一种桥梁墩柱绕流阻力测试装置

1.本发明属于实验设备技术领域，涉及一种桥梁墩柱绕流阻力测试装置。


背景技术：

2.圆柱绕流属于流体力学中的经典问题之一，1752年，法国数学家让
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勒朗
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达朗贝尔提出物体相对大范围的静止或匀速流动的不可压缩、无黏性流体以恒定速度运动时，它所受到的外力之和为零，被称为达朗贝尔佯谬。1904年，路德维希
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普朗特发现并描述了薄边界层，提出：即使在非常高的雷诺数下，粘滞力依然会产生薄边界层，对于流线型物体，这些粘滞力会产生摩擦阻力，对于钝体，还会额外导致流体分离以及物体背后的低压尾流，进而造成形状阻力。1911年冯
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卡门发现了圆柱绕流产生的两列涡街稳定性的理论依据，此后这种涡旋现象被命名为“卡门涡街”，许多学者对此进行了深入研究。
3.随着信息时代的到来，计算机技术的迅速发展，对圆柱绕流现象的研究也逐渐转为以数理方程为基础的数学模型研究，以物理模型为基础的圆柱绕流实验研究多为教学演示性质的模型实验。
4.目前，现有的物理模型实验大都采用多点位测力方式，即在圆柱表面测量多个点位受到的力进而推求圆柱整体所受阻力，但由于测量装置多采用测压管方式，测压管的布置对圆柱表面流态的影响难以避免，且测压管数据读取得到压力数值误差难以忽略，导致测量误差较大。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提供一种桥梁墩柱绕流阻力测试装置，以解决现有的物理模型不能直接测量桥梁墩柱绕流阻力，导致测量误差较大的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明一种桥梁墩柱绕流阻力测试装置的具体技术方案如下：
7.一种桥梁墩柱绕流阻力测试装置，包括：
8.水槽，一端设置有注水组件，另一端设置有排水组件；
9.两个滑轨，分别纵向水平设置在水槽的两个侧壁上部；
10.承重板，横向设置在两个滑轨上部，下部与两个滑轨滑动连接；
11.承重件，设置在承重板上部，下端穿过承重板后位于承重板下部；
12.实验柱体试件，竖直设置在承重件下部；
13.压力检测组件，设置在承重件与实验柱体试件之间，用于检测实验柱体试件的整体绕流阻力；
14.水平往复运动组件，设置在水槽内，与承重板连接，用于带动承重板沿着两个滑轨水平往复运动。
15.本发明的特点还在于：
16.其中注水组件包括蓄水池，蓄水池设置在水槽的一端，所述蓄水池与水槽通过水管连接，所述水管上设置有水泵。
17.其中排水组件包括排水池，排水池设置在水槽的另一端，所述排水池与水槽通过排水管连接，排水管上设置有阀门。
18.其中水平往复运动组件包括第一传动杆与第二传动杆，第一传动杆与第二传动杆分别横向水平设置在水槽内部靠近水槽4两端的位置，第一传动杆的两端与第二传动杆的两端分别与水槽内壁通过轴承连接，第一传动杆上套设有两个第一皮带轮，第二传动杆上与两个第一皮带轮相对的位置套设有两个第二皮带轮，两个第一皮带轮分别与对应的第二皮带轮通过皮带连接，两个皮带位于承重板的下部且与承重板连接，水槽侧面靠近第一传动杆端部的位置设置有电机，电机的输出端穿过水槽的侧壁后与第一传动杆端部连接。
19.其中压力检测组件为六维力传感器，六维力传感器设置在承重件与实验柱体试件之间，六维力传感器的两端分别通过法兰盘与承重件、实验柱体试件连接。
20.其中还包括控制终端，控制终端通过数据采集传输模块与六维力传感器电连接，电机与控制终端电连接。
21.其中承重板下部表面靠近两个滑轨的位置分别开设有导向槽，两个滑轨部分分别位于对应的导向槽内。
22.本发明的一种桥梁墩柱绕流阻力测试装置具有以下优点：
23.第一，通过压力检测组件连接实验柱体试件，将柱体所受到的迎流总阻力传递到压力检测组件，压力检测组件将所受作用力以力和力矩的形式计算导出，避免了使用测压管测力时，管路布设对圆柱周围水体的影响，以及只能测得单个点位作用力而无法得到圆柱所受作用力合力的问题，能够得到柱体的整体受力精确数据，降低了测量误差；
24.第二，通过两个滑轨、承重板与水平往复运动组件的设置，使水槽中的水静止，水平往复运动组件带动实验柱体试件在水中相对运动，形成静止水体、运动试件模式，避免了动水静件模式下，管路布设对圆柱周围水体的影响，以及只能测得单个点位作用力而无法得到圆柱所受作用力合力的问题，从而提高了绕流阻力测量的精确度，进一步降低了测量误差；
25.第三，通过六维力传感器的设置，能够同时测量出x、y、z三个方向的压力值之和，以及测出x、y、z三个方向的扭矩，可以更精确得出绕流阻力及其受到的水平垂向力、扭矩及竖向力、扭矩的影响，从而得到实验柱体试件的整体绕流阻力；
26.第四，通过静止水体、运动试件模式，避开了对循环水槽和大型抽吸水泵的需求，仅需一个长直的水槽，一个小型抽水泵即可满足场地要求，同时避开了传统的圆柱绕流实验中靠近进水管口的过渡段、靠近排水管口的过渡段的流态变化对实验的影响，在简化实验设备、节约实验成本的同时也提高了实验精度。
附图说明
27.图1为本发明的主视结构示意图；
28.图2为本发明的俯视结构示意图；
29.图3为本发明的内部侧视结构示意图；
30.附图标记：
31.1、水泵；2、水管；3、蓄水池；4、水槽；5、排水池；6、滑轨；7、第一传动杆；8、实验柱体试件；9、承重件；10、承重板；11、六维力传感器； 12、数据采集传输模块；13、控制终端；14、
电机；15、第一皮带轮；16、皮带；17、第二皮带轮；18、第二传动杆。
具体实施方式
32.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种桥梁墩柱绕流阻力测试装置做进一步详细的描述。
33.如图1、2所示，本发明一种桥梁墩柱绕流阻力测试装置，包括水槽4，水槽4的一端设置有注水组件，通过注水组件为水槽4内部注水，提供实验所需的环境，水槽4的另一端设置有排水组件，实验结束后通过排水组件将水槽 4内的水排出，可在下一次实验时循环使用，节约水资源，水槽4的两个侧壁上部分别纵向水平设置有滑轨6，承重板10横向设置在两个滑轨6上部，承重板10的部与两个滑轨6滑动连接，承重板10上部设置有承重件9，承重件9 为圆柱形，承重件9的下端穿过承重板10后位于承重板10下部，承重件9下部竖直设置有实验柱体试件8，承重件9与实验柱体试件8之间设置有压力检测组件，压力检测组件用于检测实验柱体试件8的整体绕流阻力，水槽4内设置有水平往复运动组件，水平往复运动组件与承重板10连接，水平往复运动组件用于带动承重板10沿着两个滑轨6水平往复运动，从而带动实验柱体试件8在水槽4内往复运动，使实验柱体试件8在静止的水中往复运动，使水与实验柱体试件8形成相对运动，从而通过压力检测组件检测运动过程中水对实验柱体试件8的绕流阻力，得到实验柱体试件8的整体绕流阻力。
34.注水组件包括蓄水池3，蓄水池3设置在水槽4的一端，蓄水池3与水槽 4通过水管2连接，水管2上设置有水泵1，打开水泵1，通过水管2将蓄水池 3中的水注入水槽4中。
35.排水组件包括排水池5，排水池5设置在水槽4的另一端，排水池5与水槽4通过排水管连接，排水管上设置有阀门，实验结束后打开阀门，将水槽4 内的水通过排水管排入排水池5内。
36.如图2、3所示，水平往复运动组件包括第一传动杆7与第二传动杆18，第一传动杆7与第二传动杆18分别横向水平设置在水槽4内部靠近水槽4两端的位置，第一传动杆7的两端与第二传动杆18的两端分别与水槽4内壁通过轴承连接，第一传动杆7上套设有两个第一皮带轮15，第二传动杆18上与两个第一皮带轮15相对的位置套设有两个第二皮带轮17，两个第一皮带轮15 分别与对应的第二皮带轮17通过皮带16连接，两个皮带16位于承重板10的下部且与承重板10连接，水槽4侧面靠近第一传动杆7端部的位置设置有电机14，电机14的输出端穿过水槽4的侧壁后与第一传动杆7端部连接，启动电机14，电机14带动第一传动杆7转动，第一传动杆7带动两个第一皮带轮 15转动，两个第一皮带轮15通过两个皮带16带动承重板10沿着两个滑轨6 水平移动，通过控制电机14的正反转，控制两个皮带16的转动方向，从而控制承重板10往复移动。
37.如图3所示，压力检测组件为六维力传感器11，六维力传感器11设置在承重件9与实验柱体试件8之间，六维力传感器11的两端分别通过法兰盘与承重件9、实验柱体试件8连接，通过六维力传感器11可以同时测量出 x、y、z三个方向的压力值，以及测出x、y、z三个方向的扭矩，当实验柱体试件在水中做匀速运动时，会受到来自水流的阻力，水流对试件的影响传递反映到六维力传感器11，六维力传感器11可直接测得x、y、z三个方向传递来的力和扭矩，将数据传输至数据采集传输模块12，由数据采集传输模块12 将数据采集整理，所采集得到数据即为圆柱整体绕流阻力。
38.如图1所示，本发明一种桥梁墩柱绕流阻力测试装置，还包括控制终端 13，控制终端13通过数据采集传输模块12与六维力传感器11电连接，电机 14与控制终端13电连接，数据采集传输模块12采集六维力传感器11的数据并将其传输到控制终端13，同时，通过控制终端13控制电机14的转速，从而控制实验柱体试件8在水中的移动速度，研究实验不同相对流速下绕流总阻力的大小，为研究圆柱绕流提供了一种直接测量总阻力的测试方。
39.承重板10下部表面靠近两个滑轨6的位置分别开设有导向槽，两个滑轨6 部分分别位于对应的导向槽内，避免承重板10水平移动时产生晃动。
40.工作原理：实验时，首先打开水泵1，通过水管2将蓄水池3中的水注入水槽4中，等待水深到达实验要求，关闭水泵1，等待水面平静，然后通过控制终端13启动电机14，电机14带动第一传动杆7转动，第一传动杆7带动两个第一皮带轮15转动，两个第一皮带轮15通过两个皮带16带动承重板10沿着两个滑轨6水平移动，承重板10通过承重件9带动六维力传感器11与实验柱体试件8在水槽4中的水内水平移动，控制电机14的正反转以及转动速度，控制两个皮带16的转动方向，从而控制实验柱体试件8在水中的往复移动及移动的速度，在实验柱体试件8在水中移动的过程中，六维力传感器11同时测量出x、y、z三个方向的压力值，以及x、y、z三个方向的扭矩，然后数据采集传输模块12采集六维力传感器11的数据并将其传输到控制终端13，通过控制终端13进行分析，最后得出圆柱整体绕流阻力。
41.本发明的一种桥梁墩柱绕流阻力测试装置具有以下优点：
42.第一，通过压力检测组件连接实验柱体试件，将柱体所受到的迎流总阻力传递到压力检测组件，压力检测组件将所受作用力以力和力矩的形式计算导出，避免了使用测压管测力时，管路布设对圆柱周围水体的影响，以及只能测得单个点位作用力而无法得到圆柱所受作用力合力的问题，能够得到柱体的整体受力精确数据，降低了测量误差；
43.第二，通过两个滑轨、承重板与水平往复运动组件的设置，使水槽中的水静止，水平往复运动组件带动实验柱体试件在水中相对运动，形成静止水体、运动试件模式，避免了动水静件模式下，管路布设对圆柱周围水体的影响，以及只能测得单个点位作用力而无法得到圆柱所受作用力合力的问题，从而提高了绕流阻力测量的精确度，进一步降低了测量误差；
44.第三，通过六维力传感器的设置，能够同时测量出x、y、z三个方向的压力值之和，以及测出x、y、z三个方向的扭矩，可以更精确得出绕流阻力及其受到的水平垂向力、扭矩及竖向力、扭矩的影响，从而得到实验柱体试件的整体绕流阻力；
45.第四，通过静止水体、运动试件模式，避开了对循环水槽和大型抽吸水泵的需求，仅需一个长直的水槽，一个小型抽水泵即可满足场地要求，同时避开了传统的圆柱绕流实验中靠近进水管口的过渡段、靠近排水管口的过渡段的流态变化对实验的影响，在简化实验设备、节约实验成本的同时也提高了实验精度。
46.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。