CN106546407A - 开式可调压淹没射流式水洞及其形成流场的方法 - Google Patents

Abstract

开式可调压淹没射流式水洞，包括工作水箱，工作水箱包括顶部调压腔，工作水箱内，调压腔下方的空间被分隔成试验区域和调压段，调压腔的下部与试验区域、调压段均相通；试验区域的侧壁通过流道与上游水源连接，且流道正对安装在试验区域内的试验对象，流道上设有调速阀；调压段向下超出工作水箱并向下延伸形成调压竖井，调压竖井与下游水池连通；试验区域、调压竖井均配设有可升降的溢流堰；调压腔配设有压力调节系统。本发明还公开了设置淹没射流式试验区域、重力驱动水流、通过压力调节系统调压、调速阀调速、调压竖井引流来实现开式水洞形成压力流速可调流场的方法。本发明消除了筒壁效应，通过压力、速度可调能形成稳定、流场品质较好的流场。

Description

开式可调压淹没射流式水洞及其形成流场的方法

技术领域

本发明涉及水动力学试验技术领域，具体涉及应用于空化及超空泡试验的开式可调压淹没射流式水洞。

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。水洞是用于试验段没有自由表面的流体特征规律的水动力学试验设备，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，现有的常用闭循环式水洞和重力式水洞，工作段一般采用圆形或方形的流道，水洞工作段存在固壁，在模拟无限流域流场时，会存在筒壁效应（壁面效应），尤其在研究超空泡流动时，会导致空泡不模拟，故无法保证流场的品质。

发明内容

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种开式可调压淹没射流式水洞，其消除了筒壁效应，通过压力、速度可调能够形成稳定的、流场品质较好的试验流场。

本发明的技术方案如下：

本发明所述开式可调压淹没射流式水洞，包括工作水箱，工作水箱的侧壁设有与工作水箱连通的流道，所述流道包括顺序连接的水平整流段和引流段，引流段与上游水源连通，引流段上设有调速阀；工作水箱包括顶部的调压腔，工作水箱内，调压腔下方的空间被分隔成试验区域和调压段，调压腔的下部与所述试验区域、所述调压段均相通；所述流道设在所述试验区域的侧壁上，且水平整流段正对安装在所述试验区域内的试验对象；所述调压段向下超出工作水箱并向下延伸形成调压竖井，调压竖井与下游水池连通；所述试验区域为上部开口的槽体，所述试验区域的上部开口、调压竖井的下部出口分别配设有可升降的出水溢流堰一、可升降的溢流堰二；调压腔通过管道连接有压力调节系统。

其进一步技术方案为：

所述压力调节系统包括抽真空管路，所述抽真空管路一端与调压腔连通，另一端与外界大气连通，所述抽真空管路上设有真空泵，调压腔上设有压力表，所述抽空管路上设有控制阀，控制阀用于控制所述抽真空管路的接通与断开。

所述下游水池的自由液面与所述试验区域的自由液面之间的高度差大于十米。

本发明所述开式可调压淹没射流式水洞形成流场的方法，包含以下步骤：

第一步，关闭上游水源与工作水箱的试验区域之间的流道上的调速阀，工作水箱的顶部的调压腔通过抽真空管路与外界大气连通，调压腔与位于其下方的调压竖井、工作水箱内的试验区域均相通，将所述试验区域上的出水溢流堰一的高度降低，使所述试验区域内的水通过出水溢流堰一流入调压竖井，并最终通过调压竖井上的溢流堰二流入下游水池；

第二步，所述试验区域处于无水状态后，将试验对象安装在所述试验区域内，并使得所述试验对象正对所述流道的出口；

第三步，将出水溢流堰一的高度升高至设定高度，打开所述流道上的调速阀，上游水源的水在重力作用驱动下通过所述流道进入所述试验区域，直至所述试验区域内的水漫过出水溢流堰一并流入调压竖井，关闭所述流道上的调速阀；

第四步，将溢流堰二的高度降低至低于下游水池的自由液面，打开调压腔的所述抽真空管路上的真空泵进行抽真空，直至调压腔的压力达到设定试验压力，真空泵停止工作；

第五步，将溢流堰二的高度升高至高于下游水池的自由液面，并且低于调压竖井的自由液面，打开所述流道上的调速阀，调节至设定试验水速，由此在所述试验区域内形成具有设定试验水速和设定试验压力的流场。

本发明的技术效果：

1、本发明将安装试验对象的试验段设置成工作水箱内的一个充满水的试验区域，且所述试验区域的进水管路的出口正对试验对象，当水以较高速度进入并且冲向试验对象时，由此形成沿试验对象的淹没射流流动，相比于传统的使用圆形或方形流道的工作段的水洞结构，本发明由于采用淹没射流式试验区域，消除了筒壁效应。

2、在上游水源与所述试验区域的流道上设置水平整流段，可以获得稳定的、品质较好的流场。

3、本发明形成的流场的水从上游水源提供，经流道进入工作水箱的试验区域，再经出水溢流堰一进入调压竖井，最后经溢流堰二进入下游水池，由此形成一个非循环、非闭合的开式水洞结构，所述试验区域配设的出水溢流堰一保证了所述试验区域内的自由液面高度不变，从而确保所示试验区域的压力恒定，下游的调压竖井及下游水池的设置，确保了所述试验区域内的水流能够顺利从下游的溢流堰二流出并进入下游水池。

4、工作水箱内部在所述试验区域和调压段的上方预设一定空腔，所述空腔通过配设有压力调节系统，从而形成一个用于调节整个水洞的试验压力的调压腔，通过将调压腔与外界大气连通或者对调压腔抽真空，可对调压腔的压力进行调节，由此实现水洞的压力可调。

5、本发明所述水洞采用重力驱动水流，利用水位势能转换为推动水流动的动能，避免了动力式水洞中动力装置对流场的干扰，且噪音相对较小。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

其中：1、工作水箱；101、调压腔；2、水平整流段；3、引流段；4、上游水源；5、调速阀；6、调压竖井；7、下游水池；8、出水溢流堰一；9、溢流堰二；10、真空泵；11、压力表；12、控制阀。

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，本发明所述开式可调压淹没射流式水洞包括工作水箱1，工作水箱1的侧壁设有与工作水箱1连通的流道，所述流道包括顺序连接的水平整流段2和引流段3，引流段3与上游水源4连通，引流段3上设有调速阀5；工作水箱1包括顶部的调压腔101，工作水箱1内，调压腔101下方的空间被分隔成试验区域和调压段，调压腔101的下部与所述试验区域、所述调压段均相通；所述流道设在所述试验区域的侧壁上，且水平整流段2正对安装在所述试验区域内的试验对象，当水以较高速度进入所示试验区域时，在所示试验区域内正对水平整流段2出口的区域形成射流工作区域，图1中双点划线部分所示为射流工作区域；所述调压段向下超出工作水箱1并向下延伸形成调压竖井6，调压竖井6与下游水池7连通；所述试验区域为上部开口的槽体，所述试验区域的上部开口、调压竖井6的下部出口分别配设有可升降的出水溢流堰一8、可升降的溢流堰二9，出水溢流堰一8保证了所述试验区域内的自由液面高度不变，同时使所述试验区域内的水溢流并流入调压竖井6，溢流堰二9用于将调压竖井6内的水溢流并流入下游水池7及用于在抽真空作用下下游水池7的水溢流流入调压竖井6；调压腔101通过管道连接有压力调节系统。其中，出水溢流堰一8、溢流堰二9的可升降设置为成熟的现有技术，如通过电动控制伸缩杆上下伸缩可控制溢流堰的高度。上游水源4可以是大型的储水罐，也可以是水库。

具体地，所述压力调节系统包括抽真空管路，所述抽真空管路一端与调压腔101连通，另一端与外界大气连通，所述抽真空管路上设有真空泵10，调压腔101上设有压力表11，所述抽空管路上设有控制阀12，控制阀12用于控制所述抽真空管路的接通与断开。

为了确保在调压过程中，调压竖井8的液面始终低于出水溢流堰一8，确保调压竖井8内的水不会倒流至所述试验区域，所述下游水池7的自由液面与试验区域的自由液面之间的高度差大于十米，这个高度差可根据调压竖井的容积大小、设定试验压力大小等因素来确定。

本发明所述开式可调压淹没射流式水洞形成流场的方法，包含以下步骤：

第一步，关闭上游水源4与工作水箱1的试验区域之间的流道上的调速阀5，工作水箱1的顶部的调压腔101通过抽真空管路与外界大气连通，调压腔101与位于其下方的调压竖井6、工作水箱1内的试验区域均相通，将所述试验区域上的出水溢流堰一8的高度降低，使所述试验区域内的水通过出水溢流堰一8流入调压竖井6，并最终通过调压竖井6上的溢流堰二9流入下游水池7，从而对所述试验区域进行放水；

第二步，所述试验区域处于无水状态后，将试验对象安装在所述试验区域内，并使得试验对象正对所述流道的出口，即正对水平整流段2的出口，由此确保试验对象安装在所述试验区域的射流核心区；

第三步，将出水溢流堰一8的高度升高至设定高度，打开所述流道上的调速阀5，上游水源4的水在重力作用驱动下通过所述流道（依次通过所述引流段3和水平整流段2）进入所述试验区域，直至所述试验区域内的水漫过出水溢流堰一8并流入调压竖井6，关闭所述流道上的调速阀5；其中，出水溢流堰一8的设定高度（即试验时出水溢流堰一8的高度位置）根据所需的试验压力、所述试验区域的容积、调压腔101的容积等因素确定；

第四步，将溢流堰二9的高度降低至低于下游水池7的自由液面，打开调压腔101的抽真空管路上的真空泵10进行抽真空，直至调压腔101的压力达到设定试验压力，真空泵10停止工作；调节到设定试验压力后，由于出水溢流堰一8及其设定高度的设置保证了所述试验区域内的自由液面高度不变，故可以维持所述试验区域的压力恒定；

第五步，将溢流堰二9的高度升高至高于下游水池7的自由液面，并且低于调压竖井6的液面，打开所述流道上的调速阀5，调节至设定试验水速，由此在所述试验区域内形成具有设定试验水速和设定试验压力的流场。

在第五步形成的试验所需的流场内进行水动力试验，试验结束后，重复所述第一步骤，对所述试验区域放水，最后将试验对象拆除。

由于本发明所述水洞为重力式水洞，且在下游设置调压竖井，本发明所述水洞尤其适合在周围有一定高度落差的大型水库附近建设。

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 (4)

1.开式可调压淹没射流式水洞，包括工作水箱（1），工作水箱（1）的侧壁设有与工作水箱（1）连通的流道，所述流道包括顺序连接的水平整流段（2）和引流段（3），其特征在于：引流段（3）与上游水源（4）连通，引流段（3）上设有调速阀（5）；工作水箱（1）包括顶部的调压腔（101），工作水箱（1）内，调压腔（101）下方的空间被分隔成试验区域和调压段，调压腔（101）的下部与所述试验区域、所述调压段均相通；所述流道设在所述试验区域的侧壁上，且水平整流段（2）正对安装在所述试验区域内的试验对象；所述调压段向下超出工作水箱（1）并向下延伸形成调压竖井（6），调压竖井（6）与下游水池（7）连通；所述试验区域为上部开口的槽体，所述试验区域的上部开口、调压竖井（6）的下部出口分别配设有可升降的出水溢流堰一（8）、可升降的溢流堰二（9）；调压腔（101）通过管道连接有压力调节系统。

2.按权利要求1所述的开式可调压淹没射流式水洞，其特征在于：所述压力调节系统包括抽真空管路，所述抽真空管路一端与调压腔（101）连通，另一端与外界大气连通，所述抽真空管路上设有真空泵（10），调压腔（101）上设有压力表（11），所述抽空管路上设有控制阀（12），控制阀（12）用于控制所述抽真空管路的接通与断开。

3.按权利要求1所述的开式可调压淹没射流式水洞，其特征在于：所述下游水池（7）的自由液面与所述试验区域的自由液面之间的高度差大于十米。

4.开式可调压淹没射流式水洞形成流场的方法，其特征在于，包含以下步骤：

第一步，关闭上游水源（4）与工作水箱（1）的试验区域之间的流道上的调速阀（5），工作水箱（1）的顶部的调压腔（101）通过抽真空管路与外界大气连通，调压腔（101）与位于其下方的调压竖井（6）、工作水箱（1）内的试验区域均相通，将所述试验区域上的出水溢流堰一（8）的高度降低，使所述试验区域内的水通过出水溢流堰一（8）流入调压竖井（6），并最终通过调压竖井（6）上的溢流堰二（9）流入下游水池（7）；

第二步，所述试验区域处于无水状态后，将试验对象安装在所述试验区域内，并使得所述试验对象正对所述流道的出口；

第三步，将出水溢流堰一（8）的高度升高至设定高度，打开所述流道上的调速阀（5），上游水源（4）的水在重力作用驱动下通过所述流道进入所述试验区域，直至所述试验区域内的水漫过出水溢流堰一（8）并流入调压竖井（6），关闭所述流道上的调速阀（5）；

第四步，将溢流堰二（9）的高度降低至低于下游水池（7）的自由液面，打开调压腔（101）的所述抽真空管路上的真空泵（10）进行抽真空，直至调压腔（101）的压力达到设定试验压力，真空泵（10）停止工作；

第五步，将溢流堰二（9）的高度升高至高于下游水池（7）的自由液面，并且低于调压竖井（6）的自由液面，打开所述流道上的调速阀（5），调节至设定试验水速，由此在所述试验区域内形成具有设定试验水速和设定试验压力的流场。