一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置及方法

1.本发明涉及微重力环境模拟技术领域，具体涉及一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置及方法。


背景技术：

2.微重力下的空间流体管理问题一直是流体力学研究的热点课题之一。微重力环境基本消除了沉降、浮力对流和静压梯度，对推动流体技术、材料科学和生物技术等领域的发展起到了重要作用。但是在真正的微重力环境下诸如：落塔、飞机、火箭和航天器中进行空间流体的相关研究，不仅条件受限并且成本很高，对于许多科研工作难以达到并不具有普适性，所以探索如何在地面模拟微重力流场是非常必要的客观需求。
3.地面微重力模拟方法从原理上可以划分为两种形式：一种是采用运动法模拟微重力，运动法是指使物体按照特定的规律运动，让物体所受的重力几乎全部用来抵消惯性力或离心力，即重力全部用来提供物体运动所需加速度，以此消除重力影响，实现微重力模拟，属于环境模拟范畴。另一种是力平衡法模拟微重力，力平衡法主要通过平衡力抵消重力影响，如利用气足支撑、中性流体浮力、吊丝配重、静平衡机构或构造物理力场等方式抵消重力，模拟微重力环境，属于环境效应模拟范畴。
4.根据流体的特殊物理特性，地面模拟微重力流体属于环境模拟范畴，而地面模拟微重力流体的理论及方法比较匮乏，如何开发一种实验装置进行微重力流体模拟研究是目前不可避免的问题。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术需求问题之一。
6.本发明的技术方案为：一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置，包括微机控制系统、液体载具u形管、气源动力设备和传感器检测系统，所述u形管的管口向上、且通过支架固定设于地面附近；所述气源动力设备中气动管路的两端分别通过橡胶软管与u形管的两侧竖直段接口联通；所述气源动力设备用于驱动液体流体在u形管内运动；所述传感器检测系统用于检测采集u形管中液体流体的运动参数；所述传感器检测系统连接微机控制系统，所述微机控制系统用于控制气源动力设备。
7.所述传感器检测系统包括4组成对使用的光电传感器，分别位于两侧竖直段的上下端。
8.所述微机控制系统包括上位机和下位机，所述上位机与下位机通过数据传输线电性连接，所述下位机通过数据传输线电性连接气源动力设备和传感器检测系统。
9.所述气源动力设备采用蠕动泵为液体流体运动提供气动压力。
10.所述支架包括底座、一对t型滑块、一对立杆和4组夹块组，所述底座上设有t型滑块槽，所述t型滑块用于滑动连接在t型滑块槽内，一对立杆平行设置，所述立杆一一对应连接在t型滑块上，每个立杆上设有两组夹块组，每个立杆上的两组夹块组用于夹在u形管中竖直段的上、下端。
11.所述夹块组包括固定夹块和活动夹块，所述固定夹块和活动夹块的相对面分别设有v型槽，所述u形管的竖直段位于相对的v型槽内，所述固定夹块和活动夹块通过螺栓连接。
12.所述固定夹块和活动夹块上分别设有用于安装光电传感器的安装孔，所述固定夹块上设有用于放置立杆的穿孔。
13.所述立杆通过螺纹连接于t型滑块；所述立杆的底部设有螺母，所述螺母位于底座的上方。
14.所述u形管位于一对立杆之间，或位于一对立杆外。
15.一种在地面采用运动法模拟微重力流体的方法,应用于在地面采用运动法模拟微重力流体的装置,包括以下步骤:s1、初始状态时，所述气源动力设备驱动液体流体位于u形管一侧竖直段的上部，记为液体流体开始下落的标记高度；s2、开始动作时，所述气源动力设备动作，使液体流体所受气压的合力方向与运动方向相同，液体流体从一侧竖直段加速下降到另一侧竖直段减速上升；s3、动作过程中，传感器检测系统用于检测采集u形管中液体流体的运动时间，并上传微机控制系统调控液体流体运动；s4、待液体流体在另一侧竖直段减速上升到标记高度时，所述微机控制系统通过控制气源动力设备动作，使液体流体所受的气压合力与停止之前的运动方向相反，再进行下降-上升的过程；如此往复，完成驱动液体流体在u形管内往复运动。
16.本发明装置在工作中，通过微机控制系统自动控制调节蠕动泵的输出工作参数，以驱动在地面竖直u形管中的液体流体在两侧竖直段做加速度始终向下的运动，即一侧为向下的加速运动，通过弯曲段后到达另一侧为向上的减速运动。
17.在整个运动过程中的两段竖直段中，液体流体的加速度方向始终与地球重力场方向一致，竖直向下。若加速度的大小接近于地球重力加速度，即液体流体所受全部或大部分重力用来提供此时液体流体运动所需的加速度，以此消除液体流体微元质点之间的重力影响，使液体流体处于失重状态，从而提供了一种采用运动法在地面模拟微重力流体的方法和实验装置。
18.附图说明：图1为本发明的系统组成图；图2为本发明的系统原理框图；图3为本发明的控制原理框图；图4为本发明中支架的结构示意图；图5为本发明中立杆和t型滑块的结构示意图；
图6为本发明中夹块组的结构示意图；图7为本发明的液体流体受力分析图；图8为本发明初始高度状态示意图，图9为本发明下降动作示意图，图10为本发明弯管换向动作示意图，图11为本发明上升动作示意图，图12为本发明上升至初始高度示意图，图13为本发明待下降动作示意图；图14为本发明流体质点加速下降受力分析图；图15为本发明流体质点减速上升受力分析图；图中：1是u形管；2是蠕动泵；3是微机控制系统；4是传感器检测系统；5是支架；5-1是底座；5-1-0是t型滑块槽；5-2是t型滑块；5-3是立杆；5-4是夹块组；5-4-1是固定夹块；5-4-2是活动夹块；5-4-3是安装孔；5-4-4是穿孔；5-4-5是v型槽；5-5是螺母；5-6是垫圈；6是橡胶软管；7是接头；8是流体；9是气源；10是气动管路。
19.具体实施方式：下面将结合附图和具体实施方式对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
20.请参阅图1-6，本发明的一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置，包括微机控制系统、液体载具u形管、气源动力设备和传感器检测系统，所述u形管的u形口向上设置、且通过支架设于地面；所述气源动力设备中气动管路10的两端分别通过橡胶软管6与u形管的两侧竖直段接口联通；所述传感器检测系统用于检测采集u形管中流体8的运动时间；所述传感器检测系统连接微机控制系统，所述微机控制系统用于控制气源动力设备。
21.本发明的原理是采用蠕动泵泵头挤压橡胶软管产生的气动压力来驱动地面竖直u形管中的液体流体在重力场中运动，采用微机控制系统配合传感器检测系统来控制蠕动泵的转轴转向及转速，根据液体流体位置及运动状态自动调节控制，满足液体流体在u形管中的一侧竖直段顶部由静止开始向下做加速运动，然后通过底部弯曲段向上进入另一侧竖直段做向上的减速运动直至到达顶部静止，此后往复循环。
22.在整个运动过程中的两段竖直段中，液体流体的加速度方向始终与地球重力场方向一致，竖直向下。若加速度的大小接近于地球重力加速度，即液体流体所受全部或大部分重力用来提供此时运动所需的加速度，以此消除液体流体微元之间的重力影响，其流体微元所受的支持力小于正常静止情况下的重力，处于失重状态。
23.本发明具体包括：u形管1；蠕动泵2、微机控制系统3、传感器检测系统4、支架5、橡胶软管6和接头7,气动管路与橡胶软管通过接头7连接；对于本发明中的液体流体的载具u形管1，基本结构为两侧竖直管和180
°
弯管，两竖直段（即竖直管）中心线分别相切于弯管两侧中心线；为了减小流体在u形管1管道中运动
时与管壁之间的摩擦损失及有利于保持连续完整的状态，管道内壁面可做疏性涂层处理。
24.气源动力设备采用蠕动泵2为液体流体运动提供气动压力，但不仅限于蠕动泵，其它形式结构的气源9提供设备亦或可以作为液体流体的驱动设备。
25.气动管路采用橡胶软管6亦或其它材料管件进行管路搭建，用接头7将蠕动泵2挤压的气动管路的两端与u形管1的两侧竖直段接口联通。
26.微机控制系统3包括上位机和下位机，上位机主要包括：液晶显示器(即屏幕)、主机、输入输出接口通道、键盘和鼠标；下位机主要包括plc。上位机与下位机通过数据传输线电性连接。下位机通过数据传输线电性连接被控对象蠕动泵2和传感器检测系统4元件。
27.配套软件包括：微机系统软件、应用软件及plc过程控制算法。主要功能为结合传感器检测系统4控制调节蠕动泵2在将u形管1中的液体流体实现设定运动规律时气动管路所需输出气动压力的最佳输出参数。
28.传感器检测系统4包括4组成对使用的光电传感器，分别位于竖直段的上下端。
29.光电传感器相互配合检测采集u形管1中液体流体的运动时间等状态参数并及时反馈到微机控制系统3，根据对应过程控制算法不断修正调节蠕动泵2的输出参数以满足既定运动规律需求。
30.需要说明的是本发明的微机控制系统3由微控制器的或模拟电路组成，控制策略是该单元的核心。该系统结合传感器检测系统4对蠕动泵的工作状态进行调节以满足液体流体的设定运动规律。
31.鉴于对控制系统的设置、电路的构成，属于本领域相对成熟的技术措施；此外根据不同规格的实际设备硬件物理参数需要进行选择性的设置，在本案中不再赘述。
32.支架5使用夹块组5-4将u形管1竖直段安装紧固。
33.支架5包括底座5-1、t型滑块5-2、立杆5-3、夹块5-4、螺栓、螺母、垫圈组成，但不仅限于如此具体连接形式及机械构件。
34.支架5中底座具有t型滑块槽5-1-0，与t型滑块5-2配合使用，t型滑块5-2可以在底座面板轨道内根据u形管1大小调节位置，u形管1可以安装在两立杆所在平面之内，亦可安装在两立杆所在平面之外。
35.支架5中立杆5-3通过螺纹连接于t型滑块5-2，待根据u形管1大小将t型滑块5-2调节处于适当位置后，通过锁紧立杆底部的螺母5-5、垫圈5-6紧固于底座5-1。
36.支架5中夹块5-4分为固定夹块5-4-1和活动夹块5-4-2，固定夹块5-4-1和活动夹块5-4-2相对面的内侧分别设有v型槽5-4-5，以方便装夹u形管1圆管。根据u形管1尺寸参数有不同规格大小之分。在固定u形管1时选择四组相匹配的固定夹块和活动夹块配合。
37.支架5中固定夹块和活动夹块，除用于将u形管1竖直固定于立杆上外，还带有传感器件安装功能，用于安装传感器检测系统4对u形管1中运动的液体流体状态参数采集所需要使用的传感器件。
38.所述固定夹块和活动夹块上分别设有用于安装光电传感器的安装孔5-4-3，所述固定夹块上设有用于放置立杆的穿孔5-4-4，立杆放置在穿孔内，再通过螺栓进行锁紧。
39.本发明利用运动法，使液体流体在u形管中发生设定规律的运动，运动过程中保证液体流体运动的加速度与重力场一致，以此消除液体流体微元之间的重力影响，达到失重状态。
40.一种在地面采用运动法模拟微重力流体的方法,应用于在地面采用运动法模拟微重力流体的装置,包括以下步骤:s1、初始状态时，所述气源动力设备驱动液体流体位于u形管一侧竖直段的上部，记为液体流体开始下落的标记高度；s2、开始动作时，所述气源动力设备动作，使液体流体所受气压的合力方向与运动方向相同，液体流体从一侧竖直段加速下降到另一侧竖直段减速上升；s3、动作过程中，传感器检测系统用于检测采集u形管中液体流体的运动参数，并上传微机控制系统调控液体流体的运动参数；s4、待液体流体在另一侧竖直段减速上升到标记高度时，所述微机控制系统通过控制气源动力设备动作，使液体流体所受的气压合力与停止之前的运动反向相反，再进行下降-上升的过程；如此往复，完成驱动液体流体在u形管内往复运动。
41.本发明的液体流体运动过程依次为：图8从左端起点的初始标记高度开始下降，图9为向下加速运动阶段，图10进行弯管换向，图11为向上减速运动阶段，图12在右端达到与左端相同的标记高度；图8-12为一个运动过程；图13开始为新的起点，从右端开始往复上述运动。
42.图中箭头为流体流向，a为初始标记高度起点位置，b为向下运动竖直段最低位置，c为向上运动竖直段最低位置，d为向上运动至与初始标记高度相同的位置；失重段为：ab段和cd段，ab段为竖直向下加速运动，cd段为竖直向上减速运动。
43.下面进行力学模型分析：基于流体连续介质假设，在竖直管道中取流体液柱及流体微元质点为研究对象，液体流体在压差作用下以液柱整体进行运动时流体相对静止，即液体流体微元质点之间无黏性摩擦力。
44.对液体流体进行受力分析如图7所示：符号说明如下：l液柱长度；p1液柱上表面压力；p2液柱下表面压力；f液柱的运动阻力；ρ液体的密度；α液柱的运动加速度；g重力加速度；a管横截面积；m微元质点质量；m液柱质量；σf液柱所受合外力；σfm微元质点所受合外力；fn微元质点所受支持力；
（1）当流体液柱竖直向下加速运动时，流体的加速度向下，根据牛顿运动第二定律得：若蠕动泵工作时，气动管路提供给u形管两端的气动压力作用在流体液柱上的合力等于运动阻力时，即（p
1-p2）a=f，液柱只受重力加速度作用，则可得:α=g因为流体质点之间没有相对运动，处于相对平衡态。液柱中流体微元质点的加速度也等于g，受力分析如图14可得：fn=mg-σfm=mg-ma=0（2）当流体液柱竖直向上减速运动时，流体加速度向下，根据牛顿运动第二定律得：若蠕动泵工作时，为气动管路提供的气动压力作用在流体微元上的合力等于运动阻力时，即（p
1-p2）a=f，则可得:α=g因为流体质点之间没有相对运动，处于相对平衡态。液柱中流体微元质点的加速度等于g，受力分析如图15可得：fn=mg-σfm=mg-ma=0在不考虑能量损失的前提下，液柱从u形管一竖直段上部做自由落体，由于惯性会回到另一竖直段的同样高度位置，但是由于实际运动过程中存在摩擦阻力损失，所以需要气压提供能量补充。当流体液柱整体运动时则只存在液体与壁面的摩擦阻力，所以可以通过蠕动泵提供动力抵消摩擦阻力损失以及让液柱保持连续而整体运动。
47.综上所述，当液体流体在u形管两端竖直段（即图7中高度为h）向下加速运动和向上减速运动过程中，加速度等于重力加速度时，液体流体微元所受支持力为零，即流体微元之间无相互作用力，液体流体表现为失重状态。
48.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置，其特征在于，包括微机控制系统、液体载具u形管、气源动力设备和传感器检测系统，所述u形管的管口向上、且通过支架固定设于地面附近；所述气源动力设备中气动管路的两端分别通过橡胶软管与u形管的两侧接口联通；所述气源动力设备用于驱动液体流体在u形管内运动；所述传感器检测系统用于检测采集u形管中液体流体的运动参数；所述传感器检测系统连接微机控制系统，所述微机控制系统用于控制气源动力设备。2.根据权利要求1所述的一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置，其特征在于：所述传感器检测系统包括4组成对使用的光电传感器，分别位于两侧竖直段的上、下端。3.根据权利要求1所述的一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置，其特征在于：所述微机控制系统包括上位机和下位机，所述上位机与下位机通过数据传输线电性连接，所述下位机通过数据传输线电性连接气源动力设备和传感器检测系统。4.根据权利要求1所述的一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置，其特征在于：所述气源动力设备采用蠕动泵为液体流体运动提供气动压力。5.根据权利要求1所述的一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置，其特征在于：所述支架包括底座、一对t型滑块、一对立杆和4组夹块组，所述底座上设有t型滑块槽，所述t型滑块用于滑动连接在t型滑块槽内，一对立杆平行设置，所述立杆一一对应连接在t型滑块上，每个立杆上设有两组夹块组，每个立杆上的两组夹块组用于夹在u形管中竖直段的上下端。6.根据权利要求5所述的一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置，其特征在于：所述夹块组包括固定夹块和活动夹块，所述固定夹块和活动夹块的相对面分别设有v型槽，所述u形管的竖直段位于相对的v型槽内，所述固定夹块和活动夹块通过螺栓连接。7.根据权利要求6所述的一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置，其特征在于：所述固定夹块和活动夹块上分别设有用于安装光电传感器的安装孔，所述固定夹块上设有用于放置立杆的穿孔。8.根据权利要求5所述的一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置，其特征在于：所述立杆通过螺纹连接于t型滑块；所述立杆的底部设有螺母，所述螺母位于底座的上方。9.根据权利要求5所述的一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置，其特征在于：所述u形管位于一对立杆之间，或位于一对立杆外。10.一种在地面采用运动法模拟微重力流体的方法,应用于权1-9中任一所述的在地面采用运动法模拟微重力流体的装置,其特征在于,包括以下步骤:s1、初始状态时，所述气源动力设备驱动液体流体位于u形管一侧竖直段的上部，记为液体流体开始下落的标记高度；s2、开始动作时，所述气源动力设备动作，使液体流体所受压差的合力方向与运动方向相同，液体流体从一侧竖直段加速下降到另一侧竖直段减速上升；s3、动作过程中，传感器检测系统用于检测采集u形管中液体流体的运动时间，并上传
微机控制系统调控液体流体运动；s4、待液体流体在另一侧竖直段减速上升到标记高度时，所述微机控制系统通过控制气源动力设备动作，使液体流体所受的气压合力与停止之前的运动方向相反，再进行下降-上升的过程；如此往复，完成驱动液体流体在u形管内往复运动。

技术总结
本发明提供了一种在地面采用运动法模拟微重力流体的装置及方法，属于地面微重力模拟领域。本发明包括微机控制系统、流体载具U形管、气源动力设备和传感器检测系统，所述U形管的管口向上、且通过支架固定设于地面附近，所述气源动力设备中气动管路的两端分别通过橡胶软管与U形管的两侧竖直段接口联通；所述传感器检测系统用于检测采集U形管中液体流体的运动参数；所述传感器检测系统连接微机控制系统，所述微机控制系统用于控制气源动力设备。本发明采用运动法，使液体流体在U形管中发生设定规律的运动，通过微机控制系统调控液体流体在运动过程中加速度与重力场一致，以此消除液体流体微元之间的重力影响，达到失重状态。达到失重状态。


技术研发人员：王朝阳 魏列江 强彦
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/22