CN114061901A - 一种高压水洞试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压水洞试验装置及其试验方法，该装置包括水洞试验段，无轴推进装置，供气管路，供气设备，调压去空泡装置，渐缩渐扩段，和加速管路。水洞试验段两端分别连接减缩、渐扩管道，外接加速管道，以上管道形成闭合环路。在水洞加速管路上分散设置单个或多个无轴推进装置；若是多个无轴推进装置，则分散分布于加速管路全程。在水洞管路之外设置供气设备和供气管路，为无轴推进装置提供动力工质。该系统能够提高显著提高现有水洞系统的流量及流速，克服大功率设备的供能问题，将输入能量高效地转化为水流速度，同时可以模拟深海条件下的高压状态，有效克服高速水流引起的空化问题。

Description

一种高压水洞试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于实验流体力学技术领域，具体涉及一种高压水洞试验装置及其试验方法。

背景技术

高速水洞是研究水下高速运动体不可或缺的重要设备，是流体力学研究的重要设备之一，但是，在国内外拥有大截面的高速水洞的研究机构并不多。

目前，世界上的高速水洞只有三个：1)美国宾西法尼亚州立大学的超高速水洞，水速为83.8m/s，截面直径为0.038m；2)瑞士水利机械实验室的高速水洞，水速为50m/s，试验段的截面尺寸为0.15m×0.15m、长0.75m；3)荷兰海事研究所的高速水洞，水速为65m/s，试验段的截面尺寸为0.05m×0.05m、长4m。其余水洞的水流速度均小于等于40m/s。另外，现有的高速水洞的试验段尺寸均比较小，其截面积小于0.04m²。试验段尺寸最大是俄罗斯圣彼得堡的KPyn0B-3水洞截面尺寸为1.3m×1.3m，水速仅为15m/s。

对于模拟深海环境下舰船、飞行物运动环境的高速水洞，通常需要达到25m/s以上，试验段截面直径大于2m，由此产生的沿程损失高达几十兆瓦。现有常规技术难以实现高流速、大流量的水洞需求，主要问题包括以下几点：

1、难以采用现有常规设备产生大流量高流速的水流

传统的水洞系统均是利用水泵作为动力装置对水进行加速，由于现有水泵技术的限制，水泵将输入的能量全部转化为水流的压力而非动能，同时达到大流量和高流速的设备很难实现，且大功率水泵设备的效率较低，可靠性较差。

无轴推进装置是一种新兴的流体动力设备，其叶片附着于轮缘上，不需要主轴结构，具有振动小、耗功低等特点，但是现有无轴推进设备均是基于永磁同步电机技术，定子直接固定在环形导管中，并容纳电动机的绕组。磁铁容纳在转子中，叶片安装在转子的内圈上，具有固定的螺距，转子通过水润滑轴承系统支撑在定子内。这样就省去轴和齿轮箱，消除其不利的影响，同时又减轻了重量和节约了空间，最终形成了一个电动机驱动的轮边驱动螺旋桨。但是，通过电机驱动的无轴推进器功率有限，难以实现高流速、大流量高压水洞所需的能量转化。

2、高流速大流量的水洞设备耗能巨大，需要持续稳定的供能设备

仅考虑水洞试验段，水速大于15m/s、流道直径大于2米、试验段长度大于20m时，沿程阻力损失功率可达到几十兆瓦甚至更多；另外，水洞的其它部分管路均会产生巨大的阻力损失。

现有水洞普遍采用普通水泵作为供能设备，并通过电动机驱动。对于高流速大流量的水洞，常规电动机难以提供如此巨大的能量，同时其耗电量也难以满足。

3、高流速下的空化问题及高压环境调节难以解决

空化问题是影响试验水洞系统的重要问题。空化现象严重会大大降低水洞中的流场的稳定性，从而影响水洞相关试验的准确性；同时，过多的空化现象会引起水泵等相关设备性能的降低。另外，水是不可压缩流体，对于模拟深海环境的高速水洞，通过常规手段很难实现水洞系统的压力调节，需要设计专门的压力调节装置进行调节。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高压水洞试验装置及其试验方法，以解决现有技术中水洞系统的流量及流速低，难以模拟高压状态同时难以克服空化问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高压水洞试验装置，包括水洞试验段，水洞试验段的前端连接有渐缩管道，水洞试验段的后端连接有渐扩管道，渐缩管道的前端和渐扩管道的后端通过若干个加速管路连接；

所述水洞试验段、渐扩管道、加速管路和渐缩管道形成封闭的环形管路；

所述加速管路上设置有无轴推进装置；所述无轴推进装置通过供气管路连接有供气设备；

设定加速管路中有一段为远端加速管路，所述远端加速管路与水洞试验段在环形管路上位置相对，所述远端加速管路连通有调压去空泡装置；

所述加速管路和水洞试验段均位于同一水平面。

本发明的进一步改进在于：

优选的，相邻的加速管路之间通过无轴推进装置连接。

优选的，渐缩管道的长度不小于水洞试验段管路直径的2倍；渐扩管道的长度不小于水洞试验段管路直径的2倍；加速管路的直径大于水洞试验段管路的直径。

优选的，渐缩管道的前端和加速管路之间设置有整流装置。

优选的，所述整流叶片、水洞试验段、渐缩管道和渐扩管道同轴线

优选的，所述水洞试验段、渐缩管道和渐扩管道的内壁均铺设疏水涂层。

优选的，所述调压去空泡装置包括从上到下设置的步进电机及控制装置、活塞腔体和过渡管道，过渡管道的上端和活塞腔体的下端连通，过渡管道的下端和远端加速管路连通；步进电机及控制装置的动力输出端连接有密封活塞，密封活塞插入在活塞腔体中。

优选的，所述无轴推进装置包括内圈和外圈，内圈套装在外圈中；内圈中沿其周向安装有内叶片，外圈为向心透平结构。

优选的，所述内圈和外圈之间设置有密封圈。

一种上述的高压水洞试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，将试验品固定在水洞试验段内部的中心位置，向水洞试验段、渐缩管道、加速管路和渐扩管道中注水，向调压去空泡装置中注入气体，使得调压去空泡装置中的压力和试验目标压力接近；

步骤2，启动供气设备，使工质通过供气管路推动无轴推进装置，无轴推进装置带动管路中的水加速，水流稳定后，提高供气设备的功率使水流加速，调整调压去空泡装置中的压力，使得环形管路中的压力达到试验目标值；

步骤3，记录试验目标数据；

步骤4，试验目标数据记录完成后，降低供气设备的功率，降低调压去空泡装置中的压力，待水流停止流动后，打开水洞试验段，取出试验品。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种高压水洞试验装置，该装置包括水洞试验段，无轴推进装置，供气管路，供气设备，调压去空泡装置，渐缩渐扩段，和加速管路。水洞试验段两端分别连接减缩、渐扩管道，外接加速管道，以上管道形成闭合环路。在水洞加速管路上分散设置单个或多个无轴推进装置；若是多个无轴推进装置，则分散分布于加速管路全程。在水洞管路之外设置供气设备和供气管路，为无轴推进装置提供动力工质。该系统能够提高显著提高现有水洞系统的流量及流速，克服大功率设备的供能问题，将输入能量高效地转化为水流速度，同时可以模拟深海条件下的高压状态，有效克服高速水流引起的空化问题。

进一步的，采用无轴推进装置作为供能设备，为高流速、大流量水洞提供动力。无轴推进装置相比于传统的水泵，将更多的输入转化为水流的动能而非压力能，更适合水洞系统的需求。另外，无轴推进装置相比于传统的水泵，不需要单独设置电机及传动装置，不需要水流的主流方向发生大角度改变，且结构简单噪声小。

进一步的，传统结构的无轴推进装置采用电能作为能量的输入形式，而高流速、大流量的水洞系统耗能巨大，供电问题难以解决。本系统对于无轴推进装置进行了专用设计，外缘部分不采用电机结构而采用叶片结构，利用气体透平的将能量输入形式改为动力工质，并配备专用的供气设备，解决了大流速、高流量水洞系统的供能问题。

进一步的，为解决水洞的高压环境难以实现和调节问题及高速水洞的空化问题，本系统设计了专用的调压去空泡装置。该装置通过一个气体空间及附属的机械结构，实现了高压环境的创造和调节；同时，通过调压去空泡装置的过渡管道实现了水洞内部空泡的收集与提取功能。

进一步地，水洞渐缩管道前设置整流装置，整流装置包括一台采用电机驱动的传统无轴推进装置及可调出口导片。利用传统无轴推进装置采用电机驱动的响应快、控制精度高的特性，对水流速度进行微调，实现水洞实验系统的精确控制，同时利用可变出口导叶得到均匀、平行的水流，满足高精度流体力学实验的需求。在利用本文提出的新型无轴推进装置提供主要水流动力同时，结合了传统无轴推进装置的优势，提高了系统整体的性能。

进一步的，为进一步减小高流速、大流量水洞的能耗，提高水流的稳定性及均匀性，本发明进一步对实验管道的管径、过渡方式进行了设计；同时，整流叶片及疏水涂层的专门设计也提高了水洞的性能。

本发明还公开了一种高压水洞试验装置的试验方法，该试验方法采用无轴推进装置作为供能设备，为高流速、大流量水洞提供动力。通过一个气体空间及附属的机械结构，实现了高压环境的创造和调节；同时，通过调压去空泡装置的过渡管道实现了水洞内部空泡的收集与提取功能，进而实现整个水洞试验。

附图说明

图1：高流速大流量的高压水洞系统示意图(水流逆时针方向流动)；

图2：压力调节装置结构图；

图3：用于高速水洞的无轴推进装置示意图。

1：水洞试验段；2：无轴推进装置；3、供气管路；4、供气设备；5、调压去空泡装置；6、渐缩渐扩段；7、整流叶片；8、加速管路；9、活塞腔体；10；过渡管道；11、密封活塞；12、步进电机及控制装置；13、远端加速管路；61、渐缩管道；62、渐扩管道；201、内圈；202、密封圈；203、外圈；204、内叶片；205、环板；206、外叶片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种高流速、大流量的高压水洞系统，该系统包括水洞试验段1、无轴推进装置2、供气管路3、供气设备4、调压去空泡装置5、渐缩渐扩段6、整流叶片7和加速管路8。水洞试验段1的两端分别连接一个渐缩渐扩段6，两个渐缩渐扩段的外端共同和加速管道8连接，以上管道形成闭合环路。

更为具体的，水洞试验段1的两端各自连接一个渐缩渐扩段6，渐缩渐扩段6包括渐缩管道61和渐扩管道62。参见图1，水流方向为逆时针方向，顺着水流的方向，水洞试验段1前端和渐缩管道61连接，水洞试验段2后端和渐扩管道62连接。水洞试验段1为一个直径不变的管状，渐缩管道61和渐扩管道62的侧壁均采用二次曲线结构，具体的，渐缩管道61和渐扩管道62均包括小端面和大端面，渐缩管道61的小端面和水洞实验段1的前端面连接，渐缩管道61的大端面通过整流叶片7和加速管路8连接。渐扩管道62的小端面和水洞实验段1的后端面连接，渐扩管道62的大端面和加速管路8连通。

渐缩管道61和渐扩管道62的长度不低于水洞试验段1管路直径2倍，以减少因水流流动过程中不稳定而影响试验。水洞试验段1、渐缩管道61和渐扩管道62的内壁均铺设疏水涂层，以减小该部分损失，增加水流稳定性。

渐缩段之前设置整流装置7，具体为一台出口导叶可调的传统无轴推进设备。如背景部分介绍，传统无轴推进设备采用电机作为动力来源，具有响应快、控制精度高的优点，可用来对渐缩段之前水流的流速进行微调。传统无轴推进装置的出口处设置有角度可调的出口导叶，用于调整水流的旋向；通过调整出口导叶与管道轴线之间的夹角，使得被整流装置7调整后的水流，流动方向能够朝向水洞试验段；水洞试验段、渐缩段和整流叶片轴线位于同一直线，保证试验段水流的均匀稳定。

加速管路8为直径固定的管道，该系统中设置有多个加速管路8，加速管路8设置有弯曲形式的加速管路8和直线形式加速管路8，所有加速管路8首尾相接，和渐缩渐扩度段6以及水洞试验段1共同组成一个环形的封闭系统。环形结构中加速管路8的设置方式相对于环形结构的轴线对称。

水洞加速管路8的直径大于水洞试验段1管路的直径，以此减小加速管道部分的阻力损失。水洞试验段前设置渐缩管道，试验段后设置渐扩管道，渐缩(渐扩)管道采用二次曲线结构，以此保证水流稳定、高效地加(减)速过渡。渐缩、减扩段长度不低于试验段管路直径的2倍。

在加速管路8上分散设置单个或多个无轴推进装置2，优选的，相邻的加速管路8之间均通过一个无轴推进装置8连接。

在环形管路上，设定和水洞试验段1相对的加速管路8为远端加速管路13，远端加速管路13和水洞试验段1之间像个的加速管路8最多。远端加速管路13上连通有调压去空泡装置5，以此减小该结构对试验段水流稳定性的影响。

参见图3为无轴推进装置的具体结构，包括同轴的内圈201、密封圈202和外圈203；无轴推进装置2中的内圈201为水流道，采用无轴结构，沿其周向内部安装有内叶片204，内叶片204安装在轮缘上。外圈203采用向心透平结构，具体的，外圈203的一端设置有环板205，环板205垂直于外圈203的轴线，环板205和外圈203同轴线，环板205和外圈203之间设置有外叶片206，外圈203的外侧为气体通道。内圈201的两端和加速管路8转动连接，所有的无轴推进装置2通过各自的供气管路，共同和供气设备4连通。供气管路向外侧气体通道气体进入无轴推进器外侧膨胀做功，带动内侧叶片转动，进而推动水流加速。

设置供气设备4及供气管路3为无轴推进装置提供动力工质，作为高速水洞加速水流的动力来源。动力工质可采用空气或水蒸汽。若采用空气，则供气设备为压缩机与燃烧室(燃气动力装置)，空气经过压缩后进入燃烧室进一步升温，之后经供气管路分配进入无轴推进装置的气体透平部分做功；若采用水蒸汽，则供气设备为锅炉系统(蒸汽动力装置)，将高温高压水蒸汽通过供气管路送入无轴推进装置的气体透平部分做功。

参见图2为调压去空泡装置5的结构图。调压去空泡装置5包括从上到下依次设置有的步进电机及控制装置12、活塞腔体9和过渡管道10，活塞腔体9的上端为敞开结构，活塞腔体9的下端和过渡管道10连通，过渡管道10为渐缩结构，下端面为大截面，下端面和加速管路8连通，上端面为小截面，上端面和活塞腔体9的底端连通。步进电机及控制装置12的下端连接有密封活塞11，密封活塞11插入在活塞腔体9中，密封活塞11在步进电机及控制装置12的带动下在活塞腔体9中能够上下移动。设置调压去空泡装置5对水洞的压力进行调节，并去除管路中由于空化作用产生的空泡。调压去空泡装置由活塞外壁、过渡管道、密封活塞、步进电机及控制装置组成。

活塞腔体9的内部包含一段气体部分，气体部分的下部为工质，其内部工质为空气步进电机及控制装置12、通过控制密封活塞的位置来控制气体部分的高度，以此来调整空气部分的压力。空气部分与加速管道内部的水体相连通，因此本装置可以实现水体环境内部压力的精确控制。在高速水洞的加速过程中，随着水流的速度逐渐增加，水中的气体会逐渐析出形成气泡。当水中的气泡流动通过过渡管道时，会通过过渡管道上浮至活塞中并上浮至空气部分中。

通过上述装置的试验方法包括以下步骤：

步骤1，准备阶段

首先将实验品固定于水洞试验段1的中心位置。之后向高速水洞的试验段1、渐缩、减扩段和加速管路中充满水，并将以上管路密封。向调压去空泡装置5活塞腔体9内部充入一定量的气体，使活塞枪头9内部及水洞管路内部的压力逐渐上升至实验目标压力附近，同时调整的密封活塞的位置。

步骤2，启动阶段

逐渐启动供气设备4及供气管路3，使工质缓慢通过供气管路3进入无轴推进装置2的外圈叶轮，并带动叶轮旋转，使水洞内部的水逐渐加速。在此过程中，全部管路中的残余气泡(充气时引入)及空化气体会逐渐汇集至调压去空泡装置5的活塞内部。待水流稳定后逐渐提高供气设备4的功率使水流加速，同时调整调压去空泡装置5的密封活塞11位置，使水洞内部的压力达到实验目标值。

步骤3，实验阶段

在水流达到实验需求的流速和压力后对无轴推进装置5的进气量进行调整，使其稳定，并开使记录目标数据。

步骤4，停机阶段

待实验数据记录完成后，缓慢降低供气设备的功率。同时，逐渐提升调压去空泡装置5的密封活塞11，降低其内部的压力并防止气体膨胀溢出过渡管道8。待水流停止流动且压力降低后打开水洞试验段1，去除实验品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压水洞试验装置，其特征在于，包括水洞试验段(1)，水洞试验段(1)的前端连接有渐缩管道(61)，水洞试验段(1)的后端连接有渐扩管道(62)，渐缩管道(61)的前端和渐扩管道(62)的后端通过若干个加速管路(8)连接；

所述水洞试验段(1)、渐扩管道(62)、加速管路(8)和渐缩管道(61)形成封闭的环形管路；

所述加速管路(8)上设置有无轴推进装置(2)；所述无轴推进装置(2)通过供气管路(3)连接有供气设备(4)；

设定加速管路(8)中有一段为远端加速管路(13)，所述远端加速管路(13)与水洞试验段(1)在环形管路上位置相对，所述远端加速管路(13)连通有调压去空泡装置(5)；

所述加速管路(8)和水洞试验段(1)均位于同一水平面。

2.根据权利要求1所述的一种高压水洞试验装置，其特征在于，相邻的加速管路(8)之间通过无轴推进装置(2)连接。

3.根据权利要求1所述的一种高压水洞试验装置，其特征在于，渐缩管道(61)的长度不小于水洞试验段(1)管路直径的2倍；渐扩管道(62)的长度不小于水洞试验段(1)管路直径的2倍；加速管路(8)的直径大于水洞试验段(1)管路的直径。

4.根据权利要求1所述的一种高压水洞试验装置，其特征在于，渐缩管道(61)的前端和加速管路(8)之间设置有整流装置(7)。

5.根据权利要求4所述的一种高压水洞试验装置，其特征在于，所述整流叶片(7)、水洞试验段(1)、渐缩管道(61)和渐扩管道(62)同轴线。

6.根据权利要求1所述的一种高压水洞试验装置，其特征在于，所述水洞试验段(1)、渐缩管道(61)和渐扩管道(62)的内壁均铺设疏水涂层。

7.根据权利要求1所述的一种高压水洞试验装置，其特征在于，所述调压去空泡装置(5)包括从上到下设置的步进电机及控制装置(12)、活塞腔体(9)和过渡管道(10)，过渡管道(10)的上端和活塞腔体(9)的下端连通，过渡管道(10)的下端和远端加速管路(8)连通；步进电机及控制装置(12)的动力输出端连接有密封活塞(11)，密封活塞(11)插入在活塞腔体(9)中。

8.根据权利要求1所述的一种高压水洞试验装置，其特征在于，所述无轴推进装置(2)包括内圈(201)和外圈(203)，内圈(201)套装在外圈(203)中；内圈(201)中沿其周向安装有内叶片(204)，外圈(203)为向心透平结构。

9.根据权利要求1所述的一种高压水洞试验装置，其特征在于，所述内圈(201)和外圈(203)之间设置有密封圈(202)。

10.一种权利要求1-9任意一项所述的高压水洞试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将试验品固定在水洞试验段(1)内部的中心位置，向水洞试验段(1)、渐缩管道(61)、加速管路(8)和渐扩管道(62)中注水，向调压去空泡装置(5)中注入气体，使得调压去空泡装置(5)中的压力和试验目标压力接近；

步骤2，启动供气设备(4)，使工质通过供气管路(3)推动无轴推进装置(2)，无轴推进装置(2)带动管路中的水加速，水流稳定后，提高供气设备(4)的功率使水流加速，调整调压去空泡装置(5)中的压力，使得环形管路中的压力达到试验目标值；

步骤3，记录试验目标数据；

步骤4，试验目标数据记录完成后，降低供气设备的功率，降低调压去空泡装置(5)中的压力，待水流停止流动后，打开水洞试验段(1)，取出试验品。

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