本發(fā)明水動力學(xué)實驗技術(shù)研究領(lǐng)域，具體涉及的是一種立式可實現(xiàn)調(diào)溫調(diào)壓、模擬水深海洋環(huán)境的水洞實驗系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

溫度壓力可調(diào)的實驗水洞系統(tǒng)，在一定范圍內(nèi)能模擬海洋環(huán)境的流體流動狀態(tài)，以進行電磁流體推進與減阻控制實驗。實驗中電磁流體壓力與溫度可以根據(jù)要求進行調(diào)整。

在與流體力學(xué)相關(guān)的研究領(lǐng)域內(nèi)，性能良好的水洞是獲得重要實驗研究結(jié)果的關(guān)鍵技術(shù)手段，很多重要的流體流動規(guī)律(如湍流現(xiàn)象，渦街演變)都是首先通過實驗研究獲得的。如人們希望對流體流動方向、大小以及流場結(jié)構(gòu)實現(xiàn)有效的控制，以減少飛行體\航行器的阻力，增強或抑制旋渦，抑制流體脫體，控制噪音等等。水洞作為流場結(jié)構(gòu)研究的重要設(shè)備之一，一直受到兵器、艦船與航空等基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究領(lǐng)域的關(guān)注和重視，迄今已經(jīng)發(fā)展和完善了多種流場結(jié)構(gòu)特征顯示與測量的大型實驗設(shè)備和測量儀器。

水洞實驗裝置形成的流場品質(zhì)(如低湍流度特性)、流場參數(shù)實時測量功能，以及數(shù)據(jù)分析與處理能力對相關(guān)實驗的結(jié)果有很重要的影響，所以研制適宜于室內(nèi)實驗研究用的高性能水洞與測量控制系統(tǒng)具有重要的意義和作用。

流場結(jié)構(gòu)診斷和流體動力參數(shù)測量問題在流體動力學(xué)與流體流動控制研究領(lǐng)域占有重要的地位。流場結(jié)構(gòu)顯示診斷技術(shù)，是把一種可以明顯看得見的物質(zhì)施放入透明或者半透明的流體介質(zhì)中，讓其跟隨流體流動，通過光學(xué)等作用方式使流體流動情況變成可見的技術(shù)。流場結(jié)構(gòu)顯示診斷技術(shù)是一種最直觀、最有效的研究基本流體流動現(xiàn)象、了解流體流動特性并深入探索其物理機制的方法。研究以氫氣泡為示蹤粒子的流場結(jié)構(gòu)顯示診斷技術(shù)，采用應(yīng)變傳感器與相關(guān)的信號處理采集技術(shù)測量流體動力學(xué)參數(shù)，以實現(xiàn)對復(fù)雜流場的結(jié)構(gòu)診斷和對相關(guān)的流體動力參數(shù)進行實時測量具有一定理論價值和現(xiàn)實意義，研究結(jié)果可為流體流動控制與流體動力學(xué)參數(shù)研究工作提供相關(guān)的研究手段和測試技術(shù)，為復(fù)雜流場結(jié)構(gòu)診斷分析與研究提供一種直觀、簡便以及能實現(xiàn)全流場結(jié)構(gòu)分析的實驗方法。

目前，在研究所和高校，流體實驗絕大多數(shù)是在開放性水洞中進行的，也就是說其上液面與外界空氣相接觸，這種水洞可以滿足水面漂浮和近水面潛行等實驗，但是不能模擬較深的海水以及溫度、雷諾數(shù)可變的均勻來流流場。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供了一種可實現(xiàn)調(diào)溫調(diào)壓、模擬海洋環(huán)境的水洞系統(tǒng)。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：立式承壓溫度可調(diào)實驗水洞，包括第一彎頭、發(fā)散段、實驗段、收縮段、渦破碎與整流段、第二彎頭、第三彎頭、溫度調(diào)節(jié)段、第四彎頭、溫度調(diào)節(jié)裝置和動力裝置，其中第一彎頭、發(fā)散段、實驗段、收縮段、渦破碎與整流段、第二彎頭、第三彎頭、溫度調(diào)節(jié)段、第四彎頭之間通過法蘭依次連接形成一個閉合的實驗水洞，所述第一彎頭上設(shè)置進水口，所述實驗段包括依次連接的第一水平過渡段、實驗視窗段和第二水平過渡段，其中第一水平過渡段、實驗視窗段和第二水平過渡段的中軸線與第一彎頭和第二彎頭水平段的中軸線同軸，所述第二彎頭上設(shè)置壓力表，所述溫度調(diào)節(jié)段設(shè)置排污口、排水口和溫度調(diào)節(jié)口，實驗水洞通過溫度調(diào)節(jié)口與外接的溫度調(diào)節(jié)裝置連接，所述動力裝置包括驅(qū)動電機和螺旋槳，驅(qū)動電機通過聯(lián)軸器與螺旋槳連接；所述第四彎頭上設(shè)置通孔，聯(lián)軸器穿過該通孔將驅(qū)動電機設(shè)置在第四彎頭外側(cè)，將螺旋槳設(shè)置在調(diào)溫段管道內(nèi)部，螺旋槳槳葉的中心軸、驅(qū)動電機軸和溫度調(diào)節(jié)段的中軸線同軸。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：1)水洞采用組合式結(jié)構(gòu)，方便拆卸和移動，可根據(jù)實驗需要，更換實驗視窗段；2)該水洞是立式能減少占地面積；3)水洞是全密閉的，可以調(diào)節(jié)壓力和水溫，模擬不同溫度、水深、壓力和流速的流場；4)采用螺旋槳動力輸送裝置，降低了初始的湍流強度，便于對實驗初始擾動強度的設(shè)置；5)除視窗段外，水洞主體結(jié)構(gòu)均采用304不銹鋼，可滿足實驗要求；6)除收縮段、實驗段及發(fā)散段外，其余部件均采用國標(biāo)圓管結(jié)構(gòu)，便于加工；7)支撐架簡潔，且能支撐灌滿水的水洞；8)整個系統(tǒng)可模擬<30m深的海洋環(huán)境。

附圖說明

圖1為實驗水洞的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖(a)為實驗水洞的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖(b)為實驗水洞螺旋槳的細節(jié)圖。

圖2為實驗水洞結(jié)構(gòu)外形尺寸圖。

圖3為帶進水閥/帶壓力表彎頭的尺寸圖。

圖4為發(fā)散管外形尺寸和截面尺寸圖。

圖5為收縮管外形尺寸和截面尺寸圖。

圖6為破碎網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為收縮段、整流段和破碎網(wǎng)的細節(jié)圖。

圖8為溫度調(diào)節(jié)段側(cè)視圖。

圖9為溫度調(diào)節(jié)段外形尺寸和截面尺寸圖。

圖10為實驗水洞底部支撐架側(cè)視圖。

圖11為動力彎頭外形尺寸和截面尺寸圖。

圖12為動力彎頭區(qū)域側(cè)視圖。

具體實施方式

一種立式承壓溫度可調(diào)實驗水洞，包括第一彎頭1、發(fā)散段3、實驗段、收縮段7、渦破碎與整流段8、第二彎頭10、第三彎頭11、溫度調(diào)節(jié)段13、第四彎頭18、溫度調(diào)節(jié)裝置和動力裝置，其中第一彎頭1、發(fā)散段3、實驗段、收縮段7、渦破碎與整流段8、第二彎頭10、第三彎頭11、溫度調(diào)節(jié)段13、第四彎頭18之間通過法蘭依次連接形成一個閉合的實驗水洞，所述第一彎頭1上設(shè)置進水口2，所述實驗段包括依次連接的第一水平過渡段4、實驗視窗段5和第二水平過渡段6，其中第一水平過渡段4、實驗視窗段5和第二水平過渡段6的中軸線與第一彎頭1和第二彎頭10水平段的中軸線同軸，所述第二彎頭10上設(shè)置壓力表9，所述溫度調(diào)節(jié)段上13設(shè)置排污口、排水口17和溫度調(diào)節(jié)口，實驗水洞通過溫度調(diào)節(jié)口與外接的溫度調(diào)節(jié)裝置連接，所述動力裝置包括驅(qū)動電機15和螺旋槳14，驅(qū)動電機15通過聯(lián)軸器與螺旋槳14連接；所述第四彎頭18上設(shè)置通孔，聯(lián)軸器穿過該通孔將驅(qū)動電機15設(shè)置在在第四彎頭18外側(cè)，將螺旋槳14設(shè)置在調(diào)溫段13管道內(nèi)部，螺旋槳14槳葉的中心軸、驅(qū)動電機15軸和溫度調(diào)節(jié)段13的中軸線同軸。

所述渦破碎與整流段8在與收縮段7連接的一端設(shè)置渦破碎網(wǎng)，渦破碎網(wǎng)上設(shè)置若干小圓孔。

所述發(fā)散段3是橫截面為類拋物線的回旋體，當(dāng)液體在水洞中完成一次循環(huán)后，其速度會較大，而本實驗裝置研究的是低速大流量的液體流動，所以需要通過發(fā)散段降低液體的流速，進行下一次循環(huán)，水流由發(fā)散段小口進入，由大口流出，其減速比與進水和出水口的面積成正比。由于收縮段是最重要的一個部分，針對收縮段外形尺寸，國內(nèi)外做過很多研究，收縮段截面曲線是根據(jù)清華大學(xué)周剛等人研究得到的batchelor-shaw曲線設(shè)計的。

所述實驗視窗段5為圓柱體或者立方體，其內(nèi)徑不超過第一彎頭1和第二彎頭10的出水口直徑。

所述實驗視窗段5由耐壓的有機玻璃制成，透明的視窗適用于觀察液體在管道中的流動情況；

所述實驗段內(nèi)部設(shè)置實驗?zāi)Ｐ腕w。

所述實驗段外側(cè)設(shè)置用于監(jiān)控實驗段內(nèi)繞流流場演化的ccd，以及用于探測模型形變和受力的應(yīng)力傳感器。

所述立式承壓溫度可調(diào)實驗水洞還包括用于實現(xiàn)實驗支撐和定位的支撐架16，所述支撐架16固定在第三彎頭11、溫度調(diào)節(jié)段13、第四彎頭18下部。

所述第一彎頭1、渦破碎與整流段8、第二彎頭10、第三彎頭11、溫度調(diào)節(jié)段13和第四彎頭18均采用國標(biāo)(gb/t14976-2012，流體輸送用不銹鋼無縫鋼管)圓管結(jié)構(gòu)，便于加工；所述支撐架16選用厚度為10mm的304不銹鋼材質(zhì)制成。

對于法蘭密封，由于是水實驗，在保證清潔的條件下，選擇聚四氟乙烯墊片滿足要求。

本發(fā)明水洞方便拆卸和移動，可以模擬不同溫度、水深、壓力和流速的流場。下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。

實施例1：

如圖1和圖2所示，立式承壓溫度可調(diào)實驗水洞總高2160.8mm，總長為5407mm，包括第一彎頭1、發(fā)散段3、實驗段、收縮段7、渦破碎與整流段8、第二彎頭10、第三彎頭11、溫度調(diào)節(jié)段13、第四彎頭18、溫度調(diào)節(jié)裝置和動力裝置，其中第一彎頭1、第二彎頭10、第三彎頭11和第四彎頭18均形成90°的拐角，第一彎頭的兩端分別通過法蘭與發(fā)散段3和第四彎頭18固定連接，其上部設(shè)置一個垂直向上的注水口2，也可以作為排壓閥，注水口上面裝有閥門，第一彎頭的具體尺寸如圖3所示；發(fā)散段3的兩端分別通過法蘭與第一彎頭1和實驗段4固定連接，發(fā)散段3是截面為類拋物線的回旋體，具體尺寸如圖4所示，口徑為410mm的一端與第一彎頭1連接，口徑為40mm的一端與實驗段4連接，因此可以實現(xiàn)對實驗段來流的減速；實驗段的兩端分別通過法蘭與發(fā)散段3和收縮段7固定連接，實驗段3的中軸線與第一彎頭1和第二彎頭10水平段的中軸線同軸，實驗段3包括依次連接的第一水平過渡段4、實驗視窗段5和第二水平過渡段6，實驗視窗段5主要是由耐壓的有機玻璃板制成，實驗視窗段5是可以更換的，可以更換成圓柱形或者立方體形，其口徑不能超過第一彎頭1和第二彎頭10的出水口直徑；收縮段7的兩端分別通過法蘭與實驗段和渦破碎與整流段8固定連接，其和發(fā)散段一樣也是由回轉(zhuǎn)體形的外壁面組成，具體尺寸如圖5所示，內(nèi)徑為40mm的一端和實驗段連接，內(nèi)徑為410mm的一端和整流破碎段8連接，因此可以將流體收縮加速注入實驗段中；渦破碎與整流段8的兩端分別通過法蘭與收縮段7和第二彎頭10固定連接，渦破碎與整流段8在與收縮段7連接的一端設(shè)置渦破碎網(wǎng)，渦破碎網(wǎng)上布滿直徑為10mm圓孔的渦破碎網(wǎng)(如圖6和7所示)，用于將不規(guī)則的來流重新碎化整合，進而在渦破碎與整流段8出口端及收縮段7的入口處形成均勻流動；第二彎頭10的兩端分別通過法蘭與渦破碎與整流段8和第三彎頭11固定連接，其水平段設(shè)置垂直向上的管路，其上安裝壓力表9；溫度調(diào)節(jié)段13的兩端分別通過法蘭與第三彎頭11和第四彎頭18固定連接，具體尺寸如圖8和9所示，溫度調(diào)節(jié)段13總長為3472.4mm，內(nèi)徑為410mm，為了方便操作把溫度調(diào)節(jié)段放在水洞的最下邊，其中部設(shè)置一個向下的排污口和與溫度調(diào)節(jié)設(shè)備連接的溫度調(diào)節(jié)口，實驗中在此通過法蘭接入溫度調(diào)節(jié)裝置和傳感器來調(diào)節(jié)和監(jiān)控水洞中液體的溫度，其下部設(shè)置排水口，排污口上設(shè)置閥門；第四彎頭18處外接動力裝置15，如圖11所示，因此在第四彎頭18側(cè)面留出一個法蘭以安裝動力裝置15；動力裝置由外置的小型三相異步電動機(電機型號joh80-355，輸入電壓380v，輸出功率0.75～315kw，外殼為封閉式，可防止灰塵、水滴浸入)和內(nèi)置的聯(lián)軸器與螺旋槳14構(gòu)成，如圖12所示，電機通過外置的控制器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，進而改變水洞中水流的速度和壓力，螺旋槳14置于調(diào)溫段13的管道中用于推動管道內(nèi)流體定向運動，安裝時保持螺旋槳14槳葉轉(zhuǎn)動中心軸、驅(qū)動電機15軸和溫度調(diào)節(jié)段的中軸線同軸；支撐架16固定在第三彎頭11、溫度調(diào)節(jié)段13、第四彎頭18下部，如圖10所示，支架長4574mm，厚度為12mm，通過solidworks軟件初步估算當(dāng)水洞工作時系統(tǒng)總重為1.2t～1.6t，這對一個1.7×5.5m的裝置來說這個重量對其支撐要求相當(dāng)高，由于支撐架不僅要實現(xiàn)支撐功能還要起定位作用，考慮系統(tǒng)整體質(zhì)量分布，支撐架選用厚度為10mm的304不銹鋼材質(zhì)。

根據(jù)國家有關(guān)法律要求水實驗中材料必須符合環(huán)保要求，故除視窗段外，水洞其他主體結(jié)構(gòu)均采用304不銹鋼。本承壓水洞設(shè)計的耐壓為0.5～3atm，由于本系統(tǒng)整體裝置均為管道結(jié)構(gòu)，那么在滿足強度要求的情況下，管壁越薄越經(jīng)濟，但考慮加工到加工成型的難易程度，所以選用5mm壁厚的管，利用薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)壓公式，代入最大壓力得到＝12.3mpa，這個壓力遠小于屈服極限壓力。

實施例2：

本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上，在實驗段外側(cè)架設(shè)置ccd，用來監(jiān)控實驗段內(nèi)繞流流場演化，設(shè)置應(yīng)力傳感器，用來探測模型的形變和受力。

實施例3：

本實施例在實施例2的基礎(chǔ)上，在水洞添加多分量應(yīng)力天平、激光多普勒測速(ldv)與粒子影像測速儀(piv)等流場結(jié)構(gòu)測量與流體動力參數(shù)測量系統(tǒng)。操作步驟：

操作時首先將各個部件按照圖所示連接起來，連接時在間隙中填充聚四氟乙烯墊片來防止漏水，在實驗段內(nèi)安裝支架和搭載于支架上的所需測試的模型體如潛艇模型，并按照需求選取所需要的實驗段形狀尺寸，關(guān)閉排污閥，在上側(cè)注水口注水，可以在水中根據(jù)需要施加適合比例的氯化鈉或硫酸銅來調(diào)配弱電解質(zhì)溶液，也可以在模型體周圍注入高錳酸鉀作為示蹤粒子。實驗中通過電機控制箱緩慢的調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，同時關(guān)注壓力表示數(shù)以及水洞各部件連接處的密封效果，如果一切正常就可以不斷的調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來控制水壓和流速。

該水洞實驗系統(tǒng)由水洞機械結(jié)構(gòu)、動力驅(qū)動系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成。水洞機械結(jié)構(gòu)部分主要用于形成均勻性良好的初始流場，其基本結(jié)構(gòu)有壓力段(含壓力分散結(jié)構(gòu))、收縮段(含蜂窩整流結(jié)構(gòu))、實驗段、尾流發(fā)散段與回流水箱(溫度調(diào)節(jié)段)等。與水洞機械部分配套的動力驅(qū)動系統(tǒng)主要由電動機和螺旋槳組成，驅(qū)動低速大流量流體，流體流動從水箱(溫度調(diào)節(jié)段)經(jīng)整流塔(渦破碎與整流段)、收縮段、實驗段、發(fā)散段、回到水箱(溫度調(diào)節(jié)段)，以形成封閉循環(huán)。其中，蜂窩整流結(jié)構(gòu)主要由整流段和渦破碎網(wǎng)組成，以更好的實現(xiàn)均勻來流。水洞實驗段的界面尺度為300mm×300mm(方形實驗段)，實驗雷諾數(shù)可達到10⁶數(shù)量級，流場湍流度可以控制在5％左右。