CN114414192B - 喷水推进器进水流道水力性能测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种喷水推进器进水流道水力性能测试装置及方法，本装置包括进水流道模型，实验风洞动力单元和射流单元；裸进水流道设于进水箱上方并设有若干测压孔，总压耙连接裸进水流道和出口水平管，变频风扇和流量喷嘴设于出口水平管，流量喷嘴、总压耙和若干测压孔连接数据采集单元；离心鼓风机连接进水箱入口，射流单元的射流管连接进水箱的射流孔。本方法通过数据采集单元、总压耙和若干测压孔采集裸进水流道截面的压力分布，以及在射流单元干涉下的裸进水流道截面的压力分布变化数据，得到进水流道水力性能测试数据。本装置和方法基于风洞动力装置在开放式流场中测试射流对进水流道流动特性的影响，提高了进水流道水力性能测试的准确性。

Description

喷水推进器进水流道水力性能测试装置及方法
技术领域
本发明涉及船舶推进装置技术领域，尤其涉及一种喷水推进器进水流道水力性能测试装置及方法。
背景技术
喷水推进是一种特殊的船舶推进方式，以快速性作为首要设计目标。进水流道是喷水推进器的一个重要部件，承担着给推进泵输送水流和传递能量的功能。但受船体结构布局的限制，喷水推进器进水流道通常是弯管形的，会导致推进泵入口流动不均匀，造成管路水力损失，并引发推进泵效率的下降，甚至发生失稳。基于射流的主动控制方法在仿真模拟过程中能够提升进水流道出流的水力性能，但仍需要专门的实验来验证射流对于进水流道的作用，以获得更准确的结果。因此针对带有射流的喷水推进器进水流道，有必要设计一种便于测量其流动特性的实验装置。
对于喷水推进器进水流道而言，能否准备地测得其压力分布，尤其是出口总压的变化，将影响射流对进水流道流动控制效果评价的准确性。传统的喷水推进器进水流道实验测试通常在拖曳水池或者循环水洞中进行，此类装置对场地要求较高且实验花费大。同时进水流道出口的流量具有径向扩散强、流速高等特点，导致水中测试限制因素较多，测量难度大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种喷水推进器进水流道水力性能测试装置及方法，本装置及方法克服传统喷水推进器进水流道测试的缺陷，基于风洞动力装置在开放式流场中测试射流对进水流道流动特性的影响，其结构简单，测试操作方便，提高了进水流道水力性能测试的准确性。
为解决上述技术问题，本发明喷水推进器进水流道水力性能测试装置包括进水流道模型，实验风洞动力单元和射流单元；
所述进水流道模型包括裸进水流道、流量喷嘴、变频风扇、出口水平管、总压耙、数据采集单元和进水箱，所述裸进水流道设于所述进水箱上方并且连通进水箱，所述裸进水流道壁设有若干测压孔，所述总压耙两端通过法兰分别连接所述裸进水流道和出口水平管，所述变频风扇设于所述出口水平管末端，所述流量喷嘴设于所述出口水平管内，所述流量喷嘴、总压耙和若干测压孔通过软管连接所述数据采集单元；
所述实验风洞动力单元包括离心鼓风机、变频控制器、风室和收敛出口，所述风室两端分别连接所述离心鼓风机和收敛出口，所述收敛出口连接所述进水箱入口，所述变频控制器控制所述离心鼓风机风速；
所述射流单元包括螺杆空压机、气体导管、流量计、PID反馈控制器、阀门和射流管，所述气体导管一端连接所述螺杆空压机、另一端插入所述射流管，所述流量计、PID反馈控制器和阀门依次设于所述气体导管并且调节所述射流管喷射的气体流量和流速，所述进水箱壁设有射流孔，所述射流管的输出端连接所述射流孔。
进一步，所述收敛出口面积经收敛后为40×60cm，并与所述进水箱入口面积一致。
进一步，所述射流管喷出的射流以30°夹角通过所述射流孔进入所述进水箱内。
进一步，所述裸进水流道采用3D打印制成，其材质为有机玻璃。
进一步，所述总压耙包括圆管、法兰盘、总压探针和夹具，所述法兰盘设于所述圆管两端，所述圆管管壁沿圆周方向均布三个探针孔，所述总压探针通过夹具分别设于所述三个探针孔内，并且所述总压探针在所述圆管内腔沿长度方向间隔设有五个测压探针。
进一步，所述流量喷嘴为压差式流量计。
进一步，所述进水箱为长方体，并采用1cm厚的有机玻璃板制成。
进一步，所述变频控制器控制所述离心鼓风机使得所述风室内的风速在0～20m/s范围内调整。
一种基于上述装置的喷水推进器进水流道水力性能测试方法包括如下步骤：
步骤一、启动离心鼓风机，调节变频控制器控制风室流量，根据标定曲线，得到风洞收敛出口风速V∞；
步骤二、启动变频风机，将进水箱中的空气抽吸至裸进水流道内，流量喷嘴入口一端直径与出口水平管直径一致，均为D，流量喷嘴另一端喷口处的直径为R，通过数据采集单元采集流量喷嘴与大气压之间的压差，根据压差公式求得流量喷嘴喷口处的流速Vm，由于通过流量喷嘴和裸进水流道出口的流量是连续一致的，换算求得裸进水流道出口的平均流速V0；
VmπR2＝V0πD2
其中，△P为流量喷嘴与大气压之间的压差，ρ为空气密度；
步骤三、待裸进水流道流速V0稳定后，通过数据采集单元采集总压耙和裸进水流道壁若干测压孔的压力数据，形成裸进水流道截面的压力分布；
步骤四、启动螺杆空压机，通过流量计、PID反馈控制器和阀门调节射流管流量，通过射流管向进水箱内射入0-30m/s的射流；
步骤五、重复步骤三，获得裸进水流道截面的压力分布变化数据，从而得到喷水推进器进水流道水力性能测试数据。
进一步，所述步骤三中数据采集单元采集总压耙压力数据时，总压耙通过法兰盘周向转动七个位置，由三个总压探针的五个测压探针获得105个测量点，形成裸进水流道截面的压力分布。
由于本发明喷水推进器进水流道水力性能测试装置及方法采用了上述技术方案，即本装置包括进水流道模型，实验风洞动力单元和射流单元；裸进水流道设于进水箱上方并且连通进水箱，裸进水流道壁设有若干测压孔，总压耙连接裸进水流道和出口水平管，变频风扇和流量喷嘴设于出口水平管，流量喷嘴、总压耙和若干测压孔连接数据采集单元；离心鼓风机收敛出口连接进水箱入口，射流单元的射流管连接进水箱的射流孔。本方法通过数据采集单元、总压耙和若干测压孔采集裸进水流道截面的压力分布，以及在射流单元干涉下的裸进水流道截面的压力分布变化数据，得到喷水推进器进水流道水力性能测试数据。本装置和方法基于风洞动力装置在开放式流场中测试射流对进水流道流动特性的影响，其结构简单，测试操作方便，提高了进水流道水力性能测试的准确性。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明喷水推进器进水流道水力性能测试装置结构示意图；
图2为本装置中总压耙结构示意图。
具体实施方式
实施例如图1所示，本发明喷水推进器进水流道水力性能测试装置包括进水流道模型1，实验风洞动力单元2和射流单元3；
所述进水流道模型1包括裸进水流道11、流量喷嘴12、变频风扇13、出口水平管14、总压耙15、数据采集单元16和进水箱17，所述裸进水流道11设于所述进水箱17上方并且连通进水箱17，所述裸进水流道11壁设有若干测压孔18，所述总压耙15两端通过法兰分别连接所述裸进水流道11和出口水平管14，所述变频风扇13设于所述出口水平管14末端，所述流量喷嘴12设于所述出口水平管14内，所述流量喷嘴12、总压耙15和若干测压孔18通过软管19连接所述数据采集单元16；
所述实验风洞动力单元2包括离心鼓风机21、变频控制器22、风室23和收敛出口24，所述风室23两端分别连接所述离心鼓风机21和收敛出口24，所述收敛出口24连接所述进水箱17入口，所述变频控制器22控制所述离心鼓风机21风速；
所述射流单元3包括螺杆空压机31、气体导管32、流量计33、PID反馈控制器34、阀门35和射流管36，所述气体导管32一端连接所述螺杆空压机31、另一端插入所述射流管36，所述流量计33、PID反馈控制器34和阀门35依次设于所述气体导管32并且调节所述射流管36喷射的气体流量和流速，所述进水箱17壁设有射流孔37，所述射流管36的输出端连接所述射流孔37。
优选的，所述收敛出口24面积经收敛后为40×60cm，并与所述进水箱17入口面积一致。
优选的，所述射流管36喷出的射流以30°夹角通过所述射流孔37进入所述进水箱17内。
优选的，所述裸进水流道11采用3D打印制成，其材质为有机玻璃。
优选的，如图2所示，所述总压耙15包括圆管151、法兰盘152、总压探针153和夹具154，所述法兰盘152设于所述圆管151两端，所述圆管151管壁沿圆周方向均布三个探针孔155，所述总压探针153通过夹具154分别设于所述三个探针孔155内，并且所述总压探针153在所述圆管151内腔沿长度方向间隔设有五个测压探针156。
优选的，所述流量喷嘴12为压差式流量计。
优选的，所述进水箱17为长方体，并采用1cm厚的有机玻璃板制成。
优选的，所述变频控制器22控制所述离心鼓风机使得所述风室内的风速在0～20m/s范围内调整。
一种基于上述装置的喷水推进器进水流道水力性能测试方法包括如下步骤：
步骤一、启动离心鼓风机，调节变频控制器控制风室流量，根据标定曲线，得到风洞收敛出口风速V∞；
步骤二、启动变频风机，将进水箱中的空气抽吸至裸进水流道内，流量喷嘴入口一端直径与出口水平管直径一致，均为D，流量喷嘴另一端喷口处的直径为R，通过数据采集单元采集流量喷嘴与大气压之间的压差，根据压差公式求得流量喷嘴喷口处的流速Vm，由于通过流量喷嘴和裸进水流道出口的流量是连续一致的，换算求得裸进水流道出口的平均流速V0；
VmπR2＝V0πD2
其中，△P为流量喷嘴与大气压之间的压差，ρ为空气密度；
步骤三、待裸进水流道流速V0稳定后，通过数据采集单元采集总压耙和裸进水流道壁若干测压孔的压力数据，形成裸进水流道截面的压力分布；
步骤四、启动螺杆空压机，通过流量计、PID反馈控制器和阀门调节射流管流量，通过射流管向进水箱内射入0-30m/s的射流；
步骤五、重复步骤三，获得裸进水流道截面的压力分布变化数据，从而得到喷水推进器进水流道水力性能测试数据。
优选的，所述步骤三中数据采集单元采集总压耙压力数据时，总压耙通过法兰盘周向转动七个位置，由三个总压探针的五个测压探针获得105个测量点，形成裸进水流道截面的压力分布。
进速比IVR是表征船舶运行状态的重要参数，进速比的定义为进水流道出口的平均流速V0与风速V∞之比，在本方法中可以调节离心鼓风机转速便捷实现不同进速比下进水流道内流场的测量。
本装置和方法在开放式风洞流场中测试射流对进水流道的影响，通过加入射流的主动控制方式提升船舶喷水推进进水流道的出口总压，其测量简单，实用可靠，有别于传统的水洞实验方法，通过流动的相似准则，获得与水中测试结果的一致性，既解决了水中流动缺乏有效可靠的测量方法,测量难度大的难题，又克服了传统喷水推进实验装置以水作为工质导致成本大的不足，便于应用于喷水推进试验装置流动特性的测量，为研发喷水推进器提供了一个快速、简便、成本低的流动特性的测试装置和方法。

Claims (9)

1.一种喷水推进器进水流道水力性能测试装置，其特征在于：本装置包括进水流道模型，实验风洞动力单元和射流单元；
所述进水流道模型包括裸进水流道、流量喷嘴、变频风扇、出口水平管、总压耙、数据采集单元和进水箱，所述裸进水流道设于所述进水箱上方并且连通进水箱，所述裸进水流道壁设有若干测压孔，所述总压耙两端通过法兰分别连接所述裸进水流道和出口水平管，所述变频风扇设于所述出口水平管末端，所述流量喷嘴设于所述出口水平管内，所述流量喷嘴、总压耙和若干测压孔通过软管连接所述数据采集单元；
所述实验风洞动力单元包括离心鼓风机、变频控制器、风室和收敛出口，所述风室两端分别连接所述离心鼓风机和收敛出口，所述收敛出口连接所述进水箱入口，所述变频控制器控制所述离心鼓风机风速；
所述射流单元包括螺杆空压机、气体导管、流量计、PID反馈控制器、阀门和射流管，所述气体导管一端连接所述螺杆空压机、另一端插入所述射流管，所述流量计、PID反馈控制器和阀门依次设于所述气体导管并且调节所述射流管喷射的气体流量和流速，所述进水箱壁设有射流孔，所述射流管的输出端连接所述射流孔；
所述总压耙包括圆管、法兰盘、总压探针和夹具，所述法兰盘设于所述圆管两端，所述圆管管壁沿圆周方向均布三个探针孔，所述总压探针通过夹具分别设于所述三个探针孔内，并且所述总压探针在所述圆管内腔沿长度方向间隔设有五个测压探针。
2.根据权利要求1所述的喷水推进器进水流道水力性能测试装置，其特征在于：所述收敛出口面积经收敛后为40×60cm，并与所述进水箱入口面积一致。
3.根据权利要求1所述的喷水推进器进水流道水力性能测试装置，其特征在于：所述射流管喷出的射流以30°夹角通过所述射流孔进入所述进水箱内。
4.根据权利要求1所述的喷水推进器进水流道水力性能测试装置，其特征在于：所述裸进水流道采用3D打印制成，其材质为有机玻璃。
5.根据权利要求1所述的喷水推进器进水流道水力性能测试装置，其特征在于：所述流量喷嘴为压差式流量计。
6.根据权利要求1所述的喷水推进器进水流道水力性能测试装置，其特征在于：所述进水箱为长方体，并采用1cm厚的有机玻璃板制成。
7.根据权利要求1所述的喷水推进器进水流道水力性能测试装置，其特征在于：所述变频控制器控制所述离心鼓风机使得所述风室内的风速在0～20m/s范围内调整。
8.一种基于所述权利要求1至权利要求7任一项所述的喷水推进器进水流道水力性能测试装置的喷水推进器进水流道水力性能测试方法，其特征在于本方法包括如下步骤：
步骤一、启动离心鼓风机，调节变频控制器控制风室流量，根据标定曲线，得到风洞收敛出口风速 ；
步骤二、启动变频风机，将进水箱中的空气抽吸至裸进水流道内，流量喷嘴入口一端直径与出口水平管直径一致，均为D，流量喷嘴另一端喷口处的直径为R，通过数据采集单元采集流量喷嘴与大气压之间的压差，根据压差公式求得流量喷嘴喷口处的流速Vm，由于通过流量喷嘴和裸进水流道出口的流量是连续一致的，换算求得裸进水流道出口的平均流速V0；
其中，为流量喷嘴与大气压之间的压差，/>为空气密度；
步骤三、待裸进水流道流速V0稳定后，通过数据采集单元采集总压耙和裸进水流道壁若干测压孔的压力数据，形成裸进水流道截面的压力分布；
步骤四、启动螺杆空压机，通过流量计、PID反馈控制器和阀门调节射流管流量，通过射流管向进水箱内射入0-30m/s的射流；
步骤五、重复步骤三，获得裸进水流道截面的压力分布变化数据，从而得到喷水推进器进水流道水力性能测试数据。
9.根据权利要求8所述的喷水推进器进水流道水力性能测试方法，其特征在于：所述步骤三中数据采集单元采集总压耙压力数据时，总压耙通过法兰盘周向转动七个位置，由三个总压探针的五个测压探针获得105个测量点，形成裸进水流道截面的压力分布。
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