流體力學多功能實驗裝置設計與應用

鞠曉群 羅念寧 于東 王威

流速測量裝置設計? 流速測量裝置包括皮托管夾具、皮托管、差壓變送器和數據采集設備。皮托管的總壓和靜壓口分別與差壓變送器通過橡膠管連接，數據采集設備能夠記錄差壓變送器輸出的4～20 mA的電流值，通過電流值與壓差的對應關系及伯努利方程即可計算流速。

電控系統設計? 電控系統由傳感器、ECU、執行機構等硬件和系統程序、采集程序、控制程序等軟件組成。舵翼的浸沒深度及攻角調節、皮托管的平面運動、數據采集等都通過上位機控制面板來完成，控制系統原理如圖3所示。

3 實驗教學應用

將實驗裝置安裝在循環水槽試驗段，為本科生開展舵翼升阻力和皮托管流速測量實驗，裝置安裝方式如圖4所示。實驗時先維持電機恒定轉速，測量水槽斷面橫向和豎向各五個點的流速以及舵翼在0.5 m浸深不同攻角下的升阻力，然后測量不同電機轉速下水槽斷面某一點流速及舵翼升阻力，具體工況參數如表1所示。

在不同工況下，差壓變送器和三分力天平輸出的信號經過處理，得到的實驗結果如圖5～圖7所示。可以看出，皮托管流速和舵翼升阻力測量精度可達1%，工況變化范圍較廣，舵翼阻力隨攻角變大逐漸升高，升力先升高后減小，在29°左右發生失速現象，實驗裝置完全可以滿足本科教學任務。

4 總結

與現有實驗設備對比，該裝置具有以下特點：

1）可同時進行皮托管流速和舵翼升阻力測量實驗，免去實驗時多次拆裝實驗裝置的麻煩，提高實驗效率;

2）可在水槽流場斷面1.2 m寬*0.6 m高的范圍內自動連續采樣測量流速;

3）自動調節舵翼浸深和攻角，且攻角控制精確，可測量不同狀態下的舵翼升阻力和扭矩[11];

4）自動化程度高，所有機械運動和數據采集均可通過控制面板來操作，不僅提高了實驗效率，而且滿足實踐教學的需要，增強了實驗教學效果[12]。

參考文獻

[1]顧玉兵，王冰.基于皮托管原理的動態流速儀[M]//江蘇省科學技術協會學會學術部.蘇州市自然科學優秀學術論文匯編（2008—2009）.2010：203.

[2]凌云，王明，佘國金，等.壓縮空氣吹掃的皮托管堵塞的防治措施[J].江蘇電機工程，2015（3）：17-18，24.

[3]李士強，肖昌潤.基于STAR-CCM+的潛艇舵翼水動力性能研究[J].艦船科學技術，2019（11）：37-42.

[4]劉志華，熊鷹，葉青.共翼型舵水動力特性的模型試驗與數值模擬[J].哈爾濱工程大學學報，2018（4）：658-663.

[5]王靜晗.相對速度對機翼升阻力的影響摸索及對“音障”的理解[J].中國高新科技，2019（5）：28-30.

[6]王沖，張志宏，顧建農，等.自主研制實驗設備，提高實驗室綜合實力[J].力學與實踐，2016（3）：331-334.

[7]費景洲，張鵬，馬修真，等.船舶動力技術實驗教學中心內涵建設探索[J].實驗技術與管理，2014（6）：158-161，168.

[8]彭熙偉，李怡然，宋卓越，等.基于能力培養的控制系統綜合實驗探索[J].電氣電子教學學報，2019（6）：126-129.

[9]謝俊偉，許海鶯.一種便攜式多功能PLC教學實驗裝置的設計[J].工業控制計算機，2019（11）：150-151.

[10]陳小明，李皎，孫會來.一種線切割原理演示實驗裝置[J].高校實驗室科學技術，2019（3）：135-137.

[11]李冬琴.“船舶原理”課程教學研究與實踐[J].中國科教創新導刊，2009（29）：195.

[12]張安富，劉興鳳.實施“卓越工程師教育培養計劃”的思考[J].高等工程教育研究，2010（4）：56-59.