CN106644332B - 流激涡放频率实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种流激涡放频率实验装置，包括流激试验管道、蜂窝器、轴流泵电机5、流速测速仪、水密盖板、注水口、排气口、水密活塞和设置在试件上的压力计、振动加速度计，流激试验管道分非试验区管道和试验区管道，非试验区管道上方设置有注水口和排气口，试验区管道的一个面上设置有方形孔，可拆卸水密盖板安装在所述方形孔上，流速测速仪设置在试验区管道的上壁面的前端，轴流泵电机设置在流激试验管道外部，轴流泵电机的输出端连接有水密轴管，水密轴管的端部伸入至非实验区管道内且安装有轴流泵桨叶，蜂窝器设置在轴流泵桨叶与突缩段之间的非实验区管道上。本发明可测得试件的流激涡放频率，且低成本、适用范围广、结构简单、操作方便等。

Description

流激涡放频率实验装置
技术领域
本发明涉及一种流激涡放频率实验装置，属于构件振动参数测量领域。
背景技术
当流体以一定速率与构件接触时，流体前缘受构件阻碍产生高压区，高压区将沿构件两侧向下延伸，到达截面宽度最大处分离，流体分离后沿结构表面发生回流现象。回流使原流体边界层脱离构件表面，形成向下游延伸的自由剪切层和夹在两个剪切层之间的尾流区。由于剪切层与外围自由流区接触，速度会大于内部尾流区，流体将先产生若干具有一定周期性的漩涡而后分散.当漩涡脱离构件时，它对构件产生的升力相应减小，直至消失，而对侧继续产生下一个漩涡，并生成与刚才升力方向相反的力，每对漩涡构成一组垂直于来流方向的周期力，周而复始作用于构件上，引发构件的振动，这种振动称为涡激振动，此时漩涡引起的振动频率称为流激涡放频率。
当涡激振动涡放频率与构件固有频率接近甚至相同时，将使构件发生共振现象，引起构件的剧烈振动，对构件产生破坏甚至影响整体结构的正常工作。因此，得到构件在某一工作条件下的流激涡放频率就很重要，在设计阶段就使构件的固有频率尽可能远离其流激涡放频率。然而当构件尺寸较大或实验条件难以满足时，采取模拟实际情况下的涡激振动试验就会存在高成本、浪费资源等缺点，这时采取低成本的缩尺比水洞涡激振动试验就显得很重要，不仅能降低成本，而且还有试验装置操作简单、方便等特点。
通过对现有技术的文献检索发现，近年来，关于流激涡放频率实验装置相类似的专利鲜有发表，与本发明申请有关的公开资料主要包括：1、低速风洞洞体设计(《机床与液压2008年5月》)；2、横置于拖曳水池中柔性管件模型的涡激振动试验装置(专利号公开号CN101089578 2007年12月)；3、一种海底管道均匀流涡激振动模拟试验装置(专利号公开号CN202033164U 2011年11月)。
文献1应用流体仿真软件对设计的低速风洞流场品质进行了验证，总结出了低速直流风洞洞体设计方面一些主要参数的选取依据，并且在这些依据的基础上设计了一低速直流风洞，最后利用仿真软件Fluent对该风洞的流场品质进行了验证，与本专利差异巨大。专利1和2均属于大型拖曳水池中管件涡激振动实验装置，在原理、装置结构及应用范围等方面与本专利都存在较大差异。
根据以上查新结果分析，已公开发表的文献和专利与本发明均有较大差异。本专利对流激涡放频率简易试验装置的测量原理和使用方法进行了详细介绍，为构件流激涡放频率的测量提供了一种有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种流激涡放频率实验装置，用于测量试件受流体扰动而产生的涡放频率。
本发明的目的是这样实现的：包括流激试验管道、蜂窝器、轴流泵电机、流速测速仪、可拆卸水密盖板，截面形状是圆弧形的非实验区管道的两个端部分别通过突缩段和突扩段与截面形状是方形的试验区管道的两端过度连接，且流激试验管道是由非试验区管道和试验区管道组成的方形结构，非试验区管道上方设置有注水口和排气口，所述试验区管道的一个面上设置有方形孔，可拆卸水密盖板安装在所述方形孔上，流速测速仪设置在试验区管道的上壁面的前端，试件安装在试验区管道内，且试件上设置有压力机和振动加速度计，轴流泵电机设置在流激试验管道外部，轴流泵电机的输出端连接有水密轴管，水密轴管的端部伸入至非实验区管道内，且水密轴管的端部安装有轴流泵桨叶，所述蜂窝器设置在轴流泵桨叶与突缩段之间的非实验区管道上。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.注水口和排气口上分别设置有水密活塞。
2.试验区管道的上下两个壁面的材料是有机玻璃、其余两个壁面的材料是钢，非实验区管道的材料是钢。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以测得试件的流激涡放频率，具有结构简单、低成本、测量范围广、操作方便、精度高和稳定性好等优点。本发明的流激试验管道是由非试验区管道和试验区管道组成的方形结构，通过调节轴流泵电机档位控制管道内流速的大小，有效模拟实际条件下涡激振动情况；利用蜂窝器均匀来流，满足试验对流体均匀度的要求，稳定试验测试环境提高测量精度。
附图说明
图1是本发明的主视方向的结构示意图；
图2是本发明的左视方向的结构示意图；
图3是本发明的俯视方向的结构示意图；
图4是本发明的轴流泵电机的结构示意图；
图5是本发明的蜂窝器的结构示意图；
图6是本发明的可拆卸水密盖板的结构示意图；
图7是本发明的整体结构示意图。
图中：1.注水口，2.排气口，3.水密活塞，4.非试验区管道，5.轴流泵电机，6.水密轴管，7.轴流泵桨叶，8.轴流泵桨毂，9.蜂窝器，10.突缩段，11.流速测速仪，12.水密盖板，13.紧固螺丝，14.试验区管道，15.突扩段。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的流激涡放频率简易试验装置包括流激试验管道、蜂窝器9、轴流泵电机5、流速测速仪11、水密盖板12、注水口1、排气口2、水密活塞3和设置在试件上的压力计、振动加速度计，如图7所示。流激试验管道分非试验区管道和试验区管道，非试验区为截面形状是圆形的管道，管道半径为0.4m，非试验区的上部圆柱形管道左边设置有注水口1，用于试验前向试验装置内注水，注完水后用水密活塞3水密，右边设置有排气口2，用于注水时试验装置排气，排气口2注水时开启试验时水密，开口半径为0.08m，高为0.1m，圆弧区半径1m，非试验区的下部圆柱形管道左边设置有轴流泵桨轴系统，轴流泵电机5置于管道外左侧，通过传动轴与桨轴系统相连，桨叶和桨毂通过轴系与电机相连且置于管道左侧内，扇叶半径为0.38m，传动轴半径为0.08m，轴管半径0.1m，轴流泵桨轴系统右侧设置有蜂窝器9，蜂窝器9厚度为0.2m，用以均匀来流；非试验区管道逐渐过渡到试验区管道，试验区管道为截面形状是方形的管道，试验区管道尺寸为0.5m×0.5m，试验区管道上壁面前端布置流速测速仪11，试验区管道的上壁面中部开口设置可拆卸水密盖板12，水密盖板12通过螺丝与上壁面固定，水密盖板12卸下后可向试验区安装试件，试件上设置有压力计、加速度计。突缩段10和突扩段15管道长度均为0.3m，流激试验管道左右对称分布，管道整体长5.04m，高2.85m。所有管道厚度均为0.01m，为方便观察，试验区管道左右壁面为有机玻璃，上下壁面为钢，其余所有柱形管道壁面均为钢。
下面分步对本发明的各个组成进行描述：
(1)流激试验管道和可拆卸水密盖板
流激试验管道采用形式：流激试验管道分非试验区管道4和试验区管道14，非试验区为柱形管道，逐步过渡为试验区的方形管道，试验区管道上方前部布置有流速测速仪11，上方中央开有方形孔，水密盖板12通过紧固螺丝13与方形开孔四周连接，且与可拆卸水密盖板12水密，方形开孔方便试件安装，也即这有利于仪器及测量设备的布置，开口尺寸为0.50m×0.24m，且以可拆卸水密盖板12水密，水密盖板12尺寸为0.60m×0.34m，边缘厚度为0.01m，中间厚度为0.02m。水密盖板12边缘共开12个螺丝孔，孔直径0.02m，如图6所示。
(2)注水口和排气口
非试验区圆柱形管道上方设置有出气口和排气口2，用来向试验装置内注水。试验准备阶段，先打开注水口1和排气口2的水密活塞3，然后通过注水口1向实验装置内注水，待装置内水满后停止注水并用水密活塞3水密注水口1和排气口2。
(3)蜂窝器
非试验区圆柱形管道下方设置蜂窝器9，蜂窝器9主要起到均匀流体的作用，由轴流泵桨叶7产生的水流很不均匀，会影响试验测试结果，蜂窝器9因其多空结构可使来流快速均匀，满足试验对流体均匀度的要求。
(4)轴流泵电机
非试验区圆柱形管道下方左侧布置有轴流泵系统，包括电机、轴系、水密轴管6、桨叶和桨毂。电机布置于管道外部，桨毂、桨叶布置与管道内部蜂窝器9左侧，通过轴系与电机相连接，轴系外包有水密轴管6，水密轴管6与圆柱形试验管道相连，通过调节轴流泵电机5档位来控制管道内流速的大小，以满足试验条件。
(5)流速测速仪
由前述可知试验区方形管道的具体尺寸(a＝0.5m)，由雷诺数公式Re＝VL/μ，L为水力半径，流速测速仪11可测得方管内流速，利用公式算得雷诺数。为保证试验与实际情况相符合，应使两者的雷诺数(Re)相等来确保试验与实际流场情况相同，由公式St＝fsL/V＝fs′L′/V′可以得到构件实际的涡放频率fs＝fs′(L′/L)·(V/V′)。
本发明的具体工作过程是：打开注水口1和排气口2水密活塞3，从注水口1向装置内注水，注水完毕后使用水密活塞3水密注水口1和排气口2，轴流泵系统运行，流体在管道中流动，蜂窝器9使流体均匀流向试验区，流速测速仪11可测得管道内流速值，进而可算出管道内流体雷诺数。可以通过调节轴流泵电机5档位控制管道内流速的大小，进而改变流场雷诺数，以保证试验与实际情况雷诺数相同，真实模拟实际流场情况。通过调节轴流泵电机5档位控制管道内流速，利用流速测速仪11测得管道内流速值V'，实现试验与实际情况的雷诺Re相一致，从而实现试验与实际流场相同，利用压力计、加速度计测得构件的流激涡放频率fs′，由公式St＝fsL/V＝fs′L′/V′可以得到大型构件实际的涡放频率fs＝fs′(L′/L)·(V/V′)，达到以较小的试验件测量大型构件的流激涡放频率。

Claims (3)

1.流激涡放频率实验装置，其特征在于：包括流激试验管道、蜂窝器、轴流泵电机、流速测速仪、可拆卸水密盖板，截面形状是圆弧形的非实验区管道的两个端部分别通过突缩段和突扩段与截面形状是方形的试验区管道的两端过度连接，且流激试验管道是由非试验区管道和试验区管道组成的方形结构，非试验区管道上方设置有注水口和排气口，所述试验区管道的一个面上设置有方形孔，可拆卸水密盖板安装在所述方形孔上，流速测速仪设置在试验区管道的上壁面的前端，试件安装在试验区管道内，且试件上设置有压力计和振动加速度计，轴流泵电机设置在流激试验管道外部，轴流泵电机的输出端连接有水密轴管，水密轴管的端部伸入至非实验区管道内，且水密轴管的端部安装有轴流泵桨叶，所述蜂窝器设置在轴流泵桨叶与突缩段之间的非实验区管道上。
2.根据权利要求1所述的流激涡放频率实验装置，其特征在于：注水口和排气口上分别设置有水密活塞。
3.根据权利要求1或2所述的流激涡放频率实验装置，其特征在于：试验区管道的上下两个壁面的材料是有机玻璃、其余两个壁面的材料是钢，非实验区管道的材料是钢。
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