CN109520701B - 一种通道流场模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通道流场模拟试验装置，包括通道主体、动力系统、测量控制系统和试验模型，通道主体包括位于通道中部的两段试验段，两段试验段通过模型段相连接，从试验段向两边分别依次连接有收缩段和动力段；动力段内含活塞和活塞密封圈，活塞在活塞推杆带动下能够在动力段内往复运动，活塞密封圈用于动力段内壁与活塞之间的密封，动力段上设有出气阀和进水阀；动力系统包括推杆附件、电液推杆、轴杆和活塞推杆，电液推杆的输入端与下位机连接，电液推杆的输出端与推杆附件连接，轴杆与动力段平行，设置在两个动力段内的活塞推杆分别连接到同侧的轴杆上，活塞在下位机的控制下，带动推杆附件实现单向运动或者往复运动。
Description
技术领域
本发明属于流体力学实验设备技术领域，具体是一种通道流场模拟试验装置。
背景技术
目前，流场模拟主要通过风洞实验室、水洞实验室或者水槽试验装置实现。传统的风洞实验室、水洞实验室或者水槽试验装置体积和重量都很大，需要配备专门的大功率电机、水库和水塔。近年来，为了减少占地面积，节约装置制作成本，大量的流场模拟装置逐渐向小型化发展。中国专利申请201710956237.0中公开了一种短型水槽试验装置，克服水槽试验装置长度过长的弊端，能够用于明渠水流实验和泥沙试验，但该装置无法模拟封闭水流通道。
对于振荡流场的模拟，较早的振荡流试验设备为U型振荡水槽。该类型水槽分为气驱动和活塞驱动。气驱动U型振荡水槽采用弯管型线、步进电机带动蝶阀的控制系统和吸气驱动等技术措施，能够产生较好品质的振荡流场，但是该装置产生的流场振荡周期调节依赖装置本身设计尺寸，调节比较复杂。活塞驱动U型振荡水槽可以通过改变外加力频率改变水柱的振荡频率，但机械结构复杂、流场品质较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种通道流场模拟试验装置，具有结构简单、操作简便、流场品质好的有点，其可以模拟通道均匀流动、振荡流动等形式的流动分布，同时可以开展通道内缩尺比模型水动力性能试验研究。本发明采用以下的技术方案：
一种通道流场模拟试验装置，包括通道主体、动力系统、测量控制系统和试验模型，其特征在于，
所述的通道主体包括位于通道中部的两段试验段，两段试验段通过模型段相连接，从试验段向两边分别依次连接有收缩段和动力段；
动力段内含活塞和活塞密封圈，活塞在活塞推杆带动下能够在动力段内往复运动，活塞密封圈用于动力段内壁与活塞之间的密封，动力段上设有出气阀和进水阀；
所述的动力系统包括推杆附件、电液推杆、轴杆和活塞推杆，电液推杆的输入端与下位机连接，电液推杆的输出端与推杆附件连接，轴杆与动力段平行，设置在两个动力段内的活塞推杆分别连接到同侧的轴杆上，活塞在下位机的控制下，电液推杆通过电机的正反转，带动推杆附件实现单向运动或者往复运动，进而推杆附件带动轴杆，轴杆带动活塞推杆单向运动或者往复运动。
作为优选方案，所述的控制与测量系统包括下位机、用于向下位机传输指令的上位机、两个压力变送器、试验段高频差压变送器、两个测力传感器、两个收缩段差压变送器；
每个压力变送器用于监测相应侧的活塞面附近流场压力，在注水调试阶段根据实验要求调整活塞间距控制通道流场内压，在实验阶段用于测量两侧活塞的压力差；
试验段高频差压变送器用于试验时测量试验模型前后区域流场压力差异；
每个收缩段差压变送器用于测量相应侧收缩段两端的压力情况，获得与流场质量有关的信息；
每个测力传感器位于相应侧的活塞与活塞推杆之间，用于测量活塞运动所需的推力和拉力。
所述的装置还包括与上位机相连的摄像设备，用于拍摄通道流场中试验段和模型段中流场情况。
优选通道主体为矩形截面，材质为高强度透明PC板。
从试验段到收缩段的扩张角不大于25°，单侧试验段的长高比大于5:1。
所述的模型段开有模型安装孔，模型安装孔可以根据试验要求采用下开夹持槽口的螺旋式密封塞，试验模型为节流孔板模型；还可以根据试验要求采用中间开孔用于安装涡轮模型转轴的螺旋式密封塞，所述的试验模型为涡轮模型，所述的试验装置还包括扭矩传感器，用于测量涡轮模型转轴的扭矩。
本发明由于采取以上技术方案，具有下列优点：
1、采用左右对称的通道主体和同步运动的活塞，能够制造反复振荡的流场；通过改变活塞运动周期和速度幅值，可以模拟不同运动周期和速度幅值的振荡流场；
2、收缩段能够较小外加强迫力对流场的干扰，保证试验段内的流场品质；棱台段能够将流体加速到所需流速，在保证试验所需流速和足够长的试验段前提下，有效减小实验装置的长度；
3、本装置无需水箱和大功率电机等设备，整体尺寸较小，机械结构简单，制造经济方便，适用于流体力学领域的实验研究和教学。
附图说明
图1本发明试验装置俯视图
图2本发明试验装置正视图
图3模型段示意图
图4测量系统示意图
图5试验模型示意图，(a)为节流孔板模型；(b)为涡轮模型
图中标号说明：1-动力段；2-收缩段；3-试验段；4-模型段；5-导向套筒；6-活塞；7-安全限位环；8-推杆附件；9-电液推杆；10-轴杆；11-活塞推杆；12-出气阀；13-活塞密封圈；14-支撑；15-进水阀；16-对接端；17-密封圈；18-模型安装孔；19-压力变送器；20-试验段高频差压变送器；21-测力传感器；22-收缩段差压变送器；23-高速摄像设备；24-密封塞；25-节流孔板模型；26-扭矩传感器；27-涡轮模型。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
本发明的通道流场模拟装置包括：通道主体、动力系统、测量控制系统和试验模型，其中：
所述的通道主体包括动力段1、收缩段2、试验段3、模型段4、导向套筒5、活塞6、安全限位环7、出气阀12、活塞密封圈13、支撑14、进水阀15和密封圈17。为便于进行边界层实验以及流动显示，优选通道主体为矩形截面，根据实际需要的二维流动区域选定高宽比1至4，材质为高强度透明PC板。
所述的动力系统包括推杆附件8、电液推杆9、轴杆10和活塞推杆11。电液推杆9的输入端与下位机连接，电液推杆9的输出端与推杆附件8连接。在下位机的指示下，电液推杆9通过内部电机的正反转，带动推杆附件8实现单向运动或者往复运动，进而推杆附件8带动轴杆10，轴杆10带动活塞推杆11单向运动或者往复运动。
动力段1为等矩形截面，内含活塞6和活塞密封圈13。活塞6在活塞推杆11带动下能够在动力段1内往复运动，活塞密封圈13用于柱体与活塞之间的密封，密封槽开在活塞6上。动力段1上设有出气阀12、进水阀15，注水和排水时出气阀12和进水阀15均打开，试验时出气阀12和进水阀15均关闭。出气阀12和进水阀15关闭时动力段1内部壁面连续平整。
收缩段2为正棱台，下底面与动力段1连接，上底面与试验段3连接。上游棱台段将流体加速到所需流速，下游棱台段降低流速、减少能量损失。棱台段较小外加强迫力对流场的干扰，保证试验段3内的流场品质。优选地，收缩段2的设计应根据实际需要采用数值方法计算得到的满足设计准则的长度最短设计，棱台侧棱与下底面夹角不大于25°。
试验段3为等矩形截面，能够提供试验要求的流场。优选地，为保证流场充分发展和尾迹观测需要，单侧试验段3的长高比应大于5:1。
模型段4内可安装试验模型，模型段4与试验段3截面相同，长度根据试验模型需要确定。模型段4与试验段3通过对接端16密封对接，内部壁面连续平整。模型段4开有模型安装孔18，模型安装孔18根据试验要求用密封塞24密封。密封塞24分为下开夹持槽口的螺旋式密封塞和中间开孔用于安装涡轮模型转轴的螺旋式密封塞。模型安装孔18密封或者安装试验模型后，模型段4内部壁面连续平整。
动力段1一侧安装有导向套筒5，用于保证轴杆10运动方向平稳。轴杆10通过导向套筒5，与活塞推杆11和推杆附件8采用卡箍连接。卡箍连接便于装卸，能够根据试验需要调整活塞推杆、推杆附件与轴杆的连接位置。
所述的通道主体下设支撑14。支撑14的下半部分固定安装于地面；上半部分支撑通道主体，为可固定的滑动结构，便于安装模型段4，试验时固定。
所述的控制与测量系统包括上位机、下位机、压力变送器19、试验段高频差压变送器20、测力传感器21、收缩段差压变送器22、高速摄像设备23和扭矩传感器26等。压力变送器19、试验段高频差压变送器20、测力传感器21、收缩段差压变送器22对称布置。
上位机与下位机连接，用于向下位机传输指令，下位机与电液推杆9、压力变送器19、试验段高频差压变送器20、测力传感器21、收缩段差压变送器22、高速摄像设备23、扭矩传感器26连接，用于控制电液推杆9、高速摄影设备23执行上位机的指令并将压力变送器19、试验段高频差压变送器20、测力传感器21、收缩段差压变送器22、高速摄像设备23、扭矩传感器26的状态数据反馈给上位机。压力变送器19监测活塞面附近流场压力，在注水调试阶段根据实验要求调整活塞间距控制通道流场内压，在实验阶段用于测量两侧活塞的压力差。试验段高频差压变送器20用于试验时测量试验模型前后区域流场压力差异。收缩段差压变送器22用于测量收缩段2上下底面压力情况，获得与流场质量有关的信息。测力传感器21位于活塞6与活塞推杆11之间，用于测量活塞运动所需的推力和拉力；高速摄影设备23用于拍摄通道流场中试验段3和模型段4中流场情况。
所述的示例试验模型为节流孔板模型25和涡轮模型27。
所述的上位机为工控机，下位机为PLC。
实施例一：节流孔板模型试验
节流孔板常用管道流动中，利用其局部阻力，消耗流体能量，降低流体压力。节流孔板阻尼试验用于研究节流孔板开孔率、开孔数量与其阻尼大小的关系。实施步骤为：
步骤一：根据当前通道主体，按照相似理论，制作不同开孔大小、不同开孔数量的节流孔板模型25；暂不安装节流孔板模型25，模型安装孔18根据试验要求用密封塞24密封；调节支撑14，将模型段4与试验段3密封对接，对接端16用螺杆固定；
步骤二：安装轴杆10，由所述的导向套筒5保证轴杆10的水平度；根据试验场地条件，在合适位置安装电液推杆9，电液推杆9与推杆附件8连接，推杆附件8与轴杆连接；打开出气阀12和进水阀15，在合适位置安装活塞推杆11，活塞推杆11一端与活塞6连接，一端与轴杆10连接；
步骤三：关闭出气阀12和进水阀15，微调活塞推杆11，通过压力变送器19的示数检查活塞6与动力段的密封性能；根据试验要求，安装安全限位环7，启动电液推杆9，带动活塞6单向反复运动，通过压力变送器19、测力传感器21的示数检查活塞6与动力段的密封性能、活塞6的运动性能，记录此时活塞6运动所需推力；
步骤四：移动活塞至最右端，关闭电液推杆9，打开出气阀12和进水阀15，接入水管往通道主体内注水；通道主体注满水后关闭出气阀12和进水阀15。
步骤五：上位机发出命令，下位机控制电液推杆9反复振荡运动，使得活塞6在动力段1内稳定运动，实时记录压力变送器19、试验段高频差压变送器20、测力传感器21、收缩段差压变送器22的示数；
步骤六：启动高速摄像设备23，监测试验段3和模型段4内流场的状态；
步骤七：根据试验要求，观察记录一定时间；观察记录结束，关闭电液推杆9；上位机对收集的数据进行分析，得出试验段3和模型段4内流场分布情况、通道自身阻力数据；
步骤八：打开出气阀12和进水阀15，排净通道主体内的水；调节支撑14，卸下模型段4，用下开夹持槽口的螺旋式密封塞24安装节流孔板模型25，重复步骤一至步骤六得出安装不同的节流孔板模型25后的试验段3和模型段4内流场分布情况、阻力数据。
步骤九：对比无节流孔板、不同节流孔板时的试验数据，得出研究节流孔板开孔率、开孔数量与其阻尼大小的关系。
实施例二：涡轮试验
涡轮试验用于研究通道流场中涡轮的性能。实施步骤为：
步骤一：根据当前通道主体，按照相似理论，制作涡轮模型27；暂不安装涡轮模型27，模型安装孔18根据试验要求用密封塞24密封；调节支撑14，将模型段4与试验段3密封对接，对接端16用螺杆固定；
步骤二：安装轴杆10，由所述的导向套筒5保证轴杆10的水平度；根据试验场地条件，在合适位置安装电液推杆9，电液推杆9与推杆附件8连接，推杆附件8与轴杆连接；打开出气阀12和进水阀15，在合适位置安装活塞推杆11，活塞推杆11一端与活塞6连接，一端与轴杆10连接；
步骤三：关闭出气阀12和进水阀15，微调活塞推杆11，通过压力变送器19的示数检查活塞6与动力段的密封性能；根据试验要求，安装安全限位环7，启动电液推杆9，带动活塞6单向反复运动，通过压力变送器19、测力传感器21的示数检查活塞6与动力段的密封性能、活塞6的运动性能，记录此时活塞6运动所需推力；
步骤四：移动活塞至最右端，关闭电液推杆9，打开出气阀12和进水阀15，接入水管往通道主体内注水；通道主体注满水后关闭出气阀12和进水阀15。
步骤五：上位机发出命令，下位机控制电液推杆9单向匀速运动，使得活塞6在动力段1内稳定运动，实时记录压力变送器19、试验段高频差压变送器20、测力传感器21、收缩段差压变送器22的示数；
步骤六：启动高速摄像设备23，监测试验段3和模型段4内流场的状态；
步骤七：根据试验要求，观察记录一定时间；观察记录结束，关闭电液推杆9；上位机对收集的数据进行分析，得出试验段3和模型段4内流场分布情况、通道自身阻力数据；
步骤八：打开出气阀12和进水阀15，排净通道主体内的水；调节支撑14，卸下模型段4，用中间开孔的螺旋式密封塞24安装涡轮模型27，并在合适位置安装扭矩传感器26和涡轮模型27所需的电动机等部件，改变流场速度、涡轮模型27转速，重复步骤一至步骤六得出不同工况下涡轮模型27周围的流场分布情况、扭矩数据。
步骤九：整理分析试验数据，得出不同工况下涡轮的扭矩性能规律。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种通道流场模拟装置，包括通道主体、动力系统、测量控制系统和试验模型，其特征在于，
所述的通道主体包括位于通道中部的两段试验段，两段试验段通过模型段相连接，从试验段向两边分别依次连接有收缩段和动力段；
动力段内含活塞和活塞密封圈，活塞在活塞推杆带动下能够在动力段内往复运动，活塞密封圈用于动力段内壁与活塞之间的密封，动力段上设有出气阀和进水阀；
所述的动力系统包括推杆附件、电液推杆、轴杆和活塞推杆，电液推杆的输入端与下位机连接，电液推杆的输出端与推杆附件连接，轴杆与动力段平行，设置在两个动力段内的活塞推杆分别连接到同侧的轴杆上，活塞在下位机的控制下，电液推杆通过电机的正反转，带动推杆附件实现单向运动或者往复运动，进而推杆附件带动轴杆，轴杆带动活塞推杆单向运动或者往复运动；
所述的控制与测量系统包括下位机、用于向下位机传输指令的上位机、两个压力变送器、试验段高频差压变送器、两个测力传感器、两个收缩段差压变送器；
每个压力变送器用于监测相应侧的活塞面附近流场压力，在注水调试阶段根据实验要求调整活塞间距控制通道流场内压，在实验阶段用于测量两侧活塞的压力差；
试验段高频差压变送器用于试验时测量试验模型前后区域流场压力差异；
每个收缩段差压变送器用于测量相应侧收缩段两端的压力情况，获得与流场质量有关的信息；
每个测力传感器位于相应侧的活塞与活塞推杆之间，用于测量活塞运动所需的推力和拉力。
2.根据权利要求1所述的通道流场模拟装置，其特征在于，所述的装置还包括与上位机相连的摄像设备，用于拍摄通道流场中试验段和模型段中流场情况。
3.根据权利要求1所述的通道流场模拟装置，其特征在于，通道主体为矩形截面，材质为透明PC板。
4.根据权利要求1所述的通道流场模拟装置，其特征在于，从试验段到收缩段的扩张角不大于25°，单侧试验段的长高比大于5:1。
5.根据权利要求1所述的通道流场模拟装置，其特征在于，所述的模型段开有模型安装孔，模型安装孔根据试验要求采用下开夹持槽口的螺旋式密封塞，试验模型为节流孔板模型。
6.根据权利要求1所述的通道流场模拟装置，其特征在于，所述的模型段开有模型安装孔，模型安装孔根据试验要求采用中间开孔用于安装涡轮模型转轴的螺旋式密封塞，所述的试验模型为涡轮模型，所述的试验装置还包括扭矩传感器，用于测量涡轮模型转轴的扭矩。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20200710 |
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