流体力学多功能实验装置设计与应用

鞠晓群 罗念宁 于东 王威

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

[1]顾玉兵，王冰.基于皮托管原理的动态流速仪[M]//江苏省科学技术协会学会学术部.苏州市自然科学优秀学术论文汇编（2008—2009）.2010：203.

[2]凌云，王明，佘国金，等.压缩空气吹扫的皮托管堵塞的防治措施[J].江苏电机工程，2015（3）：17-18，24.

[3]李士强，肖昌润.基于STAR-CCM+的潜艇舵翼水动力性能研究[J].舰船科学技术，2019（11）：37-42.

[4]刘志华，熊鹰，叶青.共翼型舵水动力特性的模型试验与数值模拟[J].哈尔滨工程大学学报，2018（4）：658-663.

[5]王靜晗.相对速度对机翼升阻力的影响摸索及对“音障”的理解[J].中国高新科技，2019（5）：28-30.

[6]王冲，张志宏，顾建农，等.自主研制实验设备，提高实验室综合实力[J].力学与实践，2016（3）：331-334.

[7]费景洲，张鹏，马修真，等.船舶动力技术实验教学中心内涵建设探索[J].实验技术与管理，2014（6）：158-161，168.

[8]彭熙伟，李怡然，宋卓越，等.基于能力培养的控制系统综合实验探索[J].电气电子教学学报，2019（6）：126-129.

[9]谢俊伟，许海莺.一种便携式多功能PLC教学实验装置的设计[J].工业控制计算机，2019（11）：150-151.

[10]陈小明，李皎，孙会来.一种线切割原理演示实验装置[J].高校实验室科学技术，2019（3）：135-137.

[11]李冬琴.“船舶原理”课程教学研究与实践[J].中国科教创新导刊，2009（29）：195.

[12]张安富，刘兴凤.实施“卓越工程师教育培养计划”的思考[J].高等工程教育研究，2010（4）：56-59.