CN109781378A - 一种水洞水槽两用实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水洞水槽两用实验系统，包括水洞实验段、水泵系统以及依次连通的前置水箱、水槽实验段和后置水箱；该实验系统为竖式上下两层布置，两个水箱与水槽实验段均位于上层，且上层结构均顶部开口，水泵系统位于下层，下层结构为闭式管路；上下两层之间的前竖直段为管路过渡段，后竖直段为水洞实验段，且前置水箱的底部进水口通过管路过渡段与水泵系统的出水口连通，后置水箱的底部出水口通过水洞实验段与水泵系统的进水口连通。本发明结构紧凑，运行平稳安全，采用的水动力学设计保证了实验段流场的高品质，实现水洞和水槽两种用途，适用于多种工程领域的水动力学相关问题研究，这对水动力学领域广泛而深入的研究具有极大的促进作用。
Description
技术领域
本发明属于水动力学实验研究领域，特别涉及一种水洞水槽两用实验系统。
背景技术
近年来，随着水利、水电、海洋、船舶等工程领域的不断发展，诸多水动力学方面的问题亟待研究与解决，而水洞和水槽是进行水动力学研究的主要实验装置。水洞实验装置具有封闭的实验段，适用于研究边界层现象、湍流、水弹性问题以及水下舰艇模型相关问题；水槽实验装置具有开放的自由液面，适用于研究船舶水动力学、导弹鱼雷等出水入水以及液面波动等问题。
但是，现有的水洞和水槽实验转置多是单独建造的实验系统，就单个实验系统来讲，复杂的设计、庞大的占地面积以及高昂的制造成本本身已经限制了其适用性，国内外实验室往往只建设水洞或水槽中的一种实验系统，而这两种实验系统又分别适用于不同工程领域问题的研究，这也进一步限制了整个水动力学领域的实验研究发展。综上所述，建立一种适用的水洞水槽两用实验系统，对水动力学领域广泛而深入的研究具有极大的促进作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构紧凑、运行平稳、能够同时实现水洞和水槽两种用途且实验段流场品质高的水动力学实验系统。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种水洞水槽两用实验系统，包括水洞实验段、水泵系统以及依次连通的前置水箱、水槽实验段和后置水箱；其中，
该实验系统为竖式上下两层布置，前置水箱、后置水箱与水槽实验段均位于上层，且上层结构均顶部开口，水泵系统位于下层，下层结构为闭式管路；上下两层之间的前竖直段为管路过渡段，后竖直段为水洞实验段，且前置水箱的底部进水口通过管路过渡段与水泵系统的出水口连通，后置水箱的底部出水口通过水洞实验段与水泵系统的进水口连通。
本发明进一步的改进在于，前置水箱内镶嵌有矩形多孔板，侧面采用圆弧过渡与水槽实验段进口相连。
本发明进一步的改进在于，水槽实验段包括依次连通的水槽整流段、水槽收缩段和水槽工作段，水槽整流段的进水口与前置水箱的出水口连通，水槽工作段的出水口与后置水箱的进水口连通。
本发明进一步的改进在于，水槽整流段内设有栅格，且栅格由竖直薄板构成，且不设有横向肋条；水槽收缩段截面为矩形，沿流动方向截面高度不变、宽度逐渐减小，侧壁面为5次曲线壁板，收缩段的收缩比为2:1，5次曲线的型线方程为：
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为收缩段长度；
水槽工作段由两段平直矩形开口段构成，侧壁面为高强度钢化玻璃制成。
本发明进一步的改进在于，后置水箱底部为圆形截面，与水洞实验段进口相连，且后置水箱内镶嵌有圆形多孔板。
本发明进一步的改进在于，水洞实验段包括依次连通的水洞收缩段、水洞工作段和水洞出口弯管，水洞收缩段的进水口与后置水箱的底部出水口连通，水洞出口弯管的出水口与水泵系统的进水口连通。
本发明进一步的改进在于，水洞收缩段截面为圆形，沿流动方向截面半径逐渐减小，水洞收缩段型线为双三次曲线，收缩比为9:1，双三次曲线的型线方程为：
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；
水洞工作段由两段高强度钢化玻璃圆管构成；
水洞出口弯管与水泵系统的进口导流段相连。
本发明进一步的改进在于，xm取值为0.4～0.6。
本发明进一步的改进在于，水泵系统包括依次连通的进口导流段、进口阀门、软接头、水泵、止回阀和出口阀门；其中，
进口导流段为圆形直管，内设有相互交叉于中心线的多块矩形薄板；进口阀门为不锈钢球阀；软接头为可曲挠单球体橡胶接头，分别安装在水泵进、出口；水泵为立式单级管道离心泵；出口截止阀与止回阀配合使用，起到安全隔离的作用。
本发明进一步的改进在于，管路过渡段包括依次连通的导流弯管、直圆管和圆变方管；导流弯管的进水口与水泵系统的出水口连通，圆变方管的出水口与前置水箱的底部进水口连通。
本发明具有如下有益的技术效果：
1、本发明的水洞水槽两用实验系统能够同时实现水洞实验和水槽实验两种用途，适用于多种工程领域的水动力学相关问题研究，这对水动力学方向广泛而深入的研究具有极大的促进作用。
2、本发明的水洞水槽两用实验系统采用竖式上下两层布置，设计简单，结构紧凑，占用空间小，极大地提高了实验系统的适用性。
3、本发明的水洞水槽两用实验系统采用优异的水力学设计保证了极高的实验段流场品质：前、后水箱内设置的多孔板具有梳理水流的作用；水槽和水洞收缩段的型线设计满足提高工作段流速和流动均匀性的要求；在前置水箱和水泵系统出口之间设置的管路过渡段，将水泵出口的圆截面过渡到水箱进口的矩形截面，同时截面逐渐增大具有流动缓冲和降低水泵出口湍动度的作用。
4、本发明的水洞水槽两用实验系统的水泵及其管路设计保证了运行的安全性与平稳性：可曲挠单球体橡胶接头极大的减小了水泵及管路的振动和噪声；立式单级管道离心泵流量大、扬程高且运行平稳；止回阀用于防止介质停止流动或倒流，减弱水力冲击；出口截止阀与止回阀配合使用，起到安全隔离的作用，保证了水泵运行的安全性，同时便于水泵检修。
综上所述，本发明提供的水洞水槽两用实验系统结构紧凑，运行平稳安全，采用的水动力学设计保证了实验段流场的高品质，能够同时实现水洞和水槽两种用途，适用于多种工程领域的水动力学相关问题研究，这对水动力学领域广泛而深入的研究具有极大的促进作用。
附图说明
图1为本发明的水洞水槽两用实验系统的结构示意图；
图2为本发明的水洞水槽两用实验系统的俯视图；
附图标记说明：
1-前置水箱，2-水槽整流栅，3-水槽收缩段，4-水槽工作段，5-后置水箱，6-水洞收缩段，7-水洞工作段，8-水洞出口弯管，9-水泵系统，10-导流弯管，11-直圆管，12-圆变方管。
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和图2，本发明提供的一种水洞水槽两用实验系统，包括水洞实验段、水泵系统9以及依次连通的前置水箱1、水槽实验段和后置水箱5。其中，整体实验系统为竖式上下两层布置，前置水箱1、后置水箱5与水槽实验段位于上层，上层结构均为开口设计；水泵系统位于下层，下层结构为闭式管路；上下两层之间的前竖直段为管路过渡段，后竖直段为水洞实验段。
所述前置水箱1底部为进水口，与水泵系统9出水口的管路过渡段相连，内镶嵌有矩形多孔板，顶部开口，侧面采用圆弧过渡与水槽实验段进口相连。
所述水槽实验段包括依次连通的水槽整流段2、水槽收缩段3和水槽工作段4，全部为顶部开口结构。其中，水槽整流段2内设有栅格，栅格只由竖直薄板构成，不设有横向肋条；水槽收缩段3截面为矩形，沿流动方向截面高度不变、宽度逐渐减小，侧壁面为5次曲线壁板，收缩段的收缩比为2:1，5次曲线的型线方程为：
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为收缩段长度。
水槽工作段4由两段平直矩形开口段构成，侧壁面为高强度钢化玻璃制成，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。
所述后置水箱5顶部开口，侧面与水槽实验段出口相连，采用圆弧过渡，底部为圆形截面，与水洞实验段进口相连，且后置水箱5内镶嵌有圆形多孔板。
所述水洞实验段包括依次连通的水洞收缩段6、水洞工作段7和水洞出口弯管8。其中，水洞收缩段6截面为圆形，沿流动方向截面半径逐渐减小，水洞收缩段6型线为双三次曲线，收缩比为9:1，双三次曲线的型线方程为：
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，通常取值为0.4～0.6。
水洞工作段由两段高强度钢化玻璃圆管构成，便于实验观察和测量；水洞出口弯管与水泵进口导流段相连。
所述水泵系统9包括依次连通的进口导流段、进口阀门、软接头、水泵、止回阀和出口阀门。其中，进口导流段为圆形直管，内设有相互交叉于中心线的多块矩形薄板；进口阀门为不锈钢球阀；软接头为可曲挠单球体橡胶接头，分别安装在水泵进、出口；水泵为立式单级管道离心泵，流量大、扬程高且运行平稳；止回阀用于防止介质停止流动或倒流，减弱水力冲击；出口截止阀与止回阀配合使用，起到安全隔离的作用，保证了水泵运行的安全性，同时便于水泵检修。
所述管路过渡段包括依次连通的导流弯管10、直圆管11和圆变方管12。其中，导流弯管10与水泵系统出口连接，在前置水箱1与水泵系统9之间的竖直方向设有过渡的直圆管11和圆变方管12，这在水泵和前置水箱1之间起到管路过渡和流动缓冲的作用。
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 (10)
1.一种水洞水槽两用实验系统，其特征在于，包括水洞实验段、水泵系统(9)以及依次连通的前置水箱(1)、水槽实验段和后置水箱(5)；其中，
该实验系统为竖式上下两层布置，前置水箱(1)、后置水箱(5)与水槽实验段均位于上层，且上层结构均顶部开口，水泵系统(9)位于下层，下层结构为闭式管路；上下两层之间的前竖直段为管路过渡段，后竖直段为水洞实验段，且前置水箱(1)的底部进水口通过管路过渡段与水泵系统(9)的出水口连通，后置水箱(5)的底部出水口通过水洞实验段与水泵系统(9)的进水口连通。
2.根据权利要求1所述的一种水洞水槽两用实验系统，其特征在于，前置水箱(1)内镶嵌有矩形多孔板，侧面采用圆弧过渡与水槽实验段进口相连。
3.根据权利要求1所述的一种水洞水槽两用实验系统，其特征在于，水槽实验段包括依次连通的水槽整流段(2)、水槽收缩段(3)和水槽工作段(4)，水槽整流段(2)的进水口与前置水箱(1)的出水口连通，水槽工作段(4)的出水口与后置水箱(5)的进水口连通。
4.根据权利要求2所述的一种水洞水槽两用实验系统，其特征在于，水槽整流段(2)内设有栅格，且栅格由竖直薄板构成，且不设有横向肋条；水槽收缩段(3)截面为矩形，沿流动方向截面高度不变、宽度逐渐减小，侧壁面为5次曲线壁板，收缩段的收缩比为2:1，5次曲线的型线方程为：
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为收缩段长度；
水槽工作段(4)由两段平直矩形开口段构成，侧壁面为高强度钢化玻璃制成。
5.根据权利要求1所述的一种水洞水槽两用实验系统，其特征在于，后置水箱(5)底部为圆形截面，与水洞实验段进口相连，且后置水箱(5)内镶嵌有圆形多孔板。
6.根据权利要求1所述的一种水洞水槽两用实验系统，其特征在于，水洞实验段包括依次连通的水洞收缩段(6)、水洞工作段(7)和水洞出口弯管(8)，水洞收缩段(6)的进水口与后置水箱(5)的底部出水口连通，水洞出口弯管(8)的出水口与水泵系统(9)的进水口连通。
7.根据权利要求6所述的一种水洞水槽两用实验系统，其特征在于，水洞收缩段(6)截面为圆形，沿流动方向截面半径逐渐减小，水洞收缩段(6)型线为双三次曲线，收缩比为9:1，双三次曲线的型线方程为：
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；
水洞工作段(7)由两段高强度钢化玻璃圆管构成；
水洞出口弯管(8)与水泵系统(9)的进口导流段相连。
8.根据权利要求7所述的一种水洞水槽两用实验系统，其特征在于，xm取值为0.4～0.6。
9.根据权利要求1所述的一种水洞水槽两用实验系统，其特征在于，水泵系统(9)包括依次连通的进口导流段、进口阀门、软接头、水泵、止回阀和出口阀门；其中，
进口导流段为圆形直管，内设有相互交叉于中心线的多块矩形薄板；进口阀门为不锈钢球阀；软接头为可曲挠单球体橡胶接头，分别安装在水泵进、出口；水泵为立式单级管道离心泵；出口截止阀与止回阀配合使用，起到安全隔离的作用。
10.根据权利要求1所述的一种水洞水槽两用实验系统，其特征在于，管路过渡段包括依次连通的导流弯管(10)、直圆管(11)和圆变方管(12)；导流弯管(10)的进水口与水泵系统(9)的出水口连通，圆变方管(12)的出水口与前置水箱(1)的底部进水口连通。
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