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流体力学多功能实验装置设计与应用

摘要：摘要自制实验教学设备对高素质双创人才培养有着积极的推动作用，能够激发教师创新性地解决教学中重点、难点问题的热情。设计一种可同時进行皮托管流速和舵翼升阻力测量的多功能实验装置，包括整体框架、平面运动机构、舵翼总成、流速测量装置[1]、电控系统等，能够测

　　摘要自制实验教学设备对高素质双创人才培养有着积极的推动作用，能够激发教师创新性地解决教学中重点、难点问题的热情。设计一种可同時进行皮托管流速和舵翼升阻力测量的多功能实验装置，包括整体框架、平面运动机构、舵翼总成、流速测量装置[1]、电控系统等，能够测量不同浸没深度、攻角下的舵翼升阻力以及水槽断面不同点的流速，并应用于本科实验教学，操作简便，控制精度高，实验数据准确，极大地提升了实验效率，改善了实验效果。

　　关键词流体力学;实验装置;实验教学;皮托管流速;舵翼升阻力测量

　　0 前言

　　实验教学是高校教学工作的重要环节，对于提升学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有其他教学形式所无法替代的作用，而实验装置是开展实验教学的关键物质条件，其好坏决定了实验水准和人才培养质量。高校实验教师应积极探索、勇于实践、敢于创新，利用自制实验教学设备去解决实验中的重点和难点问题，从而保证实验效率和教学质量。

　　皮托管流速和舵翼升阻力测量实验是哈尔滨工业大学船舶专业实践教学必不可少的环节，对于学生掌握流体力学和船舶原理相关内容具有重要的实践意义[2]。两个实验是独立的实验装置，在实验课期间需要反复拆装实验架，严重影响教学进度。另外，实验装置较简陋：皮托管流速测量装置只能测量水槽流场中某一点的流速，且其通过U型管计算压差，实验前需排空气，操作烦琐，读数误差大;舵翼升阻力实验装置手动调节舵翼攻角，误差较大，且浸没深度不可调。装置的陈旧制约了实验内容和目标的实施与完成，严重影响了实验效果[3]。

　　针对现有实验装置存在的上述问题，设计一种可同时进行两个实验的多功能装置。该装置配备差压变送器、测力传感器、数据采集及转换模块等，能够测量水槽断面1.2 m

　　宽*0.6 m高范围内所有点的流速，可以精确自动控制舵翼攻角和浸没深度，并联动采集舵翼升阻力和扭矩数据[4]。

　　1 实验装置总体结构

　　装置采用8080铝型材作为框架，整体尺寸为60 cm宽*

　　120 cm高，框架竖向内侧装有滑道总成;长120 cm的30150

　　铝型材作为舵机平台、皮托管夹具的载体，其上固定有两个滑块，分别与框架竖向内侧两个滑道总成配合，可在垂直方向自由滑动;框架靠上位置有一根8080铝型材作为横梁，起加固框架和支撑丝杠的作用;30150铝型材上下两侧装有滑道总成，皮托管夹具上的滑块与之配合，可在水平方向自由滑动[5]。装置整体上可以实现舵机平台的竖向运动以及皮托管夹具的横向与竖向移动，其总体结构如图1所示。

　　2 主要部件设计

　　驱动装置设计如图1所示，在框架上方固定有直流减速电机1，通过联轴器与M8丝杠连接，T型螺母与舵机平台固定，丝杠下端嵌入固定于框架底边的轴承内套中[6]。电机带动丝杠旋转，通过T型螺母驱动舵机平台上下运行，从而使30150铝型材在竖直方向移动，皮托管夹具通过减速电机2和丝杠等在30150铝型材上做水平方向移动[7]。

　　舵翼总成设计舵翼总成如图2所示，由舵机平台、减速电机、齿轮、编码器、制动器、三分力天平[8-9]、舵翼等组成。通过平面运动机构，舵机平台可以上下移动，从而调节舵翼的浸没深度;减速电机和编码器可以精确调节舵翼的攻角[10]，电磁离合器对其进行锁死，防止舵翼在水流冲击下发生偏转;三分力天平可以测量舵翼升阻力及扭矩数据。

　　流速测量装置设计流速测量装置包括皮托管夹具、皮托管、差压变送器和数据采集设备。皮托管的总压和静压口分别与差压变送器通过橡胶管连接，数据采集设备能够记录差压变送器输出的4～20 mA的电流值，通过电流值与压差的对应关系及伯努利方程即可计算流速。

　　电控系统设计电控系统由传感器、ECU、执行机构等硬件和系统程序、采集程序、控制程序等软件组成。舵翼的浸没深度及攻角调节、皮托管的平面运动、数据采集等都通过上位机控制面板来完成，控制系统原理如图3所示。

　　3 实验教学应用

　　将实验装置安装在循环水槽试验段，为本科生开展舵翼升阻力和皮托管流速测量实验，装置安装方式如图4所示。实验时先维持电机恒定转速，测量水槽断面横向和竖向各五个点的流速以及舵翼在0.5 m浸深不同攻角下的升阻力，然后测量不同电机转速下水槽断面某一点流速及舵翼升阻力，具体工况参数如表1所示。

　　在不同工况下，差压变送器和三分力天平输出的信号经过处理，得到的实验结果如图5～图7所示。可以看出，皮托管流速和舵翼升阻力测量精度可达1%，工况变化范围较广，舵翼阻力随攻角变大逐渐升高，升力先升高后减小，在29°左右发生失速现象，实验装置完全可以满足本科教学任务。

　　4 总结

　　与现有实验设备对比，该装置具有以下特点：

　　1)可同时进行皮托管流速和舵翼升阻力测量实验，免去实验时多次拆装实验装置的麻烦，提高实验效率;

　　2)可在水槽流场断面1.2 m宽*0.6 m高的范围内自动连续采样测量流速;

　　3)自动调节舵翼浸深和攻角，且攻角控制精确，可测量不同状态下的舵翼升阻力和扭矩[11];

　　4)自动化程度高，所有机械运动和数据采集均可通过控制面板来操作，不仅提高了实验效率，而且满足实践教学的需要，增强了实验教学效果[12]。

　　参考文献