CN111537190B - 一种有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置 - Google Patents

一种有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，试验段水槽内设置有一空箱，该空箱为顶端和底端开口的长方体、圆柱体或不规则体结构，所述试验段水槽的顶板上与该空箱顶端开口区域相对应部分开有大小、形状一致的孔；试验测量部分设置于试验段水槽的外部，其包括振动位移测量系统、微型脉动压力传感器阵列、PIV系统、多功能动态测量仪和同步时钟；所述振动位移测量系统获取的摆杆振动信号以及微型脉动压力传感器阵列检测的水流脉动压力变化信号分别传输给多功能动态测量仪，并记录，多功能动态测量仪与PIV系统的信号由同步时钟进行同步。本发明兼具接触测量和非接触测量的优点，在不干扰流场的同时，提升测量振动位移的精度。

Description

一种有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置
技术领域
本发明属于流固耦合涡激振动试验领域，涉及一种同步测量钝体绕流壁面脉动压力、振动位移、流场的试验装置。
背景技术
在钝体绕流的研究中，由于测量手段的限制，水下结构的振动位移响应的测量一直是个难点。
目前针对结构的振动量测量主要分接触测量和非接触测量。其中接触测量有加速度传感器二次积分、直线式位移传感器。非接触测量主要有激光位移传感器、电涡流传感器、磁致伸缩位移传感器。但在有压钝体绕流试验中，上述测量方式均存在着各自的缺陷。接触测量除干扰流场外，各个传感器还有不同的缺陷：1.加速度传感器不仅给结构增加附加质量影响结构振动特性，而且不论是软件二次积分还是硬件二次积分，积分结果与结构实际位移都有一定偏差；2.直线式位移传感器精度低、延迟高。非接触测量的优势在于不会对流场产生干扰，但是：1.电涡流传感器的工作范围大小与探头尺寸成正比，当测点与探头距离较大时，探头尺寸过大导致测量精度下降且只可测量金属结构2、磁致伸缩位移传感器尺寸较大且只可测量直线位移且只能测量磁体；3.由于激光在水下将产生折射影响激光位移传感器测量水下物体振动位移的精度。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，兼具接触测量和非接触测量的优点，在不干扰流场的同时，提升测量振动位移的精度。
技术方案：本发明所述有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，包括水流循环部分和试验测量部分；
所述水流循环部分包括依次连通的蓄水箱、试验段水槽和回流水箱，所述蓄水箱和回流水箱通过回流管相连通，水流循环部分内的水流在水泵的作用下循环流动；
所述试验段水槽为顶板、两个侧板和底板围成的一中空的长方体结构，所述顶板、两个侧板和底板均为透明有机玻璃制成；所述试验段水槽内设置有一空箱，该空箱为顶端和底端开口的长方体、圆柱体或不规则体结构，空箱的顶端固定在所述试验段水槽的顶板上，所述试验段水槽的顶板上与该空箱顶端开口区域相对应部分开有大小、形状一致的孔；
所述试验测量部分设置于试验段水槽的外部，其包括振动位移测量系统、微型脉动压力传感器阵列、PIV系统、多功能动态测量仪和同步时钟；
所述振动位移测量系统包括悬臂式支架，固定在悬臂式支架的悬臂上的激光位移传感器，以及摆杆，所述摆杆贴合在空箱的内壁上，所述激光位移传感器检测该摆杆的振动；所述微型脉动压力传感器阵列贴合在所述空箱内与摆杆相对的内壁上；所述PIV系统布置在空箱的外侧，监测流经空箱附件的流场；
所述振动位移测量系统、微型脉动压力传感器阵列分别与多功能动态测量仪通讯连接，所述振动位移测量系统获取的摆杆振动信号以及微型脉动压力传感器阵列检测的水流脉动压力变化信号分别传输给多功能动态测量仪，并记录，多功能动态测量仪与PIV系统的信号由同步时钟进行同步。
本发明进一步优选地技术方案为，所述水流循环部分还包括依次连通的扩散管组、整流段水槽和收缩段水槽；
所述扩散管组由若干喇叭管状的扩散管组成，每个扩散管的小口均与蓄水箱连通，大口与整流段水槽连通；
所述整流段水槽中沿水流方向依次设置有用于改善流场均匀性，降低湍流度的孔板、第一蜂窝器和阻尼网；
所述收缩段水槽内设置有两个侧板，两个侧板沿水流向逐渐向中心收缩，两侧板围成的形状满足双三次曲线，收缩比为3：1。
作为优选地，所述蓄水箱为顶端开口长方体结构，蓄水箱内设置有第二蜂窝器、第三蜂窝器和垫层，所述第二蜂窝器垂直于水流方向，将所述蓄水箱的内部空间分割为前、后两侧，所述回流管的出口伸入蓄水箱前侧空间内，所述垫层和第三蜂窝器依次铺设在蓄水箱正对回流管出口的前侧空间底部。
优选地，所述回流管伸入蓄水箱的一端端部侧壁上开设有若干散水孔。
优选地，所述回流水箱为顶部开口的长方体结构，回流水箱的底部开有出水口，所述回流管通过一节软管与所述回流水箱的出水口连通。
优选地，所述蓄水箱、扩散管组、整流段水槽、收缩段水槽、试验段水槽和回流水箱均由底部的水槽支架支撑，所述回流管由回流管支架支撑；
所述水槽支架和回流管支架的底部均设置有减震垫。
优选地，所述回流管上设置有水泵和电磁流量计，回流管内水流量由电磁流量计测量，回流管内水流流速通过改变水泵功率进行调节。
优选地，所述试验段水槽的顶盖为可拆卸式。
有益效果：(1)本发明从二次测量角度考虑，从通过体型布置出发，构建由激光位移测量系统，脉动压力传感器，piv测量系统、自循环水槽等组成的有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，在旋涡引起空箱振动同时，进而引起摆杆的转动，经激光位移传感器监测，空箱另一侧的水流脉动压力的变化由微型脉动压力传感器阵列监测，两种信号传导至多功能动态测量仪并记录；同时，经过空箱的水流流场由PIV系统监测，多功能动态测量仪与PIV系统的信号由同步时钟进行同步，可对有压高弦厚比空箱钝体绕流的流激振动进行细致的研究，兼具接触测量和非接触测量的优点，在不干扰流场的同时，提升测量振动位移的精度；
(2)本发明中综合考虑流场均匀性、实验室空间、系统振动强度和控制系统等条件，水槽流速范围为0.01～0.15m/s，可较好的满足一定雷诺数条件下的钝体绕流流激振动的试验需求；在水泵带动下，回流水箱中的水依次经过回流管进入蓄水箱、扩散管组、整流段水槽、收缩段水槽和试验段水槽，在空箱处发生平板分离再附流，在水流进入试验段水槽前，在蓄水箱内设置第二蜂窝器、第三蜂窝器和垫层用于整流，耗散回流管出流的能量，降低整体的振动量；在整流段水槽中依次设置孔板、第一蜂窝器和阻尼网，用于改善流场均匀性、降低湍流度；收缩段水槽内两侧板围成的形状满足双三次曲线，收缩比为3：1，可提高试验段水槽流场的均匀性；回流管通过一节软管与回流水箱的出水口连通，可以减弱水泵的振动对试验段水槽的影响；在水槽支架和回流管支架底部均垫有减震垫；经一系列减振措施后，试验段的背景振动加速度均方根值已降至0.01m/s2；
(3)本发明中试验段水槽的顶盖为可拆卸式，在拆除后该装置可进行常规明渠水槽实验，包括圆柱绕流等；此外，装配完整未开孔顶盖后，该装置也可进行常规有压水槽实验。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图；
图2为本发明水流循环部分的结构示意图；
图3为本发明的试验测量部分的结构示意图；
图4为本发明的振动位移测量系统的侧视图；
图中，1-蓄水箱、2-扩散管组、3-整流段水槽、4-收缩段水槽、5-试验段水槽、6-回流水箱、7-电磁流量计、8-水泵、9-回流管、10-水槽支架、11-振动位移测量系统、12-PIV系统、13-多功能动态测量仪、14-微型脉动压力传感器阵列、15-空箱、16-同步时钟、17-第三蜂窝器、18-第二蜂窝器、19-垫层、20-回流管支架、21-孔板、22-第一蜂窝器、23-阻尼网、24-悬臂式支架、25-激光位移传感器、26-摆杆。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，包括水流循环部分和试验测量部分。
水流循环部分包括依次连通的蓄水箱1、扩散管组2、整流段水槽3、收缩段水槽4、试验段水槽5和回流水箱6，蓄水箱1和回流水箱6通过回流管9相连通，回流管9上设置有水泵8和电磁流量计7，回流管9内水流量由电磁流量计7测量，回流管9内水流流速通过改变水泵8功率进行调节。水流循环部分内的水流在水泵8的作用下循环流动。蓄水箱1、扩散管组2、整流段水槽3、收缩段水槽4、试验段水槽5和回流水箱6均由底部的水槽支架10支撑，回流管9由回流管支架20支撑；水槽支架10和回流管支架20的底部均设置有减震垫。
蓄水箱1为顶端开口长方体结构，蓄水箱1内设置有第二蜂窝器18、第三蜂窝器17和垫层19，第二蜂窝器18垂直于水流方向，将蓄水箱1的内部空间分割为前、后两侧，回流管9的出口伸入蓄水箱1前侧空间内，垫层19和第三蜂窝器17依次铺设在蓄水箱1正对回流管9出口的前侧空间底部。回流管9伸入蓄水箱1的一端端部侧壁上开设有若干散水孔。
扩散管组2由若干喇叭管状的扩散管组2成，每个扩散管的小口均与蓄水箱1连通，大口与整流段水槽3连通；
整流段水槽3中沿水流方向依次设置有用于改善流场均匀性，降低湍流度的孔板21、第一蜂窝器22和阻尼网23；
收缩段水槽4内设置有两个侧板，两个侧板沿水流向逐渐向中心收缩，两侧板围成的形状满足双三次曲线，收缩比为3：1。
试验段水槽5为顶板、两个侧板和底板围成的一中空的长方体结构，顶板、两个侧板和底板均为透明有机玻璃制成，试验段水槽5的顶盖为可拆卸式。试验段水槽5内设置有一空箱15，该空箱15为顶端和底端开口的长方体、圆柱体或不规则体结构，本实施例中空箱15采用长方体结构，其余形状的空箱布置方法与本实施例完全相同，空箱15的顶端固定在试验段水槽5的顶板上，试验段水槽5的顶板上与该空箱15顶端开口区域相对应部分开有大小、形状一致的孔；
回流水箱6为顶部开口的长方体结构，回流水箱6的底部开有出水口，回流管9通过一节软管与回流水箱6的出水口连通。
试验测量部分设置于试验段水槽5的外部，其包括振动位移测量系统11、微型脉动压力传感器阵列14、PIV系统12、多功能动态测量仪13和同步时钟16；
振动位移测量系统11包括悬臂式支架24，固定在悬臂式支架24的悬臂上的激光位移传感器25，以及摆杆26，摆杆26贴合在空箱15的内壁上，激光位移传感器25检测该摆杆26的振动；微型脉动压力传感器阵列14贴合在空箱15内与摆杆26相对的内壁上；PIV系统12布置在空箱15的外侧，监测流经空箱15附件的流场；
振动位移测量系统11、微型脉动压力传感器阵列14分别与多功能动态测量仪13通讯连接，振动位移测量系统11获取的摆杆26振动信号以及微型脉动压力传感器阵列14检测的水流脉动压力变化信号分别传输给多功能动态测量仪13，并记录，多功能动态测量仪13与PIV系统12的信号由同步时钟16进行同步。
在水泵带动下，回流水箱6中的水依次经过回流管9进入蓄水箱1、扩散管组2、整流段水槽3、收缩段水槽4、试验段水槽5，在空箱15处发生平板分离再附流。旋涡引起空箱15的振动，进而引起摆杆26的转动，经激光位移传感器25监测，空箱另一侧的水流脉动压力的变化由微型脉动压力传感器阵列14监测，两种信号传导至多功能动态测量仪13并记录；同时，流场由PIV系统12监测。多功能动态测量仪13与PIV系统12的信号由同步时钟16进行同步。可对有压高弦厚比空箱钝体绕流的流激振动进行细致的研究。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，其特征在于，包括水流循环部分和试验测量部分；
所述水流循环部分包括依次连通的蓄水箱、试验段水槽和回流水箱，所述蓄水箱和回流水箱通过回流管相连通，水流循环部分内的水流在水泵的作用下循环流动；
所述试验段水槽为顶板、两个侧板和底板围成的一中空的长方体结构，所述顶板、两个侧板和底板均为透明有机玻璃制成；所述试验段水槽内设置有一空箱，该空箱为顶端和底端开口的长方体、圆柱体或不规则体结构，空箱的顶端固定在所述试验段水槽的顶板上，所述试验段水槽的顶板上与该空箱顶端开口区域相对应部分开有大小、形状一致的孔；
所述试验测量部分设置于试验段水槽的外部，其包括振动位移测量系统、微型脉动压力传感器阵列、PIV系统、多功能动态测量仪和同步时钟；
所述振动位移测量系统包括悬臂式支架，固定在悬臂式支架的悬臂上的激光位移传感器，以及摆杆，所述摆杆贴合在空箱的内壁上，所述激光位移传感器检测该摆杆的振动；所述微型脉动压力传感器阵列贴合在所述空箱内与摆杆相对的内壁上；所述PIV系统布置在空箱的外侧，监测流经空箱附件的流场；
所述振动位移测量系统、微型脉动压力传感器阵列分别与多功能动态测量仪通讯连接，所述振动位移测量系统获取的摆杆振动信号以及微型脉动压力传感器阵列检测的水流脉动压力变化信号分别传输给多功能动态测量仪，并记录，多功能动态测量仪与PIV系统的信号由同步时钟进行同步。
2.根据权利要求1所述的有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，其特征在于，所述水流循环部分还包括依次连通的扩散管组、整流段水槽和收缩段水槽；
所述扩散管组由若干喇叭管状的扩散管组成，每个扩散管的小口均与蓄水箱连通，大口与整流段水槽连通；
所述整流段水槽中沿水流方向依次设置有用于改善流场均匀性，降低湍流度的孔板、第一蜂窝器和阻尼网；
所述收缩段水槽内设置有两个侧板，两个侧板沿水流向逐渐向中心收缩，两侧板围成的形状满足双三次曲线，收缩比为3：1。
3.根据权利要求2所述的有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，其特征在于，所述蓄水箱为顶端开口长方体结构，蓄水箱内设置有第二蜂窝器、第三蜂窝器和垫层，所述第二蜂窝器垂直于水流方向，将所述蓄水箱的内部空间分割为前、后两侧，所述回流管的出口伸入蓄水箱前侧空间内，所述垫层和第三蜂窝器依次铺设在蓄水箱正对回流管出口的前侧空间底部。
4.根据权利要求3所述的有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，其特征在于，所述回流管伸入蓄水箱的一端端部侧壁上开设有若干散水孔。
5.根据权利要求2所述的有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，其特征在于，所述回流水箱为顶部开口的长方体结构，回流水箱的底部开有出水口，所述回流管通过一节软管与所述回流水箱的出水口连通。
6.根据权利要求2所述的有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，其特征在于，所述蓄水箱、扩散管组、整流段水槽、收缩段水槽、试验段水槽和回流水箱均由底部的水槽支架支撑，所述回流管由回流管支架支撑；
所述水槽支架和回流管支架的底部均设置有减震垫。
7.根据权利要求1所述的有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，其特征在于，所述回流管上设置有水泵和电磁流量计，回流管内水流量由电磁流量计测量，回流管内水流流速通过改变水泵功率进行调节。
8.根据权利要求1所述的有压高弦厚比空箱钝体绕流流激振动试验装置，其特征在于，所述试验段水槽的顶盖为可拆卸式。
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Inventor after: Shi Xianrui

Inventor after: Yan Genhua

Inventor after: Sun Weiwei

Inventor after: Dong Jia

Inventor after: Zhu Chunyue

Inventor after: Sun Yunqian

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