CN109406099B - 一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置 - Google Patents

一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置，包括水箱(1)，离心泵(7)，以及设置在水箱(1)内的多孔板(2)和整流栅(3)；该水箱(1)的同侧上方开设有进水口、下方开设有出水口，多孔板(2)安装在进水口和出水口之间，整流栅(3)安装在出水口处，其出口依次连接有收缩段(4)、实验段(5)和扩张段(6)，扩张段(6)的出口连接离心泵(7)的入口，离心泵(7)的出口依次连接有回流段(8)、圆变方段(9)和渐扩段(10)，渐扩段(10)的出口连接水箱(1)的进水口。本发明采用的水动力学设计极大地降低了实验段流场的湍流度，整体实验装置结构紧凑，占用空间小，制造成本低，极大地提高了水洞实验装置的适用性。

Description

一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置
技术领域
本发明属于水动力学实验研究领域，特别涉及一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置。
背景技术
在水动力学相关的研究领域内，性能良好的水洞实验装置是获得重要流动规律及实验结果的关键设备。水洞的结构形式主要分两种：一种是直立式水洞，水流依靠重力从稳流段经收缩段，以一定的速度流入实验段，又称为重力式水洞；一种是循环水洞，水流由动力设备驱动依次流过稳定段、收缩段、实验段等结构，经回流管道，构成循环。由于直立式水洞建设成本高、占用空间大，且实验段流速随水位变化，所以现有水洞多采用循环设计。
循环水洞的优点是流速高、流量大，但是其依靠动力设备驱动，难以消除对流动的干扰，通常实验段的流场品质较低。现有的循环水洞降低水流扰动的方式往往是在进口设计复杂的整流装置或者将动力设备的出口管道大量延长，这不仅增大了水洞的占用空间，同时也急剧的增加了制造成本，降低了水洞实验装置的适用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种实验段流场品质高且结构紧凑、制造成本低的低湍流度紧凑式循环水洞实验装置。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置，包括水箱，离心泵，以及设置在水箱内的多孔板和整流栅；其中，
该水箱的同侧上方开设有进水口、下方开设有出水口，多孔板安装在进水口和出水口之间，整流栅安装在出水口处，其出口依次连接有收缩段、实验段和扩张段，扩张段的出口连接离心泵的入口，离心泵的出口依次连接有回流段、圆变方段和渐扩段，渐扩段的出口连接水箱的进水口。
本发明进一步的改进在于，该水箱的进水口截面为矩形，出水口截面为圆形。
本发明进一步的改进在于，收缩段由双三次曲线壁板构成，进口、出口均为圆形截面，沿流动方向截面面积逐渐减小，收缩比为9:1。
本发明进一步的改进在于，实验段由依次连接的三段圆形管道构成，并通过法兰连接，便于分段安装实验模型和测量设备。
本发明进一步的改进在于，扩张段的扩张角在3°到5°之间。
本发明进一步的改进在于，离心泵为单级单吸离心泵，进口水平设置，与扩张段相连，出口竖直向上设置，与回流段相连。
本发明进一步的改进在于，回流段为圆形管道，且管道折弯处布置有导流片。
本发明进一步的改进在于，圆变方段的进口为与回流段匹配的圆形截面，出口为与渐扩段匹配的方形截面，圆变方段采用钣金折弯加工而成。
本发明进一步的改进在于，渐扩段由五次曲线壁板构成，进、出口均为矩形截面，沿流动方向通流截面高度不变、宽度逐渐增大，扩展比为1:3。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置，采用的水动力学设计极大地降低了实验段流场的湍流度：水箱内多层多孔板和整流栅的设计维持水箱内水流沿孔均匀流动，破坏在水箱内部可能形成的局部大环流，将较大尺度的涡旋分割成小尺度的涡，显著提高流场品质；整流栅安装在水箱内，既起到整流稳定作用，又不额外占用空间，使得整体结构更紧凑。
进一步，收缩段由双三次曲线壁板构成，进、出口均为圆形截面，沿流动方向截面面积逐渐减小，收缩比为9:1，较大的收缩比和平滑的曲线过渡，保证了极高的速度均匀性。
进一步，实验段由依次连接的三段圆形管道构成，并通过法兰连接，便于分段安装实验模型和测量设备。实验段的材质可依据不同的实验要求进行调整，对于需要可视化或演示的实验可采用有机玻璃或高强度钢化玻璃构造，便于实验观察和粒子图像测速法(PIV)、激光多普勒测速仪(LDV)等光学测量。
进一步，扩张段的扩张角设计在3°到5°之间，具有提高实验段速度均匀性的作用。
进一步，离心泵为单级单吸离心泵，进口水平设置，与扩张段相连，出口竖直向上设置，与回流管道相连。单级单吸离心泵结构简单，运行平稳，便于管道布置安装，节省空间。
进一步，回流段设置有导流片，能够有效的梳理回流管道流动情况，消除大尺度涡旋，提高流场品质。
进一步，圆变方段的进口为回流段的圆形截面，出口为渐扩段的方形截面，圆变方段采用钣金折弯加工，工艺简单。
进一步，渐扩段由五次曲线壁板构成，进、出口均为矩形截面，沿流动方向通流截面高度不变、宽度逐渐增大，扩展比为1:3，该结构降低了回流管路出口的水流速度，减轻了水箱整流的负担。
综上所述，本发明结构紧凑，占用空间小，制造成本低，极大地提高了适用性：a.水洞实验装置整体为竖式两层结构，相较于水平循环结构节约一半以上占地面积；b.在水箱的同一侧开有进水口和出水口，减少了管道的铺设长度和弯折；c.多孔板与整流栅布置在水箱内，不额外占用空间，使得整体结构更紧凑。
附图说明
图1为本发明一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置的结构示意图。
图2为收缩段的结构示意图。
图3为渐扩段的结构示意图。
图中：1-水箱，2-多孔板，3-整流栅，4-收缩段，5-实验段，6-扩张段，7-离心泵，8-回流段，9-圆变方段，10-渐扩段。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：
请参阅图1至图3，本发明提供一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置，包括水箱1、多孔板2、整流栅3、收缩段4、实验段5、扩张段6、离心泵7、回流段8、圆变方段9和渐扩段10。
请参阅图1，水箱1的尺寸为1m*1m*2m，在同一侧开有进水口和出水口，进水口为矩形0.9m*0.3m，位于上方，出水口为圆形r＝0.3m，位于下方，同侧开口尽可能的减少了管道的铺设长度和弯折。水箱内设有3层多孔板，多孔板厚度为5mm，冲孔孔径为20mm，3层多孔板维持水箱内部水流沿孔均匀流动。整流栅为PVC多孔管，按水箱出口圆形截面裁剪安装在水箱内，长度为0.6m，栅格孔径为10mm，既起到整流稳定作用，又不额外占用空间，使得整体结构更紧凑。
请参阅图2，收缩段由双三次曲线壁板构成，为圆变圆渐缩段，进口圆形截面r＝0.3m出口圆形截面r＝0.1m，收缩比为9:1，收缩段长0.8m，双三次曲线的型线方程为：
Figure BDA0001901388860000041
其中，R为轴向距离x处的半径，R1与R2分别为进出口圆形截面半径，L为收缩段长度，xm为两曲线前后连接点与长度L的比值，通常取0.4～0.6，在本水洞实验装置的收缩段中取0.4。
实验段由三段圆形管道构成，通过法兰连接，便于分段安装实验模型和测量设备，实验段圆截面半径为0.1m，每段长度为0.4m。实验段的材质可依据不同的实验要求进行调整，对于需要可视化或演示的实验可采用有机玻璃或高强度钢化玻璃构造，便于实验观察和粒子图像测速法(PIV)、激光多普勒测速仪(LDV)等光学测量。
扩张段的扩张角在3°到5°之间，对实验段具有提高流速以及流动品质的作用。本实验装置根据扩张段选取的原则，水洞内的最低压强尽可能接近设计空化数时的压强，选取了扩张段的扩张角为5°。
离心泵为单级单吸离心泵，进口水平，与扩张段相连，出口竖直向上，与回流管道相连。单级单吸离心泵结构简单，运行平稳，便于管道布置安装，节省空间。
回流段为圆形管道，圆管半径0.15m，管道折弯处布置有导流片，导流片为1/4圆弧片，导流片厚度为2mm，前、后边缘采用倒角过渡，导流片间距20mm，能有效的梳理折弯管道流动冲击，消除大尺度涡旋，提高流场品质。
圆变方段进口为回流段的圆形截面r＝0.15m，出口为渐扩段的方形截面0.3m*0.3m，圆变方段采用钣金折弯加工，工艺简单，过渡圆滑。
请参阅图3，渐扩段由五次曲线壁板构成，沿流动方向通流截面高度不变、宽度逐渐增大，进口矩形截面0.3m*0.3m，出口矩形截面0.9m*0.3m，扩展比为1:3，五次曲线的型线方程为：
Figure BDA0001901388860000051
其中，R为通流截面在轴向距离x处的宽度方向的半径，R1与R2分别为进出口截面宽度方向的半径，L为渐扩段长度。渐扩段降低了回流管路出口的水流速度，减轻了水箱整流的负担。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的改进、修饰或其他实施例等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置，其特征在于，包括水箱(1)，离心泵(7)，以及设置在水箱(1)内的多孔板(2)和整流栅(3)；其中，
该水箱(1)的同侧上方开设有进水口、下方开设有出水口，多孔板(2)安装在进水口和出水口之间，整流栅(3)安装在出水口处，其出口依次连接有收缩段(4)、实验段(5)和扩张段(6)，扩张段(6)的出口连接离心泵(7)的入口，离心泵(7)的出口依次连接有回流段(8)、圆变方段(9)和渐扩段(10)，渐扩段(10)的出口连接水箱(1)的进水口；
该水箱(1)的进水口截面为矩形，出水口截面为圆形；
离心泵(7)为单级单吸离心泵，进口水平设置，与扩张段(6)相连，出口竖直向上设置，与回流段(8)相连；
收缩段(4)由双三次曲线壁板构成，进口、出口均为圆形截面，沿流动方向截面面积逐渐减小，收缩比为9:1；
实验段(5)由依次连接的三段圆形管道构成，并通过法兰连接，便于分段安装实验模型和测量设备。
2.根据权利要求1所述的一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置，其特征在于，扩张段(6)的扩张角在3°到5°之间。
3.根据权利要求1所述的一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置，其特征在于，回流段(8)为圆形管道，且管道折弯处布置有导流片。
4.根据权利要求1所述的一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置，其特征在于，圆变方段(9)的进口为与回流段(8)匹配的圆形截面，出口为与渐扩段(10)匹配的方形截面，圆变方段(9)采用钣金折弯加工而成。
5.根据权利要求1所述的一种低湍流度紧凑式循环水洞实验装置，其特征在于，渐扩段(10)由五次曲线壁板构成，进、出口均为矩形截面，沿流动方向通流截面高度不变、宽度逐渐增大，扩展比为1:3。
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