.1、在高速风洞条件下，模型的振动和光源强度的变化都会对光流法的解算结果产生影响。针对该缺陷，本实用新型使用高速旋转装置带动油膜运动，根据转速即可直接计算得到任意位置的油膜运动速度，取代使用光流法进行速度解算。
9.2、灰度-厚度线性模型是近似模型，使用该模型测量油膜厚度精度较低，在精度要求较高的实验场合下并不适用。针对该缺陷，本实用新型直接采用专业测厚仪测量油膜厚度。
10.具体技术方案为：
11.一种表面摩阻测量装置，包括手动滑台，测厚仪夹具，测厚仪，高速离心机，高精度双轴电动滑台和型材支架；
12.所述的高精度双轴电动滑台安装在型材支架的第一下横梁和第二下横梁上，所述的高速离心机安装在高精度双轴电动滑台上，通过控制高精度双轴电动滑台的运动实现高速离心机的定向运动；
13.所述的高速离心机顶部设有旋转台，旋转台通过触摸显示器控制转速；
14.手动滑台安装在型材支架的上横梁上，并且位于旋转台上方；
15.手动滑台上设有垂直的丝杆，丝杆顶部设有螺纹旋钮，滑块与所述的丝杆螺纹连接；
16.夹具固定在滑块上，测厚仪固定在夹具上。
17.所述的旋转台表面设有4个u形孔，用于安装待测模型。
18.采用上述装置，一种表面摩阻测量方法，步骤如下：
19.1、根据风洞试验具体要求，配置特定性能的荧光硅油；
20.2、将待测模型固定于高速离心机的旋转台上，使用酒精清洗待测模型表面；待表面干燥后，取少量荧光硅油均匀涂抹或喷洒于待测模型表面，形成荧光油膜；
21.3、调节手动滑台的螺纹旋钮至合适位置，以保证测厚仪的光斑最小，读取该位置的油膜厚度值；
22.4、控制旋转台运动到测厚仪的正下方，保证测厚光斑位于旋转中心，再沿任一方向运动指定距离l后，停止运动；
23.5、控制旋转台以固定转速ω转动；
24.6、待测厚仪显示的厚度值不再变化时，荧光油膜基本稳定，记录下该位置下对应的荧光油膜厚度值h；
25.7、多次重复步骤4、5、6，移动不同的距离，记录下不同位置的油膜厚度值；
26.8、根据角速度与转速关系：v＝ω
×
l，利用高精度双轴电动滑台运动的距离l和高速离心机的转速ω得不同位置的油膜运动速度v，进而将数据转换为一系列油膜运动速度值v及其对应的油膜厚度值h；
27.9、油膜表面摩阻简化方程式：
28.其中，
29.其中，τ为摩阻值，μ为油膜动力粘度，v为油膜运动速度，h为油膜厚度，t为演化时
间，p为油膜压力，σ为油膜表面张力，x为梯度方向。
30.将实验所测的油膜动力粘度、油膜厚度和油膜速度数据代入表面摩阻简化方程式，即可直接计算得到对应位置的表面摩阻值，进而得到该转速下模型的表面摩阻分布情况。
31.10、改变高速离心机的转速，重复步骤4-9，可得到不同转速下该模型的表面摩阻分布情况。
32.本实用新型技术方案带来的有益效果
33.1、本方法利用高速离心机提供的转速来计算油膜的运动速度，与光流法相比，省去了采集和处理图像的过程，避免了成像设备和算法带来的误差，操作更简易，经济和时间成本更低；
34.2、本方法通过专业测厚仪直接测量对应位置的油膜厚度，与利用荧光油膜灰度-厚度模型计算油膜厚度相比，置信度更高。同时，本方法测量得到模型表面摩阻分布情况可为传统测量方法的结果提供对比参考，具有一定的工程应用价值。
附图说明
35.图1为本实用新型装置的总体结构示意图；
36.图2为本实用新型装置中支架的结构示意图；
37.图3为本实用新型装置中滑台的结构示意图；
38.图4为本实用新型装置中离心机的结构示意图；
39.图5为本实用新型装置中测厚仪及夹具的结构示意图。
具体实施方式
40.结合附图说明本实用新型的具体技术方案。
41.如图1所示，一种表面摩阻测量装置，包括手动滑台1，测厚仪夹具2，测厚仪3，高速离心机4，高精度双轴电动滑台5和型材支架6；
42.所述的高精度双轴电动滑台5安装在型材支架6的第一下横梁9和第二下横梁11上，所述的高速离心机4安装在高精度双轴电动滑台5上，通过控制高精度双轴电动滑台5的运动实现高速离心机4的定向运动；
43.所述的高速离心机4顶部设有旋转台21，旋转台21通过触摸显示器22控制转速；
44.手动滑台1安装在型材支架6的上横梁7上，并且位于旋转台21上方；
45.手动滑台1上设有垂直的丝杆24，丝杆24顶部设有螺纹旋钮23，滑块25与所述的丝杆24螺纹连接；
46.夹具2固定在滑块25上，测厚仪3固定在夹具2上。
47.所述型材支架6用于固定和安装高精度双轴电动滑台5和手动滑台1。所述高速离心机4安装于高精度双轴电动滑台5上方的滑块上，通过控制高精度双轴电动滑台5的运动实现高速离心机4的定向运动。所述手动滑台1安装于型材支架6上方，位于旋转台21的正上方。通过测厚仪夹具2将测厚仪3和滑块25相连接，进而实现测厚仪3的固定和高度调节。
48.如图2所示，型材支架6由铝型材、t型螺母8和直角件10连接而成。所述铝型材数量为15根，四个面都带有t型槽，上横梁7用于安装手动滑台1，第一下横梁9和第二下横梁11用
于安装高精度双轴电动滑台5。在型材拼接处，使用直角件10和t型螺母8连接和固定。
49.如图3所示，所述高精度双轴电动滑台5包括x轴底座14、x轴滑块12、x轴导轨13、x轴丝杆19、x轴伺服电机20、y轴底座17、y轴滑块12、y轴导轨16、y轴丝杆15和y轴伺服电机18。其由两个相同的单轴电动滑台交叉组装而成，使用螺栓连接上方电动滑台的底板和下方电动滑台的滑块。将电脑连接控制器，控制器连接电机驱动器，电机驱动器连接伺服电机，使用软件控制伺服电机转动，带动传动丝杆旋转，进而实现滑块的高精度定向运动。伺服电机相对于步进电机，具有更高的重复定位精度，保证滑台运动精度达到微米级，同时导轨前后端都安装有限位开关，具备碰撞保护功能。
50.如图4所示，所述高速离心机4安装于高精度双轴电动滑台5的滑块上，并使用高精度陀螺仪调平，保证旋转台21与水平面平行。通过触摸显示器22控制旋转台21的转速，旋转台21表面设有4个u形孔，用于固定待测模型。旋转台21位于半球形凹槽内，凹槽具备一定的清洁功能，当油膜较厚或转速较大时，油膜往边缘扩散，部分飞出后掉落到凹槽内；当试验完毕后需使用酒精清洗旋转台面，污水先流入凹槽内，最终流入收集装置。
51.如图5所示，夹具2一方面夹紧固定测厚仪3，另一方面固定连接于手动滑台1的滑块25上。通过螺纹旋钮23，带动丝杆24和滑块25移动，进而实现测厚仪3的高度调节。
52.一种表面摩阻测量方法，步骤如下：
53.1、根据风洞试验具体要求，配置特定性能的荧光硅油，主要指该硅油的动力粘度和发光性能。通常，荧光硅油在365nm波长的紫外光照射下，辐射出红色可见光，易于被相机捕捉和区分；
54.2、将待测模型固定于高速离心机4的旋转台21上，使用酒精清洗待测模型表面，待表面干燥后，取少量荧光硅油均匀涂抹或喷洒于待测模型表面，形成荧光油膜；
55.3、调节手动滑台1的螺纹旋钮23至合适位置，以保证测厚仪3的光斑最小，电脑端测厚软件能正确读取并显示该位置的油膜厚度值；
56.4、使用电脑、控制器和驱动器共同控制实现旋转台21运动到测厚仪3的正下方，再沿任一方向运动指定距离l后，停止运动；
57.5、使用高速离心机4的触摸显示器22控制旋转台21以固定转速ω转动；
58.6、待测厚软件显示的厚度值几乎不再变化时，油膜的流动基本稳定，记录下该位置下对应的荧光油膜厚度值h；
59.7、多次重复步骤4、5、6，移动不同的距离，记录下不同位置的油膜厚度值；
60.8、根据角速度与转速关系：v＝ω
×
l，利用高精度双轴电动滑台5运动的距离l和高速离心机4的转速ω可得不同位置的油膜运动速度v，进而将数据转换为一系列油膜运动速度值v及其对应的油膜厚度值h；
61.9、根据油膜演化方程式：
[0062][0063]
其中，τ为摩阻值，μ为油膜动力粘度，v为油膜运动速度，h为油膜厚度，t为演化时间，p为油膜压力，σ为油膜表面张力，x为梯度方向。方程右边第一项为表面摩阻项，第二项为压力项，第三项为张力项。由于油膜厚度极小，运动速度较慢，表面张力对油膜演化影响较小，可忽略不计，则上式化简为：
[0064][0065]
对上式移项并化简，得到关于表面摩阻的方程式：
[0066][0067]
由于油膜压力与油膜厚度呈线性关系，继续化简上式可得最终的表面摩阻简化方程式：
[0068][0069]
其中，
[0070]
将实验所测的油膜动力粘度、油膜厚度和油膜速度数据代入表面摩阻简化方程式，即可直接计算得到对应位置的表面摩阻值，进而得到该转速下模型的表面摩阻分布情况。
[0071]
10、改变高速离心机4的转速，重复步骤4-9，可得到不同转速下该模型的表面摩阻分布情况。
[0072]
使用本方法测量表面摩阻，过程简单，测量方便，经济成本更低，测量精度更高。同时，本方法所测得的模型表面摩阻分布情况可为传统测量方法提供对比参考，具有一定的工程应用价值。