[發明專利]一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置

有效

• 申請號: 201110231605.8
• 申請日: 2011-08-12
• 公開（公告）號: CN102359863A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發明（設計）人: 孫凌玉;姚京寧;于人杰;李偉
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術領域

本發明涉及一種能夠實現水下結構受高速流體驅動而發生轉動的試驗裝置，尤其涉及一 種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置，它主要用于驗證各種流固耦合仿真 算法的準確性、適用性，并代替復雜昂貴的水下試驗，研究結構動態響應與流體驅動參數之 間的關系，通過試驗數據探索流固耦合機理與尺度律，為水下結構設計提供理論依據，屬于 海洋船舶工程和武器工業工程技術領域。

(二)背景技術

板是水下結構設計的基本單元。薄板受高速水流沖擊而發生運動及變形的過程是一個流 體-結構相互作用過程。由于板的運動及變形，改變了流體域的邊界；進而改變流域中壓強 分布，特別是流體作用在固體表面上的壓強載荷大小及分布；又進一步改變了結構運動規律 及變形，如此交互作用。薄板在水下受流體驅動繞軸轉動問題，是一個具有大位移及彈性變 形的瞬態過程，即典型的流固耦合過程。國內外對這類問題只有少量的理論和仿真分析，基 本沒有涉及試驗驗證。但是如果對該問題進行試驗分析，可以更加準確的掌握流固耦合現象， 并且可以評估仿真方法的準確程度，更進一步的修正仿真模型，得到更加準確的仿真結果。

一般情況下，設計到流體力學的試驗研究包括流固耦合試驗研究，大多應用到水洞試驗 裝置。水洞設備作為流體力學試驗研究的通用設備，設備尺寸較大，空間占用較大，推動水 流動的動力系統功率很大，能源消耗和試驗費用很大，如果試驗器件按照1∶1制作，制作周 期較長，制作成本很高，試驗過程中測量元件的安裝和測試也不夠方便。

因此，特別設計一個滿足這一類問題的流固耦合試驗裝置，既滿足試驗要求，又可以減 少成本節省能源，有效的測量數據，快速便捷的完成試驗。

(三)發明內容

1、目的：

本發明的目的是提供一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置，它針對 水下高速轉動機構，為仿真方法提供試驗參考值，以此評估仿真方法的準確程度；通過試驗， 從系統角度掌握流體驅動力矩、轉動角度位移、轉動葉片上的應力應變之間的相互影響規律； 通過采用不同尺度的試驗裝置，探索如何利用小尺度縮比實驗的結果還原出原型系統的響應 特性，為水下大尺度結構設計提供理論指導；研究水下結構運動學控制與限位機構碰撞吸能。

2、技術方案：

見圖1，本發明一種驗證流固耦合算法的流體驅動結構高速轉動試驗裝置，它包括水箱、 水箱支架、PVC管路、靶式流量計、蝶閥、水槽、轉軸、軸承、軸承座、薄板、應變片、檔 桿、角位移傳感器、抱緊式彈性聯軸器、動態應變儀和智能信號采集處理分析儀。它們之間 的位置連接關系是：

水箱放在水箱支架上，置于裝置最高處，水箱底部與PVC管路一端相連通，PVC管路的另 一端與水槽側面進水口相連；靠近水槽進水口處的PVC管路安裝蝶閥，在進水口和蝶閥之間的 PVC管路的上端安裝靶式流量計；水槽中臨近進水口處豎直安裝轉軸，轉軸兩端通過軸承和軸 承座與水槽上下兩端相連；轉軸中部開有通槽，薄板插入通槽中，用墊片和螺栓固定；薄板 和靶式流量計上的應變片引出的導線連接動態應變儀和智能信號采集處理分析儀來采集應變 變化時間數據；檔桿從水槽上端面豎直插入到水槽下底面的圓形槽座中進行安裝，此位置在 薄板從初始位置繞軸轉動40°處；角位移傳感器通過抱緊式彈性聯軸器與轉軸柔性連接，角 位移傳感器引出的導線與角位移傳感器的數據采集板連接，采集轉軸轉角變化時間數據。

所述水箱是盒式結構的箱體，無上端面，下端面開有圓孔；

所述水箱支架是L形角式支架，用于水箱的支撐和固定；

所述PVC管路，其與水箱連接部分與地面垂直，與水槽連接部分與地面平行，兩部分用直 角彎頭連接；

所述靶式流量計，是由靶桿、靶桿套筒和靶桿支座構成，靶桿粘貼固定在靶桿支座上， 靶桿外有靶桿套筒包裹，靶桿端部露在靶桿套筒外面；該靶桿為片狀工字結構，正反兩面貼 有應變片；該靶桿套筒為圓管結構；該靶桿支座圓柱結構，其中部設置有溝槽。

所述蝶閥，與PVC管路用法蘭盤連接，為市購件；

所述水槽是盒式結構的箱體，上端面有約2/3為敞開口，側面開有一進水口，另一側面和 底面有排水口和放水口；