发明名称 一种测量液浮陀螺仪中浮子所受扭矩的方法与装置
摘要 本发明公开了一种测量封闭球腔内浮子所受扭矩的方法与装置。本发明的方法首先是计算封闭球腔内浮子的扭矩,通过计算可知封闭球腔内浮子的扭矩与转子的扭矩大小相同,然后再利用本发明的装置检测转子的扭矩,便可得到封闭球腔内浮子的扭矩。所设计的装置包括底座、待测部件支撑装置、传感器支撑装置、电机固定装置及联轴器。待测部件支撑装置、传感器支撑装置、电机固定装置均固定在底座上。测量时,通过联轴器依次连接待测部件、动态扭矩传感器、电机,并调整三者的相对位置,使其同轴度达到实验允许值后固定。利用数据采集卡采集记录动态扭矩传感器输出的电信号,该电信号与转子所受力矩成正比,得到转子所受力矩数据后便可得到封闭球腔中浮子的受力情况。
申请公布号 CN102507057B 申请公布日期 2013.06.05
申请号 CN201110355377.5 申请日期 2011.11.10
申请人 北京理工大学 发明人 张之敬;金鑫;陈建峰;叶鑫
分类号 G01L3/00(2006.01)I 主分类号 G01L3/00(2006.01)I
代理机构 北京理工大学专利中心 11120 代理人 高燕燕;付雷杰
主权项 1.一种测量液浮陀螺仪中浮子所受扭矩的方法,其特征在于,通过有效步骤得到液浮陀螺仪中浮子的扭矩与转子的扭矩大小相同,检测液浮陀螺仪中转子的扭矩即可得到浮子的扭矩;所述的有效步骤为:步骤一:所述液浮陀螺仪中浮子的状态为悬浮于封闭球腔内流体中,与球腔内的流体接触,其所受扭矩来自于球腔内的流体的摩擦切应力;封闭球腔内流体的应力与应变的变化率成正比,即为牛顿流体,已知在直角坐标系(x,y,z)下牛顿流体的应力应变关系为:<maths num="0001"><![CDATA[<math><mrow><mfenced open='{' close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>&sigma;</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>&mu;</mi><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mi>&mu;</mi><mi>div</mi><mi>u</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>&sigma;</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>&mu;</mi><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mi>&mu;</mi><mi>div</mi><mi>u</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>&sigma;</mi><mi>z</mi></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mi>p</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>&mu;</mi><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mi>&mu;</mi><mi>div</mi><mi>u</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>&tau;</mi><mi>xy</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>&tau;</mi><mi>yx</mi></msub><mo>=</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>&tau;</mi><mi>xz</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>&tau;</mi><mi>zx</mi></msub><mo>=</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>&tau;</mi><mi>zy</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>&tau;</mi><mi>yz</mi></msub><mo>=</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>]]></maths>式(1)中p为封闭球腔内某点的静压强,σ<sub>x</sub>、σ<sub>y</sub>、σ<sub>z</sub>分别为封闭球腔内流体在x,y,z三个方向的正应力,τ<sub>xy</sub>、τ<sub>xz</sub>为封闭球腔内流体在x平面上分别沿y轴和z轴的切应力,τ<sub>yx</sub>、τ<sub>yz</sub>为封闭球腔内流体在y平面上分别沿x轴和z轴的切应力,τ<sub>zx</sub>、τ<sub>zy</sub>为封闭球腔内流体在z平面上分别沿x轴和y轴的切应力;μ为封闭球腔内流体的粘度系数,<maths num="0002"><![CDATA[<math><mrow><mi>u</mi><mo>=</mo><mfenced open='[' close=']'><mtable><mtr><mtd><msub><mi>u</mi><mi>x</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>u</mi><mi>y</mi></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow></math>]]></maths><maths num="0003"><![CDATA[<math><mrow><mi>div</mi><mi>u</mi><mo>=</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow></math>]]></maths>u<sub>x</sub>、u<sub>y</sub>、u<sub>z</sub>分别为在直角坐标系(x,y,z)下封闭球腔内流体在x,y,z三个方向的速度,ρ为封闭球腔内流体的密度;封闭球腔内的流体符合连续介质假设和质量守恒原理,即在单位时间t内流出与流入流体微团即边长为dx、dy、dz的六面体内的质量变化量等于该流体微团体内质量随时间的变化率,得到在直角坐标系(x,y,z)下封闭球腔内流体运动的连续性方程为:<maths num="0004"><![CDATA[<math><mrow><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&rho;</mi></mrow><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>di&rho;vu</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>]]></maths>由于液浮陀螺仪中的流体不可压,即密度ρ为常数,则有<maths num="0005"><![CDATA[<math><mrow><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&rho;</mi></mrow><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&rho;</mi></mrow><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&rho;</mi></mrow><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&rho;</mi></mrow><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>]]></maths>将式(3)代入式(2)有:divu=0;则直角坐标系(x,y,z)下液浮陀螺仪中流体运动的连续性方程为:<maths num="0006"><![CDATA[<math><mrow><mi>div</mi><mi>u</mi><mo>=</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>]]></maths>步骤二:封闭球腔内运动的流体存在体积力和表面力,依据牛顿第二运动定律得到在直角坐标系(x,y,z)下封闭球腔内流体微团的加速度与质量、体积力、表面力的关系为:<maths num="0007"><![CDATA[<math><mrow><mfenced open='{' close=''><mtable><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>Du</mi><mi>x</mi></msub><mi>Dt</mi></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mi>x</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>&rho;</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&sigma;</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&tau;</mi></mrow><mi>yx</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&tau;</mi></mrow><mi>zx</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>Du</mi><mi>y</mi></msub><mi>Dt</mi></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mi>y</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>&rho;</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&tau;</mi></mrow><mi>xy</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&sigma;</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&tau;</mi></mrow><mi>zy</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><msub><mi>Du</mi><mi>z</mi></msub><mi>Dt</mi></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mi>z</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>&rho;</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&tau;</mi></mrow><mi>xz</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&tau;</mi></mrow><mi>yz</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&sigma;</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>]]></maths>式(5)中<img file="FDA00002905296900025.GIF" wi="668" he="161" />f<sub>x</sub>、f<sub>y</sub>、f<sub>z</sub>分别为在直角坐标系(x,y,z)下封闭球腔内流体微团在x,y,z三个方向的体积力;将式(1)代入式(5)得到封闭球腔内流体运动的纳维-斯托克斯方程:<maths num="0008"><![CDATA[<math><mrow><mfenced open='{' close=''><mtable><mtr><mtd><mi>&rho;</mi><mfrac><msub><mi>Du</mi><mi>x</mi></msub><mi>Dt</mi></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>&rho;f</mi><mi>x</mi></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>p</mi></mrow><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>2</mn><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mi>&mu;</mi><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>[</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>+</mo><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>[</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mi>&mu;</mi><mi>div</mi><mi>u</mi><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>&rho;</mi><mfrac><msub><mi>Du</mi><mi>y</mi></msub><mi>Dt</mi></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>&rho;f</mi><mi>y</mi></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>p</mi></mrow><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>[</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mi>&mu;</mi><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>[</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mi>&mu;</mi><mi>div</mi><mi>u</mi><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>&rho;</mi><mfrac><msub><mi>Du</mi><mi>z</mi></msub><mi>Dt</mi></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>&rho;f</mi><mi>z</mi></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>p</mi></mrow><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>[</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>+</mo><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>[</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>+</mo><mn>2</mn><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mi>&mu;</mi><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><mn>3</mn></mfrac><mfrac><mo>&PartialD;</mo><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mi>&mu;</mi><mi>div</mi><mi>u</mi><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>]]></maths>在液浮陀螺仪中,流体不可压缩,设其粘度系数μ为常数,同时将式(4)代入式(6)得到液浮陀螺仪中流体运动的纳维-斯托克斯方程为:<maths num="0009"><![CDATA[<math><mrow><mfenced open='{' close=''><mtable><mtr><mtd><mi>&rho;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>x</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>y</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>x</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>&rho;f</mi><mi>x</mi></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>p</mi></mrow><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>x</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>x</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>x</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>&rho;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>x</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>y</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>y</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>&rho;f</mi><mi>y</mi></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>p</mi></mrow><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>y</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>y</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>y</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>&rho;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>x</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>y</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>&rho;f</mi><mi>z</mi></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>p</mi></mrow><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>y</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>]]></maths>步骤三:液浮陀螺仪中的浮子位于封闭球腔内,为了便于计算,在液浮陀螺仪中建立柱坐标系(r,θ,z),即令x=rsinθ,y=rcosθ,将x=rsinθ,y=rcosθ代入式(7)得到柱坐标系(r,θ,z)下液浮陀螺仪中流体运动的纳维-斯托克斯方程为:<maths num="0010"><![CDATA[<math><mrow><mfenced open='{' close=''><mtable><mtr><mtd><mi>&rho;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>r</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>r</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>r</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub><mi>r</mi></mfrac><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>r</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&theta;</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>r</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac><msubsup><mi>u</mi><mi>&theta;</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>r</mi></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>&rho;f</mi><mi>r</mi></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>p</mi></mrow><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>r</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>r</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>r</mi></mfrac><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>r</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>r</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&theta;</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>r</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mn>2</mn><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>&theta;</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&theta;</mi></mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>u</mi><mi>r</mi></msub><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>&rho;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>&theta;</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>r</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>&theta;</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub><mi>r</mi></mfrac><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>&theta;</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&theta;</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>&theta;</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mi>r</mi></msub><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub></mrow><mi>r</mi></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>&rho;</mi><msub><mi>f</mi><mi>&theta;</mi></msub><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>r</mi></mfrac><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&rho;</mi></mrow><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&theta;</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>r</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>r</mi></mfrac><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>&theta;</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&theta;</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>2</mn><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>r</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&theta;</mi></mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>&rho;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>r</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub><mi>r</mi></mfrac><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>&theta;</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>&rho;f</mi><mi>z</mi></msub><mo>-</mo><mfrac><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>p</mi></mrow><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>&mu;</mi><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>r</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>r</mi></mfrac><mfrac><msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>u</mi></mrow><mi>z</mi></msub><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>r</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msup><mo>&PartialD;</mo><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>z</mi></msub></mrow><msup><mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>z</mi></mrow><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>]]></maths>式(8)中:u<sub>r</sub>为液浮陀螺仪中流体的径向速度,u<sub>θ</sub>为液浮陀螺仪中流体的周向速度,u<sub>z</sub>为液浮陀螺仪中流体的轴向速度;f<sub>r</sub>为液浮陀螺仪中流体的径向体积力;f<sub>θ</sub>为液浮陀螺仪中流体的周向体积力;f<sub>z</sub>为液浮陀螺仪中流体的轴向体积力;r为液浮陀螺仪中封闭球腔的半径;在液浮陀螺仪中,当浮子转速稳定后,流将体在球腔中的流动设为定常流动,即u<sub>z</sub>=0;由几何条件的轴对称性和流场中没有点源和点汇的特性得到液浮陀螺仪中u<sub>r</sub>=0,<img file="FDA00002905296900033.GIF" wi="210" he="155" />式(8)中液浮陀螺仪中某点的静压强p和周向速度u<sub>θ</sub>均是半径r的函数,则有<img file="FDA00002905296900034.GIF" wi="190" he="139" /><img file="FDA00002905296900035.GIF" wi="198" he="139" />将u<sub>z</sub>=0,u<sub>r</sub>=0,<img file="FDA00002905296900036.GIF" wi="202" he="139" /><img file="FDA00002905296900037.GIF" wi="166" he="139" />和<img file="FDA00002905296900038.GIF" wi="176" he="139" />代入式(8),得到柱坐标系(r,θ,z)下液浮陀螺仪中流体纳维斯托克斯方程的简化形式,即:<maths num="0011"><![CDATA[<math><mrow><mfenced open='{' close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>f</mi><mi>r</mi></msub><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>&rho;</mi></mfrac><mfrac><mi>dp</mi><mi>dr</mi></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msubsup><mi>u</mi><mi>&theta;</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>r</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><mi>&mu;</mi><mi>&rho;</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub></mrow><msup><mi>dr</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>r</mi></mfrac><mfrac><msub><mi>du</mi><mi>&theta;</mi></msub><mi>dr</mi></mfrac><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mi>&theta;</mi></msub><mo>=</mo><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>]]></maths>步骤四:已知液浮陀螺仪中流体运动的边界条件为:在半径<img file="FDA00002905296900042.GIF" wi="180" he="105" />处的环形截面上,转子内表面处的径向速度u<sub>r</sub>=0,周向速度为<img file="FDA00002905296900043.GIF" wi="383" he="105" />即有:<img file="FDA00002905296900044.GIF" wi="1188" he="218" />忽略液浮陀螺仪中流体的体积力,此时式(9)中可变形为:<maths num="0012"><![CDATA[<math><mrow><mfenced open='{' close=''><mtable><mtr><mtd><mfrac><msubsup><mi>u</mi><mi>&theta;</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>r</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>&rho;</mi></mfrac><mfrac><mi>dp</mi><mi>dr</mi></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><mrow><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub></mrow><msup><mi>dr</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>r</mi></mfrac><mfrac><msub><mi>du</mi><mi>&theta;</mi></msub><mi>dr</mi></mfrac><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>u</mi><mi>&theta;</mi></msub><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>11</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></math>]]></maths>将边界条件式(10)代入微分方程<img file="FDA00002905296900046.GIF" wi="450" he="154" />得到:<img file="FDA00002905296900047.GIF" wi="1691" he="177" />将u<sub>r</sub>=0和式(12)代入已知的柱坐标系下牛顿流体的应力与应变关系式<img file="FDA00002905296900048.GIF" wi="525" he="148" />得到液浮陀螺仪中流体的摩擦切应力为:<img file="FDA00002905296900049.GIF" wi="571" he="171" />式中τ<sub>rθ</sub>指在半径为r的切面上指向旋转方向的切应力;则液浮陀螺仪中流体与浮子接触面上所受的扭矩为:<img file="FDA000029052969000410.GIF" wi="1499" he="168" />液浮陀螺仪中流体与转子接触表面上所受的扭矩为:<img file="FDA000029052969000411.GIF" wi="1563" he="185" />式中:r<sub>外</sub>为转子半径;r<sub>内</sub>为浮子半径;w<sub>外</sub>为转子转速;w<sub>内</sub>为浮子转速;通过式(13)和式(14)可以看出液浮陀螺仪中流体与浮子接触面上的扭矩与体与转子接触表面上的扭矩大小相等,方向相反,根据牛顿第三定律,得到液浮陀螺仪中浮子所受的扭矩为:M<sub>浮子</sub>=-M<sub>内</sub>=M<sub>外</sub>。
地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5号