CN103149011A - 形成高速稳定流场的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明之形成高速稳定流场的试验装置包括水罐，水罐侧壁设有出口，所述出口通过管道连接有水平流道，所述水平流道包括引流段、稳定段、收缩段、试验段及扩张段；水罐通过管道连接有供气系统和压力控制系统，所述供气系统包括气源压力罐、空压机，气源压力罐通过进气管路与水罐连接，进气管路上装有流量控制阀；所述压力控制系统由流量控制阀、PLC控制器、压力变送器、水罐组成，压力变送器装在水罐的所述出口轴线上；本发明之形成高速稳定流场的方法通过高压气体驱动水流，同时通过所述压力控制系统，实现对高压气体的控制，即控制水平流道入口处的压力恒定，以便在试验段得到稳定流速。本发明可以形成高速、稳态且流场品质较好的试验流场。

Description

形成高速稳定流场的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及水动力学试验技术领域，具体涉及通过可控的高压气体驱动水流进而形成高速稳定流场的试验装置及方法。

背景技术

水动力学试验是利用各种实验设备和仪器测定表征水或其他液体流动及其同固体边界相互作用的各种物理参量，并对测定结果进行分析和数据处理，以研究各种参量之间的关系，水动力学实验内容广泛，其试验设备种类繁多。随着科技水平的发展和研究水平的进步，水动力学研究的重点开始转向高速流动，比如高速船舶、高速水下武器、高速流体机械、高速射流等。对这些高速流动的研究同样需要借助相应的试验装置以及测定仪器，用以发现新的现象、获取关键参数，并得出相关结论。由于高速流动往往伴随着空化现象的发生，对高速流动的研究往往与空化流的研究密切相关，因此，高速流动研究所需要的试验装置需具备一定的要求，比如试验装置需具有很高的流速、很大的弗劳德数、很低的空化数以及试验流场中很低的气泡含量。

水洞、水槽均是常用的水动力学试验设备，二者均是采用叶轮泵来驱动水流，其中水洞是用于试验段没有自由表面的流体特征规律的试验，可进行常规水动力学试验、空泡试验、边界层机理和水噪声试验等，现有的水洞大多数是用叶轮泵作为动力驱动水流，经稳定段、收缩段、试验段、扩压段和回流管道至叶轮泵，构成闭循环水洞，这种水洞可达到一定的水流速度，但是由于其流动建立方式为叶轮泵驱动，在高速流动条件下很容易因空化数的降低而使叶轮泵叶片空化，由此导致失速，而且湍流度较高。因此常规的水洞很难实现很高的流速，其并不适用于伴有空化现象的高速流动的研究。另一方面，常规的闭循环水洞还存在严重的气泡回流现象，难以保证较好的流场品质。

发明内容

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种形成高速稳定流场的试验装置及方法，其可以形成高速的、稳态的、流场品质较好的试验流场，且其装置结构简单。

本发明的技术方案如下：

本发明之形成高速稳定流场的试验装置，包括水罐，水罐的上方设有进口，水罐的侧壁设有出口，所述出口通过管道连接有水平流道，所述水平流道包括顺序连接的引流段、稳定段、收缩段、试验段及扩张段，扩张段带有出口闸门，所述稳定段包括第一稳流段、蜂窝器段及第二稳流段；水罐通过管道连接有供气系统和压力控制系统，所述供气系统包括气源压力罐，气源压力罐一端与空压机管道连接，另一端通过进气管路与水罐连接，进气管路上装有流量控制阀；所述压力控制系统由流量控制阀、PLC控制器、压力变送器、水罐顺序连接组成，压力变送器装在水罐的侧壁上，与所述出口位置相对，并与所述出口处于同一轴线上。

其进一步技术方案为：

水罐的所述进口设在水罐的顶部，水罐顶部的进气管路的末端装有倒锥形的导流罩。

所述试验段用于安装试验对象，所述试验对象特征面积与试验段横截面面积之比小于7%。

在水罐的水面上放置可随水位变化而相应移动的压浪板。

所述流量控制阀的全行程时间小于0.3秒，其开度控制的有效范围为10%～85%。

在流量控制阀上游的进气管路上设有减压稳压阀。

所述稳定段的长度大于其横截面等效直径的3倍。

所述收缩段的收缩比取6～9，收缩段的曲线为五次多项式、且其二阶导函数连续的钱学森曲线，收缩段的拐点在距离其大径端60%距离处。

所述扩张段的单边扩张角小于7°。

本发明之形成高速稳定流场的方法，包含以下步骤：

第一步，对试验装置的水罐、流量控制阀、空压机进行计算选型：

A、水罐的容积计算，并由此设计水罐的尺寸：根据试验对象的具体要求给出试验装置的主要技术指标：水速及其精度、工作段尺度、湍流度、匀速时间t₂、最低空化数、弗劳德数，这些参数是试验装置的设计输入条件，根据设计水速与工作段尺度计算流量q，选择加速时间t₁、减速时间t₃，计算水罐的容积为                                               

，容积系数k的选取需考虑到水罐所述出口中心以下部分的容积；

B、流量控制阀的选型：其选型与水罐水面上方自由空间的容积、压力随时间的变化规律相关，采用CFD方法或者采用非定常伯努利方程计算流体力学，在计算结果的基础上，导出流量控制阀的补气规律及开度变化规律，由此作为流量控制阀的选型参数；

C、空压机的选型：根据流量控制阀的补气规律，设计气源压力罐的主要参数：压力、容积，由此进行空压机的选型；

D、所述水平流道内壁的光洁度设计：其设计的原则是使孤立粗糙元的几何尺度小于流动边界层的厚度；

第二步，为气源压力罐充气，为水罐充水，并将试验对象安装至试验段；

第三步，通过流量控制阀的控制将高压气体注入到水罐内的自由面上方，高压气体推动罐内水体向所述出口处流动，流动经过引流段的引流、所述稳定段的整流和收缩段的二次整流及加速之后进入试验段；

第四步，在第三步骤中，需要保持所述水平流道入口压力恒定，使得所述水平流道入口及其出口间的压差恒定，以便在试验段得到稳定的流速，控制方法是：通过压力变送器、流量控制阀与PLC控制器构成的闭环压力控制系统，动态地控制流量控制阀的开度，即动态控制水罐的自由空间的压力，从而控制所述水平流道入口压力的恒定；

第五步，水罐内的水体在可控的高压气体的驱动下，向所述出口处流动，经过引流段、稳定段和收缩段后进入试验段，通过第四步骤中的所述闭环压力控制系统控制所述水平流道入口压力恒定，由此水体流动至试验段，并可在试验段内形成试验所需的高速稳定流场。

本发明的技术效果：

本发明通过高压气体驱动水流从而建立流动方式，同时通过流量控制阀、PLC控制器与压力变送器组成的压力控制系统，实现对高压气体的控制，所述压力控制系统对流量控制阀的开度进行动态控制，进而动态控制进入水罐自由空间内的气量，控制水罐自由空间内的压力，既而控制水罐所述出口处的压力恒定，亦即控制所述水平流道入口处的压力恒定，使得所述水平流道入口和出口间的压差恒定，以便在试验段得到稳定的流速；进行压力控制的同时，通过两个稳流段、稳流段之间的蜂窝器段以及收缩段对水流进行两次整流并加速，可以获得更高且稳定的试验水速，形成高速的、稳态的、流场品质较好的试验流场；导流罩以及压浪板的设置可对气流进行缓冲，避免了高速气流直接冲击罐内水面引起的罐内水体的剧烈震荡，同时压浪板还起到消除“澡盆涡”的作用，可以进一步稳定水流；流量控制阀的设计和选型满足其快速性和定位器的准确性的要求；减压稳压阀的设置，可以使流量控制阀的阀前压力处于一个较稳定的状态，可以最大化地提高流量控制阀的控制效能。

附图说明

图1为本发明之形成高速稳定流场的试验装置的简易结构示意图。

其中：1、水罐；2、收缩段；3、试验段；4、扩张段；5、第一稳流段；6、蜂窝器段；7、第二稳流段；8、气源压力罐；9、空压机；10、进气管路；11、流量控制阀；12、PLC控制器；13、压力变送器；14、导流罩；15、压浪板；16、减压稳压阀；17、引流段。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

见图1，本发明之形成高速稳定流场的试验装置包括水罐1，水罐1的上方设有进口，水罐1的侧壁设有出口，出口通过管道连接有水平流道，水平流道包括顺序连接的引流段17、稳定段、收缩段2、试验段3及扩张段4，扩张段4带有出口闸门，稳定段包括第一稳流段5、蜂窝器段6及第二稳流段7，所述引流段17采用弧形的喇叭口形状，以使水流平顺地流出；所述稳定段的长度大于其横截面等效直径的3倍，用于流体整流，蜂窝器段6的蜂窝器用于将大尺度的涡切割成小尺度涡；收缩段2的收缩比取6～9，收缩段2的曲线为五次多项式、且其二阶导函数连续的钱学森曲线，收缩段2的拐点在距离其大径端60%距离处，收缩段2用于二次整流及加速流体；试验段3用于安装试验对象，考虑到壁面效应的影响，关于试验段3横截面的尺寸设计方面，主要表现在面积阻塞比上，使试验对象特征面积与试验段3横截面面积之比小于7%；水罐1通过管道连接有供气系统和压力控制系统，供气系统包括气源压力罐8，气源压力罐8一端与空压机9管道连接，另一端通过进气管路10与水罐1连接，进气管路10上装有流量控制阀11；压力控制系统由流量控制阀11、PLC控制器12、压力变送器13、水罐1顺序连接组成，压力变送器13装在水罐1的侧壁上，与出口位置相对，并与出口处于同一轴线上。

具体地，水罐1的进口设在水罐1的顶部，水罐1顶部的进气管路10的末端装有倒锥形的导流罩14，在水罐1的水面上放置可随水位变化而相应移动的压浪板15，当对水罐1注入高压气体时，高压气体从水罐1的罐顶快速冲入，倒锥形的导流罩14可对气流进行缓冲，避免了高速气流直接冲击罐内水面引起的罐内水体的剧烈震荡，压浪板15使得气流不会直接冲击到罐内水面上，同时压浪板15还起到消除“澡盆涡”的作用。

为最大化地提高流量控制阀11的控制效能，应使阀前压力处于一个较稳定的状态，因此，在流量控制阀11上游的进气管路10上设有减压稳压阀16；流量控制阀11的全行程时间小于0.3秒，其开度控制的有效范围为10%～85%，可以满足流量控制阀11的快速性和定位器的准确性的要求；由于本发明中的试验装置采用了开放式流道，常规的抽真空方法不再适用，为此，在所述水平流道的最下游设置扩张段4，扩张段4的水速低于试验段3的水速，为防止流动分离，扩张段4的扩张角不宜太大，一般取单边扩张角小于7°。

本发明之形成高速稳定流场的试验装置的工作原理如下：

在试验之前，分别为气源压力罐8充气，为水罐1充水，并将试验对象安装至试验段3；试验开始后，通过流量控制阀11的控制将高压气体注入到水罐1内的自由面上方，高压气体推动罐内水体向罐体的所述出口方流动，流体的流动经过所述稳定段和收缩段2的两次整流以及收缩段2的加速，同时通过由流量控制阀11、PLC控制器12、压力变送器13、水罐1构成的压力控制系统的压力控制，即通过动态调整水罐1的自由空间内的压力，进而控制所述水平流道入口压力恒定，使得所述水平流道入口及其出口间的压差恒定，由此流体的流动进入试验段3后，可在试验段3获得稳定的流速，并进而形成试验所需的高速稳定流场。

本发明之形成高速稳定流场的方法，包含以下步骤：

第一步，对试验装置的水罐1、流量控制阀11、空压机9进行计算选型：

A、水罐1的容积计算，并由此设计水罐1的尺寸：根据试验对象的具体要求给出试验装置的主要技术指标：水速及其精度、工作段尺度、湍流度、匀速时间t₂、最低空化数、弗劳德数，这些参数是试验装置的设计输入条件，根据设计水速与工作段尺度计算流量q，考虑到流动加速与减速过程的消耗，还需选择加速时间t₁、减速时间t₃，计算水罐1的容积为

，容积系数k的选取需考虑到水罐1出口中心以下部分的容积，K一般取1.2，水体从静止加速到需要的水速的时间t₁一般取7秒～8秒，减速时间t₃的选择较为复杂，为避免高压气体涌入试验段3，常采用快速放空的方法，对于试验水速为30m/s以上的试验装置，宜在水罐1的罐顶安装3～4个口径为300mm的快开蝶阀，此时，减速时间t₃一般取6秒～7秒；

B、流量控制阀11的选型：其选型与水罐1水面上方自由空间的容积、压力随时间的变化规律相关，采用CFD方法或者采用非定常伯努利方程计算流体力学，在计算结果的基础上，导出流量控制阀11的补气规律及开度变化规律，由此作为流量控制阀11的选型参数；

C、空压机9的选型：根据流量控制阀11的补气规律，设计气源压力罐8的主要参数：压力、容积，由此进行空压机9的选型；

D、所述水平流道内壁的光洁度设计：为了避免所述水平流道内壁的空化，其设计的原则是使孤立粗糙元的几何尺度小于流动边界层的厚度，对于自然空化数为10^-2量级的试验段3，孤立粗糙元的尺度宜小于0.04mm，同时，在所述水平流道设计时尽可能避免过多的接缝，以尽量减小“突起”或“凹陷”的出现；

第二步，为气源压力罐8充气，为水罐1充水，并将试验对象安装至试验段3；

第三步，通过流量控制阀11的控制将高压气体注入到水罐1内的自由面上方，高压气体推动罐内水体向出口处流动，流动经过引流段17的引流、稳定段的整流和收缩段2的二次整流及加速之后进入试验段3；

第四步，在第三步骤中，需要保持水平流道入口压力恒定，使得水平流道入口及其出口间的压差恒定，以便在试验段3得到稳定的流速，控制方法是：通过压力变送器13、流量控制阀11与PLC控制器12构成的闭环压力控制系统，动态地控制流量控制阀11的开度，即动态控制水罐1的自由空间的压力，从而控制水平流道入口压力的恒定；具体的控制压力恒定的方法主要有两种，当要求的试验水速低于28m/s时，可采用开环控制方法，即预先设定流量控制阀11的开度变化，一般每隔1秒变化一个开度，具体的开度设置值需要经验地选取，随着试验装置的长期运行，积累的经验越来越丰富，开环控制方法将体现出它的优越性，即过渡时间短、匀速试验时间长、水速精度高；当要求的试验水速高于28m/s时，可采用PID闭环控制方法，通过压力变送器13动态地检测水罐1所述出口处的压力值，实时地向流量控制阀11发送执行信号以控制其开度值，由此实现水罐1所述出口处压力的恒定，即实现所述水平流道入口处的压力恒定；

第五步，水罐1内的水体在可控的高压气体的驱动下，向出口处流动，经过引流段17、稳定段和收缩段2后进入试验段3，流体流动方向如图1中箭头方向所示，通过第四步骤中的闭环压力控制系统控制水平流道入口压力恒定，由此水体流动至试验段3，并可在试验段3内形成试验所需的高速稳定流场。

本发明之装置及方法通过可控的高压气体推动水体流动，这种流动建立方式避免了常规的叶轮泵在高速下的叶片空化失速，可获得更高且稳定的试验水速。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。 

Claims (10)

1.形成高速稳定流场的试验装置，包括水罐（1），水罐（1）的上方设有进口，水罐（1）的侧壁设有出口，所述出口通过管道连接有水平流道，所述水平流道包括顺序连接的引流段（17）、稳定段、收缩段（2）、试验段（3）及扩张段（4），扩张段（4）带有出口闸门，其特征在于：所述稳定段包括第一稳流段（5）、蜂窝器段（6）及第二稳流段（7）；水罐（1）通过管道连接有供气系统和压力控制系统，所述供气系统包括气源压力罐（8），气源压力罐（8）一端与空压机（9）管道连接，另一端通过进气管路（10）与水罐（1）连接，进气管路（10）上装有流量控制阀（11）；所述压力控制系统由流量控制阀（11）、PLC控制器（12）、压力变送器（13）、水罐（1）顺序连接组成，压力变送器（13）装在水罐（1）的侧壁上，与所述出口位置相对，并与所述出口处于同一轴线上。

2.按权利要求1所述的形成高速稳定流场的试验装置，其特征在于：水罐（1）的所述进口设在水罐（1）的顶部，水罐（1）顶部的进气管路（10）的末端装有倒锥形的导流罩（14）。

3.按权利要求1所述的形成高速稳定流场的试验装置，其特征在于：所述试验段（3）用于安装试验对象，所述试验对象特征面积与试验段（3）横截面面积之比小于7%。

4.按权利要求1所述的形成高速稳定流场的试验装置，其特征在于：在水罐（1）的水面上放置可随水位变化而相应移动的压浪板（15）。

5.按权利要求1所述的形成高速稳定流场的试验装置，其特征在于：所述流量控制阀（11）的全行程时间小于0.3秒，其开度控制的有效范围为10%～85%。

6.按权利要求1所述的形成高速稳定流场的试验装置，其特征在于：在流量控制阀（11）上游的进气管路（10）上设有减压稳压阀（16）。

7.按权利要求1所述的形成高速稳定流场的试验装置，其特征在于：所述稳定段的长度大于其横截面等效直径的3倍。

8.按权利要求1所述的形成高速稳定流场的试验装置，其特征在于：所述收缩段（2）的收缩比取6～9，收缩段（2）的曲线为五次多项式、且其二阶导函数连续的钱学森曲线，收缩段（2）的拐点在距离其大径端60%距离处。

9.按权利要求1所述的形成高速稳定流场的试验装置，其特征在于：所述扩张段（4）的单边扩张角小于7°。

10.形成高速稳定流场的方法，其特征在于，包含以下步骤：

第一步，对试验装置的水罐（1）、流量控制阀（11）、空压机（9）进行计算选型：

A、水罐（1）的容积计算，并由此设计水罐（1）的尺寸：根据试验对象的具体要求给出试验装置的主要技术指标：水速及其精度、工作段尺度、湍流度、匀速时间t₂、最低空化数、弗劳德数，这些参数是试验装置的设计输入条件，根据设计水速与工作段尺度计算流量q，选择加速时间t₁、减速时间t₃，计算水罐（1）的容积为                                               

，容积系数k的选取需考虑到水罐（1）所述出口中心以下部分的容积；

B、流量控制阀（11）的选型：其选型与水罐（1）水面上方自由空间的容积、压力随时间的变化规律相关，采用CFD方法或者采用非定常伯努利方程计算流体力学，在计算结果的基础上，导出流量控制阀（11）的补气规律及开度变化规律，由此作为流量控制阀（11）的选型参数；

C、空压机（9）的选型：根据流量控制阀（11）的补气规律，设计气源压力罐（8）的主要参数：压力、容积，由此进行空压机（9）的选型；

D、所述水平流道内壁的光洁度设计：其设计的原则是使孤立粗糙元的几何尺度小于流动边界层的厚度；

第二步，为气源压力罐（8）充气，为水罐（1）充水，并将试验对象安装至试验段（3）；

第三步，通过流量控制阀（11）的控制将高压气体注入到水罐（1）内的自由面上方，高压气体推动罐内水体向所述出口处流动，流动经过引流段（17）的引流、所述稳定段的整流和收缩段（2）的二次整流及加速之后进入试验段（3）；

第四步，在第三步骤中，需要保持所述水平流道入口压力恒定，使得所述水平流道入口及其出口间的压差恒定，以便在试验段（3）得到稳定的流速，控制方法是：通过压力变送器（13）、流量控制阀（11）与PLC控制器（12）构成的闭环压力控制系统，动态地控制流量控制阀（11）的开度，即动态控制水罐（1）的自由空间的压力，从而控制所述水平流道入口压力的恒定；

第五步，水罐（1）内的水体在可控的高压气体的驱动下，向所述出口处流动，经过引流段（17）、稳定段和收缩段（2）后进入试验段（3），通过第四步骤中的所述闭环压力控制系统控制所述水平流道入口压力恒定，由此水体流动至试验段（3），并可在试验段（3）内形成试验所需的高速稳定流场。

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