CN110686860B - 一种可模拟等幅变频振荡管流的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种可模拟等幅变频振荡管流的实验装置，所述装置包括：U型管道模块以及驱动模块；所述U型管道模块，包括侧面垂直管道、第一弯曲管道、水平管道、第二弯曲管道以及携带密封板的侧面垂直管道，其中，侧面垂直管道、第一弯曲管道、水平管道、第二弯曲管道以及携带密封板的侧面垂直管道依次相连接；所述驱动模块，包括：空气发生器、双阀压力控制器、终端、水槽气室，其中，所述空气发生器进气处与所述双阀压力控制器相连接，所述双阀压力控制器与所述终端相连接，所述双阀压力控制器与所述水槽气室相连接。

Description

一种可模拟等幅变频振荡管流的实验装置

技术领域

本发明实施例涉及流体力学实验设备技术领域，尤其涉及一种可模拟等幅变频振荡管流的实验装置。

背景技术

U型振荡水槽是一种模拟振荡流场的有效实验装置，该U型振荡水槽主要分为两类，分别是气驱动U型振荡水槽和活塞驱动U型振荡水槽。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，能够产生幅值较稳定的振荡流场，但是该气驱动U型振荡水槽产生的流场振荡周期调节依赖装置本身设计尺寸，调节困难，另外蝶阀的切换也具有一定延迟，这不仅会延长所模拟振荡流场趋于稳定所需要的时间，还会降低流场品质。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，但机械结构复杂而且带动活塞运动的曲柄连杆机构产生的外加力含有高次波，影响振荡流场品质。

相关技术中，节能型气压自由振荡管，不需要持续提供动力条件，产生的振荡处于自由振荡状态，但其无法进行等幅振荡试验。

发明内容

鉴于此，为解决现有技术中的问题，本发明实施例提供了一种可模拟等幅变频振荡管流的实验装置。

第一方面，本发明实施例提供了一种可模拟等幅变频振荡管流的实验装置，所述装置包括：U型管道模块以及驱动模块；

所述U型管道模块，包括侧面垂直管道、第一弯曲管道、水平管道、第二弯曲管道以及携带密封板的侧面垂直管道，其中，侧面垂直管道、第一弯曲管道、水平管道、第二弯曲管道以及携带密封板的侧面垂直管道依次相连接；

所述驱动模块，包括：空气发生器、双阀压力控制器、终端、水槽气室，其中，所述空气发生器进气处与所述双阀压力控制器相连接，所述双阀压力控制器与所述终端相连接，所述双阀压力控制器与所述水槽气室相连接。

在一个可能的实施方式中，所述U型管道模块截面形状为正方形。

在一个可能的实施方式中，所述U型管道模块材料包括透明的高强度亚克力板。

在一个可能的实施方式中，所述侧面垂直管道截面形状为矩形，所述侧面垂直管道下侧端口包括用于连接的端板。

在一个可能的实施方式中，所述第一弯曲管道以及第二弯曲管道两侧端口包括用于连接的端板。

在一个可能的实施方式中，所述水平管道包括携带槽口的试验管道，槽口处安装密封盖板，密封盖板顶部设置密封盖活塞。

在一个可能的实施方式中，所述携带密封板的侧面垂直管道截面形状为矩形，所述携带密封板的侧面垂直管道下侧端口包括用于连接的端板。

在一个可能的实施方式中，所述密封板设置于所述携带密封板的侧面垂直管道顶部，所述密封板中央设置开孔。

在一个可能的实施方式中，所述开孔包括NPT美国标准60°锥角螺管。

在一个可能的实施方式中，通过控制所述终端进而控制所述双阀压力控制器，从而控制所述水槽气室的进气量。

本发明实施例提供的可模拟等幅变频振荡管流的实验装置，为了更好的对振荡流场进行研究，可以进行等幅振荡试验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种可模拟等幅变频振荡管流的实验装置的正视示意图；

图2为本发明实施例的一种可模拟等幅变频振荡管流的实验装置的俯视示意图；

图3为本发明实施例的一种水平管道俯视示意图；

图4为本发明实施例的一种水平管道正视示意图；

图5为本发明实施例的一种涡轮模型正视示意图；

图6为本发明实施例的一种驱动模块结构示意图；

图7为本发明实施例的一种涡轮性能数据采集示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种可模拟等幅变频振荡管流的实验装置的正视示意图，该装置具体可以包括：U型管道模块以及驱动模块。

针对U型管道模块，其为正方形截面管道，包括侧面垂直管道、第一弯曲管道、水平管道、第二弯曲管道以及携带密封板的侧面垂直管道。

如图1所示，U型管道模块材料可以是透明的高强度亚克力板，不仅轻便经济，而且便于试验观测，其可以包括1个侧面垂直管道1，一个第一弯曲管道2，一个第二弯曲管道2，一个水平管道3，一个携带密封板的侧面垂直管道4。

其中，侧面垂直管道、第一弯曲管道、水平管道、第二弯曲管道以及携带密封板的侧面垂直管道依次相连接，如图1所示。

对于侧面垂直管道1，其截面形状为矩形，在侧面垂直管道1下侧端口包括用于连接的端板，可以便于整个U型管道模块的拆卸。

对于第一弯曲管道2以及第二弯曲管道2，两侧端口包括用于连接的端板7，如图2所示，可以便于整个U型管道模块的拆卸。对于U型管道模块中的第一弯曲管道以及第二弯曲管道，所选取弯曲管道可以是流线型的，这样可以防止流动分离，如图1所示。当选取内壁和外壁的型线越接近等速流线时，管壁的逆压梯度越小，但若实现拐弯90°且进出口截面流速均匀，所需的弯曲管道会很长。因此，应根据试验的要求来选取适当的弯道型线。本装置示例中模拟振荡流动雷诺数较大，边界层较薄，根据弯曲管道尽可能短的要求选取其几何尺寸。

对于水平管道3，包括携带槽口的试验管道，槽口处安装密封盖板5，密封盖板5可以通过螺丝紧固，确保密封，如图3所示。密封盖板5顶部设置密封盖活塞6，如图4所示。通过设置密封盖板5能够灵活装卸被测水动力性能的涡轮模型，如涡轮机构、节流板，如图5所示。通过设置密封盖活塞6是为了通过密封塞将密封轴承的外圈和内圈密封起来，防止透水。

对于携带密封板的侧面垂直管道4，其为矩形截面。携带密封板的侧面垂直管道4下侧端口包括用于连接的端板，可以便于整个U型管道模块的拆卸。密封板设置于所述携带密封板的侧面垂直管道顶部，所述密封板中央设置开孔，所述开孔包括NPT美国标准60°锥角螺管(尺寸代号1/8)。气体通过密封板上的开孔进入，从而导致了U型管道模块内压强的变化，因而水就能发生运动(如：短距离的匀速流动)。

对于驱动模块，其包括空气发生器、双阀压力控制器、终端、水槽气室，如图6所示。

其中，空气发生器11进气处与双阀压力控制器12相连接，通过控制终端13(例如个人电脑)进而控制双阀压力控制器12，从而控制水槽气室14的进气量。

对于空气发生器11也称作空气压缩机，此仪器把空气压缩，通过一条管道连接，对入口提供恒定的压强。

对于双阀压力控制器12，拥有两个阀门，一个阀门控制进气，因为压力的存在，气体会进入进气口，另一个阀门为控制出气，控制气体的释放。通过这两个阀门，就能控制气室的变化。因为水是在U形管内往复运动的，气室体积会发生变化，所以就需要通过对阀门的控制来调节气室的变化，从而影响到水流的运动。

这种驱动模块与现有的驱动模块有一定的区别：现有的驱动模块大多用一个蝶阀，一个鼓风机控制气体的进出，虽然原理类似，但是现有的驱动模块无法对进气出气量进行控制，从而也无法提供确定的压力。

通过上述对本发明实施例提供的可模拟等幅变频振荡管流的实验装置，其具有以下有益效果：

1、U型管道模块中的水平管道设有密封盖板，便于拆卸，安装其他试验仪器(如涡轮等)，这使得此次设计的U型管道模块具有更高的适配性，能够执行更多的试验方案，且水平管道设有密封盖活塞，可以保证良好的水密性；

2、U型管道模块中的第一弯曲管道以及第二弯曲管道通过设计让试验中的水流能避免产生涡旋等影响试验准确性的现象；

3、U型管道模块中的各个部分由端板进行连接，便于拆卸；

4、驱动模型相较于现有驱动模块，具有安装更便捷，控制更完善的优点。

基于本发明实施例提供的可模拟等幅变频振荡管流的实验装置，本发明实施例还提供其通用试验，该方法可以包括以下步骤：

步骤1，将U型管道模块的各个部分，即侧面垂直管道1、第一弯曲管道2、水平管道3、第二弯曲管道2以及携带密封板的侧面垂直管道4，通过各个部分之间的端板进行连接，注意密封性，水平管道3中密封盖板5根据试验要求用密封盖活塞6密封。

步骤2，携带密封板的侧面垂直管道4的密封板上，存在NPT美国标准60°锥角螺管，将一美式管道同密封板上开口连接，此管连接U型管道模块与驱动模块。

步骤3，通过无密封板的侧面垂直管道1往U型管道模块中注水，注水量应合适，需保证振荡过程中侧面垂直管道1以及携带密封板的侧面垂直管道4的最低位置垂向上超过第一弯曲管道2以及第二弯曲管道2。

步骤4，打开空气发生器11，通过对空气的压缩，对双阀压力控制器12入口一端产生压强，通过控制终端13，可以对双阀压力控制器12进行控制，此时可以控制水槽气室14的进气量。

步骤5，在压强持续不断的作用下，U型管道模块中的水流也开始进行运动，导致了水槽气室14内的压强的变化，为了使水流按照试验预想的方式流动，在控制进气量的同时，也必须通过双阀压力控制器12的另一个阀门控制出气量。

步骤6，监测U型管道模块内流场的状态。

步骤7，根据试验要求，观察记录一定时间，观察记录结束，将空气发生器11以及双阀压力控制器12关闭。

步骤8，排净U型管道模块主体内的水，整理分析试验数据，对实验仪器进行拆卸然后妥善放置。

本发明实施例还提供一种振荡管流中涡轮水动力性能试验方法，该方法可以包括以下步骤：

步骤1，将U型管道模块的各个部分，即侧面垂直管道1、第一弯曲管道2、水平管道3、第二弯曲管道2以及携带密封板的侧面垂直管道4，通过各个部分之间的端板进行连接，注意密封性，水平管道3中密封盖板5根据试验要求用密封盖活塞6密封。

步骤2，携带密封板的侧面垂直管道4的密封板上，存在NPT美国标准60°锥角螺管，将一美式管道同密封板上开口连接，此管连接U型管道模块与驱动模块。

步骤3，通过无密封板的侧面垂直管道1往U型管道模块中注水，注水量应合适，需保证振荡过程中侧面垂直管道1以及携带密封板的侧面垂直管道4的最低位置垂向上超过第一弯曲管道2以及第二弯曲管道2。

步骤4，打开空气发生器11，通过对空气的压缩，对双阀压力控制器12入口一端产生压强，通过控制终端13，可以对双阀压力控制器12进行控制，此时可以控制水槽气室14的进气量。

步骤5，在压强持续不断的作用下，U型管道模块中的水流也开始进行运动，导致了水槽气室14内的压强的变化，为了使水流按照试验预想的方式流动，在控制进气量的同时，也必须通过双阀压力控制器12的另一个阀门控制出气量。

步骤6，监测U型管道模块内流场的状态。

步骤7，根据试验要求，观察记录一定时间，观察记录结束，将空气发生器11以及双阀压力控制器12关闭。

步骤8，排净U型管道模块主体内的水，根据U型管道模块主体制作涡轮模型8；打开水平管道3中密封盖板5，安装涡轮模型8，并在合适位置安装联轴器15、伺服电机16、伺服单元17、显示单元18、扭矩传感器19等装置，如图7所示。

步骤9，重复步骤3至步骤7，获得涡轮模型8扭矩数据，通过计算得到升、阻力系数。

步骤10，整理分析试验数据，得出涡轮的水动力性能，对实验仪器进行拆卸然后妥善放置。

步骤11，通过改变U型管道模块管流的振幅、周期，改变涡轮模型8的阻尼比、转速等，重复步骤1到步骤10可得到不同的试验数据。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可模拟等幅变频振荡管流的实验装置的实验方法，所述装置包括：U型管道模块以及驱动模块；所述U型管道模块，包括依次通过端板连接的侧面垂直管道、第一弯曲管道、水平管道、第二弯曲管道以及携带密封板的侧面垂直管道；所述驱动模块，包括：空气发生器、双阀压力控制器、终端、水槽气室，其中，所述空气发生器进气处与所述双阀压力控制器相连接，所述双阀压力控制器与所述终端相连接，所述双阀压力控制器与所述水槽气室相连接；所述水平管道包括携带槽口的试验管道，槽口处安装密封盖板，密封盖板顶部设置密封盖活塞；所述密封板设置于所述携带密封板的侧面垂直管道顶部，所述密封板中央设置开孔，所述开孔包括NPT美国标准60°锥角螺管；通过控制所述终端进而控制所述双阀压力控制器，控制所述水槽气室的进气量；

其特征为，实验方法包括如下步骤：

步骤1，将U型管道模块的各个部分，即侧面垂直管道、第一弯曲管道、水平管道、第二弯曲管道以及携带密封板的侧面垂直管道，通过各个部分之间的端板进行连接，注意密封性，水平管道中密封盖板根据试验要求用密封盖活塞密封；

步骤2，携带密封板的侧面垂直管道的密封板上，存在NPT美国标准60°锥角螺管，将一美式管道同密封板上开口连接，此管连接U型管道模块与驱动模块；

步骤3，通过无密封板的侧面垂直管道往U型管道模块中注水，注水量应合适，需保证振荡过程中侧面垂直管道以及携带密封板的侧面垂直管道的最低位置垂向上超过第一弯曲管道以及第二弯曲管道；

步骤4，打开空气发生器，通过对空气的压缩，对双阀压力控制器入口一端产生压强，通过控制终端，可以对双阀压力控制器进行控制，此时可以控制水槽气室的进气量；

步骤5，在压强持续不断的作用下，U型管道模块中的水流也开始进行运动，导致了水槽气室内的压强的变化，为了使水流按照试验预想的方式流动，在控制进气量的同时，也必须通过双阀压力控制器的另一个阀门控制出气量；

步骤6，监测U型管道模块内流场的状态；

步骤7，根据试验要求，观察记录一定时间，观察记录结束，将空气发生器以及双阀压力控制器关闭；

步骤8，排净U型管道模块主体内的水，根据U型管道模块主体制作涡轮模型；打开水平管道中密封盖板，安装涡轮模型，并在合适位置安装联轴器、伺服电机、伺服单元、显示单元、扭矩传感器；

步骤9，重复步骤3至步骤7，获得涡轮模型扭矩数据，通过计算得到升、阻力系数；

步骤10，整理分析试验数据，得出涡轮的水动力性能，对实验仪器进行拆卸然后妥善放置；

步骤11，通过改变U型管道模块管流的振幅、周期，改变涡轮模型的阻尼比、转速，重复步骤1到步骤10可得到不同的试验数据。

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