CN112798225B - 立式串列双试验段空泡水洞试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立式串列双试验段空泡水洞试验装置，包括立式回形洞体主回路、驱动电机、调压装置、大测声舱及小测声舱；立式回形洞体主回路包括依次连接形成回路的稳定段、第一收缩段、大试验段、第二收缩段、小试验段、上扩散段、第一拐角段、第一过渡段、第二拐角段、第二过渡段、驱动泵、下扩散段、第三过渡段、第三拐角段、第四过渡段及第四拐角段。具有大、小两个试验段，可以开展不同尺度模型、更宽广工况范围的水动力、空化等试验，显著降低综合建造成本；空泡水洞可在大、小两个试验段下方分别布置测声舱或测声腔，用于进行被测模型的水中辐射噪声测试，提升水动力、空化和噪声综合测试能力，降低试验设施建设代价。

Description

立式串列双试验段空泡水洞试验装置

技术领域

本发明属于流体力学和船舶试验领域，具体涉及一种立式串列双试验段空泡水洞试验装置。

背景技术

开展船舶、航行体、推进器等水动力性能试验的装置主要有拖曳水池、循环水槽和空泡水洞。拖曳水池由于轨道长度有限，试验时间受到车架运行时间限制，不便于开展空泡和流场观测试验。循环水槽和空泡水洞利用造流系统可使水流在其内循环流动，可对安装于试验段内的模型进行长时间测试，而不受时间限制，从而便于测量流场参数、开展空泡和流场观测试验。循环水槽和空泡水洞的试验段下方设置测声舱或测声腔还可以测量模型的噪声。循环水槽试验段是开放的，有自由液面，流速较低，不能加、减压，难以开展高速水下航行器、推进器的水动力、空化等试验。而空泡水洞具有调压装置，可以通过加、减压实现不同水深和空化数的模拟，加之流速更高，试验能力更强，可测工况更宽广。

目前的空泡水洞只具有单一试验段，不能满足不同尺度模型的测试需求，虽然可通过建造不同规模的空泡水洞试验装置，或采用更换试验段方式满足上述需求，但是占地面积大，建造成本高，难以操作实施。

其中，申请号为201811565809.3的专利申请，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。该装置实现了水洞和水槽两种用途，但该装置没有加、减压装置，不能调节水洞中压力范围，可测工况有限；且水洞试验段在竖直段中，不便于被测模型安装，尤其随着实验系统规模增大，试验准备时间很长。

申请号为201910056910.4的专利申请，公开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；其中，流量循环管路包括蓄水箱、回流管、回流水箱和水槽；动力装置和控制系统安装于所述电机支架上，动力装置驱动流体由回流水箱经水槽流入蓄水箱，由蓄水箱经回流管流入回流水箱，从而形成循环；在控制系统的控制下，动力装置调节流体的流速。该装置流速低(≤0.5m/s)，不具备空泡水洞功能。

有鉴于此，有必要设计一种串列式双试验段空泡水洞装置，以解决不同尺度模型、更宽广工况范围的水动力、空化、噪声等试验问题，以降低综合建造成本。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种流场品质好、背景噪声低、满足不同尺度模型、更宽广工况范围的水动力、空化、噪声试验需求的立式串列双试验段空泡水洞试验装置。

为实现上述目的，本发明所设计的立式串列双试验段空泡水洞试验装置，包括立式回形洞体主回路、布置在立式回形洞体主回路外部的驱动电机、通过管路与立式回形洞体主回路相连的调压装置、大测声舱及小测声舱；所述立式回形洞体主回路包括依次连接形成回路的稳定段、第一收缩段、大试验段、第二收缩段、小试验段、上扩散段、第一拐角段、第一过渡段、第二拐角段、第二过渡段、驱动泵、下扩散段、第三过渡段、第三拐角段、第四过渡段及第四拐角段，且大测声舱安装在大试验段的下方，小测声舱安装在小试验段的下方。

进一步地，所述驱动泵包括泵壳、叶轮轴、布置在叶轮轴前端的叶轮及布置在叶轮轴且位于叶轮上游的导叶体，叶轮轴的后端依次穿过泵壳、第二过渡段通过传动装置与驱动电机相连。

进一步地，所述稳定段内部布置有整流装置，整流装置包括了两组蜂窝器，分别是第一蜂窝器和第二蜂窝器，第一蜂窝器和第二蜂窝器的窝格形状均为正方形，长径比分别为10～20和25～50。

进一步地，所述大试验段截面当量直径为小试验段截面当量直径D的2～3倍，大试验段和小试验段的顶部处在同一水平高度，大试验段和小试验段的四个角区采用切角或圆角处理。

进一步地，所述大试验段和小试验段的两边侧壁上均安装由光学玻璃组成的观察窗，所述大试验段和小试验段的下方分别布置大测声舱和小测声舱，大试验段的底板安装有透声玻璃将大测声舱与大试验段隔开，小试验段的底板安装有透声玻璃将小测声舱与小试验段隔开。

进一步地，所述第一收缩段和第二收缩段采用双三次曲线，第一收缩段的收缩比大于1.5、收缩段长度为其出口当量直径的1～2倍，第二收缩段的收缩比大于4、收缩段长度为其出口当量直径的2～4倍，总收缩比大于为6。

进一步地，所述上扩散段位于小试验段的下游，上扩散段长度大于小试验段截面当量直径D的3～5倍；所述上扩散段的扩散面积比大于2、小于4，扩散角小于5°；下扩散段的扩散面积比大于2、小于4，扩散角小于5°。

进一步地，所述第四拐角段、第三拐角段、第一拐角段、第二拐角段内布置有拐角导流片，拐角导流片在拐角段中从内到外的分布形式为等间距分布、先密后疏分布或先疏后密分布。

进一步地，所述拐角导流片为双圆弧形拐角导流片，安装角度为45～50°；双圆弧拐角导流片在拐角段中从内到外以等间距分布，两个双圆弧拐角导流片间距为导流片弦长的0.25～0.5倍。

进一步地，所述驱动泵位于第二拐角段的下游，所述驱动泵与第二拐角段之间是从上游到下游由非圆变圆的第二过渡段。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明立式串列双试验段空泡水洞具有大、小两个试验段，可以开展不同尺度模型、更宽广工况范围的水动力、空化等试验，显著降低综合建造成本；

2、本发明的空泡水洞可在大、小两个试验段下方分别布置测声舱或测声腔，用于进行被测模型的水中辐射噪声测试，提升水动力、空化和噪声综合测试能力，降低试验设施建设代价。

附图说明

图1为本发明立式串列双试验段空泡水洞试验装置结构示意图；

图2为图1中小试验段示意图；

图3为图1中稳定段及整流装置结构示意图；

图4为图1中第一拐角段示意图；

图5为图1中驱动泵示意图。

附图中各部件的标记如下：

100-立式回形洞体主回路，1-稳定段，2-整流装置，3-第一收缩段，4-大试验段，5-第二收缩段，6-小试验段，7-上扩散段，8-第一拐角段，9-第一过渡段，10-第二拐角段，11-第二过渡段，12-驱动泵，13-下扩散段，14-第三过渡段，15-第三拐角段，16-第四过渡段，17-第四拐角段，18-驱动电机，19-传动装置，20-叶轮轴，21-大测声舱，22-小测声舱，23-管路，24-调压装置，25-观察窗，26-透声玻璃，27-导流片，121-导叶体，122-叶轮，123-泵壳，2a-第一蜂窝器，2b-第二蜂窝器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示立式串列双试验段空泡水洞试验装置，包括立式回形洞体主回路100、布置在立式回形洞体主回路100外部的驱动电机18、通过管路23与立式回形洞体主回路100相连的调压装置24、大测声舱21及小测声舱22；其中，立式回形洞体主回路100包括依次连接形成回路的稳定段1、第一收缩段3、大试验段4、第二收缩段5、小试验段6、上扩散段7、第一拐角段8、第一过渡段9、第二拐角段10、第二过渡段11、驱动泵12、下扩散段13、第三过渡段14、第三拐角段15、第四过渡段16及第四拐角段17，且大测声舱21安装在大试验段4的下方，小测声舱22安装在小试验段6的下方。

驱动泵12包括泵壳123、叶轮122及位于叶轮上游的导叶体121，叶轮轴20由驱动电机18和传动装置19驱动，依次穿过第二过渡段11和导叶体121，带动叶轮122旋转。静止的导叶体121位于叶轮122上游起预旋作用，调压装置24通过管路23与立式回形洞体主回路100内部连通，实现对立式回形洞体主回路内的压力调节。

为了保证大试验段4和小试验段6的流速均匀性、湍流度等流场品质指标达到设计要求，具体采用了如下设计。

结合图3所示，稳定段1是为水洞试验段提供均匀、方向性好以及湍流脉动已经得到衰减的入口流动，稳定段1内部布置有整流装置2，为了达到较好的整流效果，整流装置2采用蜂窝器。为改善流动品质，也可在稳定段1的下游其他段设置蜂窝器。常用的蜂窝器的窝格形状有正方形、圆形及六边形。为提高蜂窝器降低湍流度及保证水流偏角的能力，通常需要选择长径比(蜂窝器长度与窝格对边距之比)较大的蜂窝器。为了适应不同来流漩涡尺度的分割及衰减的需求，多层蜂窝器的窝格尺寸需要有所区别，上游蜂窝器的窝格尺寸一般大于下游峰窝器的窝格尺寸。本实施例中，整流装置2包括了两组蜂窝器，分别是第一蜂窝器2a和第二蜂窝器2b，第一蜂窝器2a和第二蜂窝器2b的窝格形状均为正方形，长径比分别为10～20和25～50。

大试验段4位于小试验段6的上游，两者串联布置，中间通过第二收缩段5进行连接过渡。大试验段4截面当量直径为小试验段6截面当量直径D的2～3倍，从而，在相同阻塞比条件下，大试验段4中模型当量直径为小试验段6中模型量直径的2～3倍。为了试验模型安装和调试方便，大试验段4和小试验段6的顶部处在同一水平高度。水洞的大试验段4和小试验段6用于安装试验模型并进行各种类型的测试和试验。为了抑制角区漩涡的产生，提高试验段的流场品质，大试验段4和小试验段6的四个角区采用切角或圆角处理。

如图1和图2所示，由于很多试验需要对模型上的流动状态进行观测，并开展流动显示的试验，需要试验段具有较高的透光性，因此，在大试验段4和小试验段6的两边侧壁上均安装由光学玻璃组成的观察窗25，以实现对试验段内的光学观测，开展流动显示试验。观察窗25的安装位置一般应满足对60％以上试验段区域的光学观测的需求。为了满足玻璃承压的需要，观察窗25可以分段、分块进行布置，并具有足够的厚度和强度。大试验段4和小试验段6的下方分别布置大测声舱21和小测声舱22，用以开展模型噪声测量试验；大试验段4的底板安装有透声玻璃26将大测声舱21与大试验段4隔开，同理，小试验段6的底板安装有透声玻璃26将小测声舱22与小试验段6隔开。

第一收缩段3和第二收缩段5的主要作用是加速水流流速，改善试验段流动的均匀性，降低试验段水流湍流度，使大试验段4和小试验段6达到良好的水流品质。第一收缩段3和第二收缩段5的设计关系到整个水洞的能量比及大试验段4和小试验段6所能达到的流场技术指标，是水洞水动力学设计的重点。设计第一收缩段3和第二收缩段5时，应满足流动不出现分离，且出口流速有较高的均匀性。收缩段的性能主要取决于收缩比、收缩段长度和收缩曲线；收缩曲线常用设计方法有维氏曲线、五次曲线、双三次曲线、最佳收缩曲线等。

本实施例中，为使得大试验段4和小试验段6的流速不均匀性分别达到2％和1％、湍流度分别达到1％和0.5％的水平，采用双三次曲线，第一收缩段3的收缩比大于1.5、收缩段长度为其出口当量直径的1～2倍，第二收缩段5的收缩比大于4、收缩段长度为其出口当量直径的2～4倍，这样，总收缩比大于为6(总收缩比为第一收缩段收缩比与第二收缩段收缩比的乘积)。

扩散段的作用是使流动在面积逐渐增加的流动通道内逐渐减速升压，从而降低流动损失。上扩散段7位于小试验段6的下游，为保证足够的扩散面积比和较小的扩散角度，上扩散段7长度大于小试验段6截面当量直径D的3～5倍。下扩散段13位于驱动泵12与第三拐角段15之间，在减小流动损失的同时，可对上游产生的及被压缩的微小气泡(一般小于100μm)进行重融，使进入第三拐角段15的水流不含气泡。

本实施例中，上扩散段7的扩散面积比(出口面积与进口面积之比)大于2、扩散角小于5°；下扩散段13的扩散面积比大于2、扩散角小于5°。

如图1和图4所示，为了保证水洞拐角内的流动能很好的转向、减少流动分离，从而减小拐角压力损失、避免导流片吸力面的空化现象，需要在水洞四个拐角内设置精心设计的拐角导流片。拐角导流片按剖面形状不同可分为圆弧型(弯板型)、平板型、圆弧带直线型以及翼剖面型等不同型式。拐角导流片在拐角段中从内到外的分布形式可以是等间距分布、先密后疏分布或先疏后密分布。

本实施例中，以第一拐角段8为例，在其内设置了双圆弧形拐角导流片27，安装角度为45～50°。双圆弧拐角导流片27在第一拐角段8中从内到外以等间距分布，两个双圆弧拐角导流片间距为导流片弦长(首尾连线长度)的0.25～0.5倍。

如图1和图5所示，本实施例中，由1台驱动泵为水流提供驱动力，产生扬程，以克服水洞各部段的流动损失。驱动泵12由置于立式回形洞体主回路100外部的驱动电机18驱动，驱动电机18与叶轮122采用直接传动形式，传动装置19为弹性联轴器。通过调节驱动电机18转速，使试验段中水流达到要求速度。叶轮122的上游安装静止的导叶体121，起预旋作用，以改善泵进口流动条件，同时，导叶体121起到支撑作用。叶轮122和导叶体121的直径、叶型根据实际运行条件进行选型设计。驱动泵12的泵壳123作为立式回形洞体主回路100的一部分，与第二过渡段11和下扩散段13相连接。

根据水洞的水动力性能，利用下式计算得到立式回形洞体主回路100的总损失：

H₀＝q·∑K/(g·ρ)

式中，H₀——回路总损失，m；

q——高速试验段动压，Pa；

∑K——回路总损失系数；

g——重力加速度，取为9.81m/s²；

ρ——水的密度，kg/m³。

本实施例中，计算得到在没有安装试验模型的立式回形洞体主回路100的总损失为3m左右，回路总损失系数约为0.3。考虑到安装试验模型后产生的阻塞损失等因素，在总损失的基础上乘以1.2倍，作为驱动泵12的设计扬程。

在确定了泵的流量、扬程后，根据泵的效率、轴效率、电机效率等，利用下式计算出驱动电机的功率。

P＝g Q·H/η_p/η_s/η_m

式中，Q——水流量，t/s；

H——泵的设计扬程，m；

η_p——泵的效率；

η_s——轴效率；

η_m——电机效率。

本实施例中，驱动泵12位于第二拐角段10的下游。为了实现非圆截面的第二拐角段10与驱动泵12圆截面进口之间的过渡，在两者之间设置了从上游到下游由非圆变圆的第二过渡段11，第二过渡段11同时可以为第二拐角段导流片尾流的衰减提供足够的距离。

本实施例中，空泡水洞为立式布局，驱动泵12位于立式回形洞体主回路100的最低处，以实现抑制驱动泵12的叶轮122和导叶体121空化的目的。

综上所述，本发明立式串列双试验段空泡水洞试验装置具有大、小两个串列试验段，水洞总收缩比大于6，小试验段流场不均匀度小于1％，湍流度小于0.5％，大试验段流场不均匀度小于2％，湍流度小于1％，均具有优异的流场品质；试验段压力范围可达4kPa～400kPa，可模拟30m水深，最小空化数小于0.1。

本发明立式串列双试验段空泡水洞试验装置不仅可以满足不同尺度模型、更宽广工况范围的水动力试验、空化试验、流场观测试验和噪声试验，而且可以实现不同水深和空化数的模拟，应用范围广，综合测试能力强，综合建设成本低。

Claims (8)

1.一种立式串列双试验段空泡水洞试验装置，其特征在于：包括立式回形洞体主回路(100)、布置在立式回形洞体主回路(100)外部的驱动电机(18)、通过管路(23)与立式回形洞体主回路(100)相连的调压装置(24)、大测声舱(21)及小测声舱(22)；所述立式回形洞体主回路(100)包括依次连接形成回路的稳定段(1)、第一收缩段(3)、大试验段(4)、第二收缩段(5)、小试验段(6)、上扩散段(7)、第一拐角段(8)、第一过渡段(9)、第二拐角段(10)、第二过渡段(11)、驱动泵(12)、下扩散段(13)、第三过渡段(14)、第三拐角段(15)、第四过渡段(16)及第四拐角段(17)，且大测声舱(21)安装在大试验段(4)的下方，小测声舱(22)安装在小试验段(6)的下方；

所述驱动泵(12)包括泵壳(123)、叶轮(122)及位于叶轮上游的导叶体(121)，叶轮轴(20)由驱动电机(18)和传动装置(19)驱动，依次穿过第二过渡段(11)和导叶体(121)，带动叶轮(122)旋转；所述大试验段(4)截面当量直径为小试验段(6)截面当量直径D的2～3倍，大试验段(4)和小试验段(6)的顶部处在同一水平高度，大试验段(4)和小试验段(6)的四个角区采用切角或圆角处理。

2.根据权利要求1所述立式串列双试验段空泡水洞试验装置，其特征在于：所述稳定段(1)内部布置有整流装置(2)，整流装置(2)包括了两组蜂窝器，分别是第一蜂窝器(2a)和第二蜂窝器(2b)，第一蜂窝器(2a)和第二蜂窝器(2b)的窝格形状均为正方形，长径比分别为10～20和25～50。

3.根据权利要求1所述立式串列双试验段空泡水洞试验装置，其特征在于：所述大试验段(4)和小试验段(6)的两边侧壁上均安装由光学玻璃组成的观察窗(25)，所述大试验段(4)和小试验段(6)的下方分别布置大测声舱(21)和小测声舱(22)，大试验段(4)的底板安装有透声玻璃(26)将大测声舱(21)与大试验段(4)隔开，小试验段(6)的底板安装有透声玻璃(26)将小测声舱(22)与小试验段(6)隔开。

4.根据权利要求1所述立式串列双试验段空泡水洞试验装置，其特征在于：所述第一收缩段(3)和第二收缩段(5)采用双三次曲线，第一收缩段(3)的收缩比大于1.5、收缩段长度为其出口当量直径的1～2倍，第二收缩段(5)的收缩比大于4、收缩段长度为其出口当量直径的2～4倍，总收缩比大于为6。

5.根据权利要求1所述立式串列双试验段空泡水洞试验装置，其特征在于：所述上扩散段(7)位于小试验段(6)的下游，上扩散段(7)长度大于小试验段(6)截面当量直径D的3～5倍；所述上扩散段(7)的扩散面积比大于2、小于4，扩散角小于5°；下扩散段(13)的扩散面积比大于2、小于4，扩散角小于5°。

6.根据权利要求1所述立式串列双试验段空泡水洞试验装置，其特征在于：所述第四拐角段(17)、第三拐角段(15)、第一拐角段(8)、第二拐角段(10)内布置有拐角导流片，拐角导流片在拐角段中从内到外的分布形式为等间距分布、先密后疏分布或先疏后密分布。

7.根据权利要求6所述立式串列双试验段空泡水洞试验装置，其特征在于：所述拐角导流片为双圆弧形拐角导流片(27)，安装角度为45～50°；双圆弧拐角导流片(27)在拐角段中从内到外以等间距分布，两个双圆弧拐角导流片间距为导流片弦长的0.25～0.5倍。

8.根据权利要求1所述立式串列双试验段空泡水洞试验装置，其特征在于：所述驱动泵(12)位于第二拐角段(10)的下游，所述驱动泵(12)与第二拐角段(10)之间是从上游到下游由非圆变圆的第二过渡段(11)。