立式承压温度可调实验水洞的制作方法

本发明水动力学实验技术研究领域，具体涉及的是一种立式可实现调温调压、模拟水深海洋环境的水洞实验系统。

背景技术：

温度压力可调的实验水洞系统，在一定范围内能模拟海洋环境的流体流动状态，以进行电磁流体推进与减阻控制实验。实验中电磁流体压力与温度可以根据要求进行调整。

在与流体力学相关的研究领域内，性能良好的水洞是获得重要实验研究结果的关键技术手段，很多重要的流体流动规律(如湍流现象，涡街演变)都是首先通过实验研究获得的。如人们希望对流体流动方向、大小以及流场结构实现有效的控制，以减少飞行体\航行器的阻力，增强或抑制旋涡，抑制流体脱体，控制噪音等等。水洞作为流场结构研究的重要设备之一，一直受到兵器、舰船与航空等基础与应用技术研究领域的关注和重视，迄今已经发展和完善了多种流场结构特征显示与测量的大型实验设备和测量仪器。

水洞实验装置形成的流场品质(如低湍流度特性)、流场参数实时测量功能，以及数据分析与处理能力对相关实验的结果有很重要的影响，所以研制适宜于室内实验研究用的高性能水洞与测量控制系统具有重要的意义和作用。

流场结构诊断和流体动力参数测量问题在流体动力学与流体流动控制研究领域占有重要的地位。流场结构显示诊断技术，是把一种可以明显看得见的物质施放入透明或者半透明的流体介质中，让其跟随流体流动，通过光学等作用方式使流体流动情况变成可见的技术。流场结构显示诊断技术是一种最直观、最有效的研究基本流体流动现象、了解流体流动特性并深入探索其物理机制的方法。研究以氢气泡为示踪粒子的流场结构显示诊断技术，采用应变传感器与相关的信号处理采集技术测量流体动力学参数，以实现对复杂流场的结构诊断和对相关的流体动力参数进行实时测量具有一定理论价值和现实意义，研究结果可为流体流动控制与流体动力学参数研究工作提供相关的研究手段和测试技术，为复杂流场结构诊断分析与研究提供一种直观、简便以及能实现全流场结构分析的实验方法。

目前，在研究所和高校，流体实验绝大多数是在开放性水洞中进行的，也就是说其上液面与外界空气相接触，这种水洞可以满足水面漂浮和近水面潜行等实验，但是不能模拟较深的海水以及温度、雷诺数可变的均匀来流流场。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供了一种可实现调温调压、模拟海洋环境的水洞系统。

实现本发明目的的技术方案为：立式承压温度可调实验水洞，包括第一弯头、发散段、实验段、收缩段、涡破碎与整流段、第二弯头、第三弯头、温度调节段、第四弯头、温度调节装置和动力装置，其中第一弯头、发散段、实验段、收缩段、涡破碎与整流段、第二弯头、第三弯头、温度调节段、第四弯头之间通过法兰依次连接形成一个闭合的实验水洞，所述第一弯头上设置进水口，所述实验段包括依次连接的第一水平过渡段、实验视窗段和第二水平过渡段，其中第一水平过渡段、实验视窗段和第二水平过渡段的中轴线与第一弯头和第二弯头水平段的中轴线同轴，所述第二弯头上设置压力表，所述温度调节段设置排污口、排水口和温度调节口，实验水洞通过温度调节口与外接的温度调节装置连接，所述动力装置包括驱动电机和螺旋桨，驱动电机通过联轴器与螺旋桨连接；所述第四弯头上设置通孔，联轴器穿过该通孔将驱动电机设置在第四弯头外侧，将螺旋桨设置在调温段管道内部，螺旋桨桨叶的中心轴、驱动电机轴和温度调节段的中轴线同轴。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)水洞采用组合式结构，方便拆卸和移动，可根据实验需要，更换实验视窗段；2)该水洞是立式能减少占地面积；3)水洞是全密闭的，可以调节压力和水温，模拟不同温度、水深、压力和流速的流场；4)采用螺旋桨动力输送装置，降低了初始的湍流强度，便于对实验初始扰动强度的设置；5)除视窗段外，水洞主体结构均采用304不锈钢，可满足实验要求；6)除收缩段、实验段及发散段外，其余部件均采用国标圆管结构，便于加工；7)支撑架简洁，且能支撑灌满水的水洞；8)整个系统可模拟<30m深的海洋环境。

附图说明

图1为实验水洞的结构示意图，其中图(a)为实验水洞的整体结构示意图，图(b)为实验水洞螺旋桨的细节图。

图2为实验水洞结构外形尺寸图。

图3为带进水阀/带压力表弯头的尺寸图。

图4为发散管外形尺寸和截面尺寸图。

图5为收缩管外形尺寸和截面尺寸图。

图6为破碎网结构示意图。

图7为收缩段、整流段和破碎网的细节图。

图8为温度调节段侧视图。

图9为温度调节段外形尺寸和截面尺寸图。

图10为实验水洞底部支撑架侧视图。

图11为动力弯头外形尺寸和截面尺寸图。

图12为动力弯头区域侧视图。

具体实施方式

一种立式承压温度可调实验水洞，包括第一弯头1、发散段3、实验段、收缩段7、涡破碎与整流段8、第二弯头10、第三弯头11、温度调节段13、第四弯头18、温度调节装置和动力装置，其中第一弯头1、发散段3、实验段、收缩段7、涡破碎与整流段8、第二弯头10、第三弯头11、温度调节段13、第四弯头18之间通过法兰依次连接形成一个闭合的实验水洞，所述第一弯头1上设置进水口2，所述实验段包括依次连接的第一水平过渡段4、实验视窗段5和第二水平过渡段6，其中第一水平过渡段4、实验视窗段5和第二水平过渡段6的中轴线与第一弯头1和第二弯头10水平段的中轴线同轴，所述第二弯头10上设置压力表9，所述温度调节段上13设置排污口、排水口17和温度调节口，实验水洞通过温度调节口与外接的温度调节装置连接，所述动力装置包括驱动电机15和螺旋桨14，驱动电机15通过联轴器与螺旋桨14连接；所述第四弯头18上设置通孔，联轴器穿过该通孔将驱动电机15设置在在第四弯头18外侧，将螺旋桨14设置在调温段13管道内部，螺旋桨14桨叶的中心轴、驱动电机15轴和温度调节段13的中轴线同轴。

所述涡破碎与整流段8在与收缩段7连接的一端设置涡破碎网，涡破碎网上设置若干小圆孔。

所述发散段3是横截面为类抛物线的回旋体，当液体在水洞中完成一次循环后，其速度会较大，而本实验装置研究的是低速大流量的液体流动，所以需要通过发散段降低液体的流速，进行下一次循环，水流由发散段小口进入，由大口流出，其减速比与进水和出水口的面积成正比。由于收缩段是最重要的一个部分，针对收缩段外形尺寸，国内外做过很多研究，收缩段截面曲线是根据清华大学周刚等人研究得到的batchelor-shaw曲线设计的。

所述实验视窗段5为圆柱体或者立方体，其内径不超过第一弯头1和第二弯头10的出水口直径。

所述实验视窗段5由耐压的有机玻璃制成，透明的视窗适用于观察液体在管道中的流动情况；

所述实验段内部设置实验模型体。

所述实验段外侧设置用于监控实验段内绕流流场演化的ccd，以及用于探测模型形变和受力的应力传感器。

所述立式承压温度可调实验水洞还包括用于实现实验支撑和定位的支撑架16，所述支撑架16固定在第三弯头11、温度调节段13、第四弯头18下部。

所述第一弯头1、涡破碎与整流段8、第二弯头10、第三弯头11、温度调节段13和第四弯头18均采用国标(gb/t14976-2012，流体输送用不锈钢无缝钢管)圆管结构，便于加工；所述支撑架16选用厚度为10mm的304不锈钢材质制成。

对于法兰密封，由于是水实验，在保证清洁的条件下，选择聚四氟乙烯垫片满足要求。

本发明水洞方便拆卸和移动，可以模拟不同温度、水深、压力和流速的流场。下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1：

如图1和图2所示，立式承压温度可调实验水洞总高2160.8mm，总长为5407mm，包括第一弯头1、发散段3、实验段、收缩段7、涡破碎与整流段8、第二弯头10、第三弯头11、温度调节段13、第四弯头18、温度调节装置和动力装置，其中第一弯头1、第二弯头10、第三弯头11和第四弯头18均形成90°的拐角，第一弯头的两端分别通过法兰与发散段3和第四弯头18固定连接，其上部设置一个垂直向上的注水口2，也可以作为排压阀，注水口上面装有阀门，第一弯头的具体尺寸如图3所示；发散段3的两端分别通过法兰与第一弯头1和实验段4固定连接，发散段3是截面为类抛物线的回旋体，具体尺寸如图4所示，口径为410mm的一端与第一弯头1连接，口径为40mm的一端与实验段4连接，因此可以实现对实验段来流的减速；实验段的两端分别通过法兰与发散段3和收缩段7固定连接，实验段3的中轴线与第一弯头1和第二弯头10水平段的中轴线同轴，实验段3包括依次连接的第一水平过渡段4、实验视窗段5和第二水平过渡段6，实验视窗段5主要是由耐压的有机玻璃板制成，实验视窗段5是可以更换的，可以更换成圆柱形或者立方体形，其口径不能超过第一弯头1和第二弯头10的出水口直径；收缩段7的两端分别通过法兰与实验段和涡破碎与整流段8固定连接，其和发散段一样也是由回转体形的外壁面组成，具体尺寸如图5所示，内径为40mm的一端和实验段连接，内径为410mm的一端和整流破碎段8连接，因此可以将流体收缩加速注入实验段中；涡破碎与整流段8的两端分别通过法兰与收缩段7和第二弯头10固定连接，涡破碎与整流段8在与收缩段7连接的一端设置涡破碎网，涡破碎网上布满直径为10mm圆孔的涡破碎网(如图6和7所示)，用于将不规则的来流重新碎化整合，进而在涡破碎与整流段8出口端及收缩段7的入口处形成均匀流动；第二弯头10的两端分别通过法兰与涡破碎与整流段8和第三弯头11固定连接，其水平段设置垂直向上的管路，其上安装压力表9；温度调节段13的两端分别通过法兰与第三弯头11和第四弯头18固定连接，具体尺寸如图8和9所示，温度调节段13总长为3472.4mm，内径为410mm，为了方便操作把温度调节段放在水洞的最下边，其中部设置一个向下的排污口和与温度调节设备连接的温度调节口，实验中在此通过法兰接入温度调节装置和传感器来调节和监控水洞中液体的温度，其下部设置排水口，排污口上设置阀门；第四弯头18处外接动力装置15，如图11所示，因此在第四弯头18侧面留出一个法兰以安装动力装置15；动力装置由外置的小型三相异步电动机(电机型号joh80-355，输入电压380v，输出功率0.75～315kw，外壳为封闭式，可防止灰尘、水滴浸入)和内置的联轴器与螺旋桨14构成，如图12所示，电机通过外置的控制器调节转速，进而改变水洞中水流的速度和压力，螺旋桨14置于调温段13的管道中用于推动管道内流体定向运动，安装时保持螺旋桨14桨叶转动中心轴、驱动电机15轴和温度调节段的中轴线同轴；支撑架16固定在第三弯头11、温度调节段13、第四弯头18下部，如图10所示，支架长4574mm，厚度为12mm，通过solidworks软件初步估算当水洞工作时系统总重为1.2t～1.6t，这对一个1.7×5.5m的装置来说这个重量对其支撑要求相当高，由于支撑架不仅要实现支撑功能还要起定位作用，考虑系统整体质量分布，支撑架选用厚度为10mm的304不锈钢材质。

根据国家有关法律要求水实验中材料必须符合环保要求，故除视窗段外，水洞其他主体结构均采用304不锈钢。本承压水洞设计的耐压为0.5～3atm，由于本系统整体装置均为管道结构，那么在满足强度要求的情况下，管壁越薄越经济，但考虑加工到加工成型的难易程度，所以选用5mm壁厚的管，利用薄壁结构内压公式，代入最大压力得到＝12.3mpa，这个压力远小于屈服极限压力。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，在实验段外侧架设置ccd，用来监控实验段内绕流流场演化，设置应力传感器，用来探测模型的形变和受力。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上，在水洞添加多分量应力天平、激光多普勒测速(ldv)与粒子影像测速仪(piv)等流场结构测量与流体动力参数测量系统。操作步骤：

操作时首先将各个部件按照图所示连接起来，连接时在间隙中填充聚四氟乙烯垫片来防止漏水，在实验段内安装支架和搭载于支架上的所需测试的模型体如潜艇模型，并按照需求选取所需要的实验段形状尺寸，关闭排污阀，在上侧注水口注水，可以在水中根据需要施加适合比例的氯化钠或硫酸铜来调配弱电解质溶液，也可以在模型体周围注入高锰酸钾作为示踪粒子。实验中通过电机控制箱缓慢的调节电机转速，同时关注压力表示数以及水洞各部件连接处的密封效果，如果一切正常就可以不断的调节电机转速来控制水压和流速。

该水洞实验系统由水洞机械结构、动力驱动系统、电气控制系统组成。水洞机械结构部分主要用于形成均匀性良好的初始流场，其基本结构有压力段(含压力分散结构)、收缩段(含蜂窝整流结构)、实验段、尾流发散段与回流水箱(温度调节段)等。与水洞机械部分配套的动力驱动系统主要由电动机和螺旋桨组成，驱动低速大流量流体，流体流动从水箱(温度调节段)经整流塔(涡破碎与整流段)、收缩段、实验段、发散段、回到水箱(温度调节段)，以形成封闭循环。其中，蜂窝整流结构主要由整流段和涡破碎网组成，以更好的实现均匀来流。水洞实验段的界面尺度为300mm×300mm(方形实验段)，实验雷诺数可达到10⁶数量级，流场湍流度可以控制在5％左右。