CN109781381A - 一种多功能动力式循环水槽 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种多功能动力式循环水槽，包括：流量循环管路、动力装置和控制系统；所述流量循环管路包括：蓄水箱、回流管、回流水箱和水槽；所述动力装置和控制系统安装于所述电机支架上，所述动力装置驱动流体由所述回流水箱经所述水槽流入所述蓄水箱，由所述蓄水箱经所述回流管流入所述回流水箱，从而形成循环；在所述控制系统的控制下，所述动力装置调节流体的流速。

Description

一种多功能动力式循环水槽

技术领域

本公开涉及水动力学实验装置技术领域，特别是涉及一种多功能动力式循环水槽。

背景技术

随着国家“海洋强国”重大战略的实施，开展新型水下航行器、海洋工程、船舶工程、新型海洋功能材料等先进海洋技术研究显得尤为关键。在这些技术的研究与发展过程中，往往需要基于水槽或者水洞搭载阻力传感器、压力传感器、粒子图像测速(PIV)等设备进行相关科学问题研究。尤其是以开放动力式循环水槽和封闭重力式循环水洞为代表的流体测量与流动显示实验平台已经广泛成为海洋技术领域必备的试验设备。

水洞是封闭的，实验过程中没有自由表面；水槽是开放的，有自由表面。两者最大的区别是水洞可以做高速流动实验，比如空化实验、高速水下航行器、超空泡鱼雷实验。但是，在相同流场均匀性和湍流度要求下，水洞与水槽相比，水洞占地面积大、建造成本高、布放样品便利性差，这些因素严重制约了水洞在国内外高校和科研院所的普及。因此，动力式循环水槽广泛作为水动力学流动显示和流体测量的实验平台。但现有的动力式循环水槽普遍存在流场不均匀、流速调节范围小、精度低、结构复杂、占地面积大等问题。

公开内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本公开提供了一种多功能动力式循环水槽，能实现较高均匀性的流场，实现变速，变速范围在0.01～0.50m/s，流速控制精度±0.5％，并且对流速可以实现厘米级的精确控制，可以用于复杂模型和功能表面流体力学性能的精准测量。

(二)技术方案

本公开提供了一种多功能动力式循环水槽，包括：流量循环管路、动力装置和控制系统；所述流量循环管路包括：蓄水箱、回流管、回流水箱和水槽；所述动力装置和控制系统安装于电机支架上，所述动力装置驱动流体由所述回流水箱经所述水槽流入所述蓄水箱，由所述蓄水箱经所述回流管流入所述回流水箱，从而形成循环；在所述控制系统的控制下，所述动力装置调节流体的流速。

在本公开的一些实施例中，所述动力装置包括：电机和螺旋桨；在所述蓄水箱上方设置有电机支架，所述电机安装于所述电机支架上，电机轴的末端安装有所述螺旋桨，所述螺旋桨用于驱动所述蓄水箱中的流体。

在本公开的一些实施例中，所述控制系统安装于所述电机支架上，其包括：变频器和控制器；所述控制器连接所述电机和所述变频器，所述变频器连接所述电机的输入；在所述控制器的控制下，所述变频器调节输入所述电机的电压和频率，从而调节所述电机的转速，实现所述螺旋桨变速旋转，进而改变流体循环的速度。

在本公开的一些实施例中，所述流速的调节范围在0.01～0.50m/s，流速的控制精度为±0.5％。

在本公开的一些实施例中，所述水槽包括：沿流体流动方向依次连通的实验前段、实验段和实验后段；所述实验前段用于提高所述实验段的流场均匀性。

在本公开的一些实施例中，所述实验前段包括：整流段和收缩段；所述整流段为L型管道，其中一段为挡流段，另一段为稳流段；所述挡流段连通回流水箱的顶部开口，所述稳流段连通所述收缩段；所述挡流段中设置有挡流板，用于降低流体的脉动，提高实验段的流场均匀性，所述挡流段与所述稳流段的交界处设置有稳流器；所述稳流段中沿流体流动方向依次设置有水平孔板、蜂窝器和阻尼网，用于改善流场的均匀性、降低湍流度。

在本公开的一些实施例中，所述收缩段由顶板、两个侧板和底板组成，均沿流体流动方向逐渐收缩；所述两个侧板的形状为移轴维氏曲线，其收缩比为10∶1。

在本公开的一些实施例中，所述实验后段采用扩散段，其一端连通所述实验段，所述另一端通过导流管连通所述蓄水箱，用于将流体的动能转换为压能。

在本公开的一些实施例中，所述扩散段中设置有流向孔板。

在本公开的一些实施例中，所述回流水箱内部设有整流板，用于避免气泡在所述实验段富集。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

(1)通过采用控制系统控制电机转速，能够在有限的实验空间下，驱动螺旋桨实现水流变速，精确控制流速；

(2)通过回流水箱内设置挡水板，稳流段内设置蜂窝器、阻尼网和水平孔板、以及收缩段采用合适的收缩比和收缩曲线，能够提高水槽实验段流场的均匀性，在水槽实验段出口核心区截面面积85％以内，能够保证流场的不均匀性小于1.8％；

(3)结构简单、占地面积相对较小，可满足多种流体力学实验的不同需求。

附图说明

图1是本公开实施例多功能动力式循环水槽的总体结构正视图。

图2是本公开实施例多功能动力式循环水槽的总体结构俯视图。

图3是本公开实施例挡流段示意图。

图4是本公开实施例稳流段示意图。

图5是本公开实施例扩散段流向孔板示意图。

图6是本公开实施例动力装置示意图。

【符号说明】

1-电机 2-螺旋桨

3-蓄水箱 4-导流管

5-回流管 6-回流水箱

7-入水口 8-控制系统

9-变频器 10-控制器

11-整流段 12-收缩段

13-实验段 14-扩散段

15-排水口 16-出水口

17-流向孔板 18-稳流器

19-挡流板 20-蜂窝器

21-阻尼网 22-水平孔板

23-支架 24-挡流段

25-稳流段 26-电机支架

具体实施方式

综合考虑流场均匀性、低湍流度、实验室空间和控制系统等条件，本公开的动力式循环水槽能达到流速范围为0.01-0.50m/s，通过对循环水槽进行优化设计，包括结构、动力系统、流速调节系统和流量循环系统的设计，能够较好地满足实验室水动力性能测试的需求。

下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开实施例提供了一种多功能动力式循环水槽，参见图1和图2所示，包括：流量循环管路、动力装置和控制系统8。

流量循环管路包括：蓄水箱3、回流管5、回流水箱6、导流管4、实验前段、实验段13和实验后段，其中，实验前段、实验段13和实验后段整体可以称为水槽。

结合图6所示，蓄水箱3用于储水，为开口长方体结构。蓄水箱3包括：入水口7、出水口16和进水口。外部水源的水通过入水口7流入蓄水箱3，并存储于蓄水箱3中。蓄水箱的出水口16连通回路管，进水口连通导流管4。

回流管5一端连通蓄水箱的出水口16，另一端连通回流水箱6。

回流水箱6为顶部开口的长方体结构，其还包括一进水口，进水口连通回流管5另一端。回流水箱6内部还设有整流板，可以避免水中气泡在实验段13富集。回流水箱6还设置有排水口15，用于将向外界排水。

实验前段、实验段13和实验后段沿流体流动方向依次连通，整体距离支撑面(例如地面)具有一定高度，并由支架23支撑。蓄水箱3、回流管5和回流水箱6可直接放置于支撑面上。

实验前段包括：整流段11和收缩段12。如图4所示，整流段11为L型管道，其中一段为挡流段24，另一段为稳流段25。挡流段24连通回流水箱6的顶部开口，稳流段25连通收缩段12。在挡流段24中设置有挡流板19，用于降低流体的脉动，提高实验段13流场的均匀性。在挡流段24与稳流段25的交界处设置有稳流器18，可减小流体拐弯过程中能量损失，使来流平稳过渡，提高流场均匀性。

如图3所示，稳流段25中沿流体流动方向依次设置有水平孔板22、蜂窝器20和阻尼网21，用于改善流场的均匀性、降低湍流度。

收缩段12由不锈钢的顶板、两个侧板和底板组成，均沿流体流动方向逐渐收缩。其中，两个侧板的形状为移轴维氏曲线，其收缩比优选为10∶1。收缩段12采用上述收缩曲线和收缩比，能够提高实验段13流场的均匀性。

实验段13一端连通收缩段12，另一端连通实验后段，采用有机玻璃材质，是进行流场测量管路。

实验后段采用扩散段14，其一端连通实验段13，另一端连通导流管4，用于将流体的动能转换为压能。在本实施例中，扩散段14由不锈钢的顶板、两个侧板和底板组成，均沿流体流动方向逐渐扩展。如图5所示，扩散段14中设置有流向孔板17，可以消除来流涡结构，提高流场的均匀性。

动力装置包括：电机1和螺旋桨2。如图6所示，在蓄水箱3上方设置有电机支架26，电机1安装于电机支架26上，在电机轴的末端安装有螺旋桨2，螺旋桨2伸入导流管4中。动力装置作为动力式循环水槽的动力源，螺旋桨2由电机1驱动旋转，驱动蓄水箱3中的水。

控制系统8安装于电机支架26上，包括：变频器9和控制器10。控制器10连接电机1和变频器9。变频器9连接电机1的输入端。

变频器9包括电力半导体器件，控制器10控制电力半导体器件的通断，转换工频电源的频率。在控制器10的控制下，变频器9调节输入电机1的电压和频率，从而调节电机的转速，实现螺旋桨2变速旋转，进而改变水流循环的速度。优选地，电机1的起动电流在150％额定电流以下。

本实施例的多功能动力式循环水槽工作时，电机1带动螺旋桨2旋转。在螺旋桨2的驱动下，回流水箱6中的水依次经实验前段、实验段13和实验后段流动，并经导流管4流入蓄水箱3。螺旋桨2驱动蓄水箱3中的水，使蓄水箱3中的水经回流管5流入回流水箱6，从而形成循环。

其中，回流水箱6内部的整流板避免水中气泡在实验段13富集。水经过挡流段24中的挡流板19后，脉动降低，有利于提高实验段13流场的均匀性。水经过稳流段25中的水平孔板22、蜂窝器20和阻尼网21后，可改善流场的均匀性、降低湍流度。水经收缩段12后，进一步提高实验段13的平均流速。通过上述措施，在实验段13出口核心区截面面积85％以内，能够保证流场的不均匀性小于1.8％。

同时，在控制器10的控制下，变频器9调节输入电机1的电压和频率，从而调节电机的转速，实现螺旋桨2变速旋转，进而改变水流循环的速度，达到控制流量，使流速达到设定值。优选地，流速范围在0.01～0.50m/s，流速控制精度±0.5％，并且对流速可以实现厘米级的精确控制，可以用于复杂模型和功能表面流体力学性能的精准测量。

至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能动力式循环水槽，包括：流量循环管路、动力装置和控制系统；

所述流量循环管路包括：蓄水箱、回流管、回流水箱和水槽；

所述动力装置和控制系统安装于电机支架上，所述动力装置驱动流体由所述回流水箱经所述水槽流入所述蓄水箱，由所述蓄水箱经所述回流管流入所述回流水箱，从而形成循环；在所述控制系统的控制下，所述动力装置调节流体的流速。

2.如权利要求1所述的多功能动力式循环水槽，所述动力装置包括：电机和螺旋桨；

在所述蓄水箱上方设置有电机支架，所述电机安装于所述电机支架上，电机轴的末端安装有所述螺旋桨，所述螺旋桨用于驱动所述蓄水箱中的流体。

3.如权利要求2所述的多功能动力式循环水槽，所述控制系统安装于所述电机支架上，其包括：变频器和控制器；所述控制器连接所述电机和所述变频器，所述变频器连接所述电机的输入；

在所述控制器的控制下，所述变频器调节输入所述电机的电压和频率，从而调节所述电机的转速，实现所述螺旋桨变速旋转，进而改变流体循环的速度。

4.如权利要求3所述的多功能动力式循环水槽，所述流速的调节范围在0.01～0.50m/s，流速的控制精度为±0.5％。

5.如权利要求1所述的多功能动力式循环水槽，所述水槽包括：沿流体流动方向依次连通的实验前段、实验段和实验后段；所述实验前段用于提高所述实验段的流场均匀性。

6.如权利要求5所述的多功能动力式循环水槽，所述实验前段包括：整流段和收缩段；所述整流段为L型管道，其中一段为挡流段，另一段为稳流段；所述挡流段连通回流水箱的顶部开口，所述稳流段连通所述收缩段；

所述挡流段中设置有挡流板，用于降低流体的脉动，提高实验段的流场均匀性，所述挡流段与所述稳流段的交界处设置有稳流器；

所述稳流段中沿流体流动方向依次设置有水平孔板、蜂窝器和阻尼网，用于对流体加速，改善流场的均匀性、降低湍流度。

7.如权利要求6所述的多功能动力式循环水槽，所述收缩段由顶板、两个侧板和底板组成，均沿流体流动方向逐渐收缩；所述两个侧板的形状为移轴维氏曲线，其收缩比为10∶1。

8.如权利要求5所述的多功能动力式循环水槽，所述实验后段采用扩散段，其一端连通所述实验段，所述另一端通过导流管连通所述蓄水箱，用于将流体的动能转换为压能。

9.如权利要求8所述的多功能动力式循环水槽，所述扩散段中设置有流向孔板。

10.如权利要求1所述的多功能动力式循环水槽，所述回流水箱内部设有整流板，用于避免气泡在所述实验段富集。