CN114813039A - 一种文丘里式高速空化水洞试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种文丘里式高速空化水洞试验装置，其包括罐体、收缩段、测试段、扩散段和连接组件，罐体上设置有进水口、出水口、回流口，收缩段与出水口连接，测试段包括管壳和设置在管壳内的文丘里管，测试段与收缩段远离出水口的一端连接，扩散段测试段远离收缩段的一端连接；连接组件，一端与扩散段远离测试段的一端连接，另一端连接回流口；本发明通过文丘里管路设计，在测试段的水流流速会加快，从而使得测试段的局部压力逐渐减小，产生空化现象，从而可以在测试段进行空化试验的研究。

Description

一种文丘里式高速空化水洞试验装置

技术领域

本发明属于水动力学及试验流体力学技术领域，特别涉及一种文丘里式高速空化水洞试验装置。

背景技术

水洞是水动力学常用的实验装置，经常用来研究湍流、空泡、空化、圆柱绕流以及水弹性等实验研究，是一个水循环系统。重力式溢流式水洞是一种依靠水的势能来提供动力的水洞，同时截面大流量大，但是水流流速却不高，不容易产生空化，无法进行空化水洞的试验研究。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的技术问题是解决现有技术中水流流速不高，无法实现水流在测试段的高速流动，进而在测试段进行空化试验的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种文丘里式高速空化水洞试验装置，其包括罐体、收缩段、测试段、扩散段和连接组件。罐体上设置有进水口、出水口、回流口。收缩段与出水口连接。测试段包括管壳和设置在管壳内的文丘里管，测试段与收缩段远离出水口的一端连接。扩散段与测试段远离收缩段的一端连接。连接组件，一端与扩散段远离测试段的一端连接，另一端连接回流口。

作为本发明所述文丘里式高速空化水洞试验装置的一种优选方案，其中文丘里管包括入口管、喉管和出口管。入口管一端与收缩段远离出水口的一端配合，入口管的直径向另一端递减。喉管的直径处处相同且与入口管配合。出口管的结构与入口管对称且直径较小一端与喉管配合。

作为本发明所述文丘里式高速空化水洞试验装置的一种优选方案，其中：入口管的直径线性变化，且两端直径比为5:1，管壳为矩形。

作为本发明所述文丘里式高速空化水洞试验装置的一种优选方案，其中：罐体内设置有与所述出水口相连的内侧板。内侧板包括第一直板、第二直板、第三直板、底板。第一直板与第二直板高度相同且垂直连接，第二直板与第三直板高度相同且垂直连接，底板的一侧为与第一直板、第二直板、第三直板底部配合的矩形，另一侧为与罐体内壁配合的圆弧形。

作为本发明所述文丘里式高速空化水洞试验装置的一种优选方案，其中：出水口的底部与底板平行，内侧板的高度大于出水口的高度。

作为本发明所述文丘里式高速空化水洞试验装置的一种优选方案，其中：罐体内设置有液位计和增压减压接口。

作为本发明所述文丘里式高速空化水洞试验装置的一种优选方案，其中：连接组件包括驱动泵、流量计、调节阀、第一连接管和第二连接管，所述驱动泵的一个接口连接回流口，驱动泵的另一个接口连接第一连接管，流量计、调节阀均设置在第一连接管上，第一连接管的另一端连接第二连接管的一端，第二连接管的另一端连接扩散段远离测试段的一端。

作为本发明所述文丘里式高速空化水洞试验装置的一种优选方案，其中：第二连接管分别通过第一弯管、第二弯管与扩散段、第一连接管连接，所述第一弯管内有若干导流片。

作为本发明所述文丘里式高速空化水洞试验装置的一种优选方案，其中：收缩段的内直径从靠近出水口的一端到另一端逐渐减小。扩散段的截面从靠近测试段的一端向另一端逐渐变大。

作为本发明所述文丘里式高速空化水洞试验装置的一种优选方案，其中：还包括控制柜，包括控制模块、操作模块和显示模块。操作模块和显示模块分别连接控制模块，控制模块分别连接驱动泵、流量计和调节阀。

本发明的有益效果：本发明通过文丘里管路设计，在测试段的水流流速会加快，从而使得测试段的局部压力逐渐减小，产生空化现象，从而可以在测试段进行空化试验的研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为实施例1～5的整体结构图。

图2为实施例2中的测试段结构图。

图3为实施例2中的收缩段的结构图。

图4为实施例3中的内侧板的结构图。

图5为实施例3中罐体上方剖视图。

图6、图7为实施例4中第一弯管的结构图。

图8为实施例6中的加压组件连接结构图。

图9为实施例6中的加压管内部结构图。

图10为实施例6中的球体在加压管内的连接结构图。

图11为实施例6中的三角块连接结构图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种文丘里式高速空化水洞试验装置，包括罐体100、收缩段200、测试段300、扩散段400和连接组件500。罐体100上设置有进水口101、出水口102和回流口103。收缩段200与出水口102连接。测试段300包括管壳301和设置在管壳301内的文丘里管302，测试段300与收缩段200远离出水口102的一端连接。扩散段400与所述测试段300远离收缩段200的一端连接。连接组件500一端与所述扩散段400远离测试段400的一端连接，另一端连接回流口103。连接组件500应当包括能够为水循环提供动力的装置。

本实施例所说的“连接”，具体指通过法兰将两个部件相固定，连接处密封，形成供水流通过的通道。

实施例2

参照图2、图3，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，不同之处在于，文丘里管302包括入口管302a、喉管302b和出口管302c。入口管302a一端与收缩段200远离出水口102的一端配合，入口管302a的直径向另一端递减，喉管302b的直径处处相同且与入口管302a配合，出口管302c的结构与入口管302a相同且直径较小一端与喉管302b配合。入口管302a、喉管302b和出口管302c依次相连形成一个整体。文丘里管302整体的截面呈先减小再增大的趋势。入口管302a的直径线性变化，且两端直径比为5:1。管壳301为矩形。

具体而言，入口管302a和出口管302c最大直径为100mm，最小直径为20mm，喉管302b直径处处相同，均为20mm，长度为100mm。文丘里管总长为600mm。测试段300整段的材料都由有机玻璃制作，与现有技术相比，采用外侧为矩形，内侧为文丘里管相结合，外侧为矩形管设计能够方便激光测速拍照，不会影响激光的折射率，同时也可以方便进行观察文丘里管内的试验现象。

进一步地，收缩段200的内直径从靠近出水口102的一端到另一端逐渐减小。收缩段200用于整流，使流出的水流保持一个良好的出口流速稳定性，为测试段300进行试验提供一个稳定的进口流速。扩散段400的截面从靠近测试段300的一端向另一端逐渐变大，起到扩散的作用。

实施例3

参照图4、图5，为本发明第三个实施例，该实施例基于上一个实施例，不同之处在于，罐体100内设置有与所述出水口102相连的内侧板104。内侧板104包括第一直板104a、第二直板104b、第三直板104c、底板104d。第一直板104a与第二直板104b高度相同且垂直连接，第二直板104b与第三直板104c高度相同且垂直连接，底板104d的一侧为与第一直板104a、第二直板104b、第三直板104c底部配合的矩形，另一侧为与罐体100内壁配合的圆弧形。出水口102的底部与底板104d平行，内侧板104的高度大于出水口102的高度。内侧板104能够形成溢流，使罐体水流能够对称均匀地从罐体中部的出水口流出。

进一步地，罐体100内设置有液位计105和增压减压接口106。增压减压接口106用于进行测试段300进行的增压减压试验。液位计105用于测量罐体内的水位高度，监控罐体100内的水位情况。

实施例4

参照图1、图6、图7，为本发明第四个实施例，该实施例基于上一个实施例，不同之处在于，连接组件500包括驱动泵501、流量计502、调节阀503、第一连接管504和第二连接管505。驱动泵501的一个接口连接回流口103，驱动泵501的另一个接口连接第一连接管504。流量计502、调节阀503均设置在第一连接管504上，第一连接管504的另一端连接第二连接管505的一端，第二连接管505的另一端连接扩散段400远离测试段300的一端。具体地，驱动泵501优选为离心泵，采用变频电机，并且可以通过PLC控制柜控制来实现自动和手动调频，从而调节水流流速，加快循环水流动。第一连接管504由三个直管道组成，流量计502优选为电磁流量计，连接在两个直管道之间，用于测量水流流量。调节阀503优选为带电动执行机构的蝶阀，连接在另外两个直管之间，可通过PLC控制柜实现智能控制，用于调节水流流量，以实现不同流量工况。

进一步地，第二连接管505分别通过第一弯管505a、第二弯管505b与扩散段400、第一连接管504连接，第一弯管505a内有若干导流片505a-1。优选的，导流片505a-1有三个，用于整流，减少水流在拐角处的回流，使水流保持一个良好的流态。整个装置通过两个支架固定，使其保持稳定。

实施例5

参照图1，该实施例基于上一个实施例，不同之处在于，还包括PLC控制柜600，包括控制模块601、操作模块602和显示模块603，操作模块602和显示模块603分别连接控制模块601，控制模块601分别连接驱动泵501、流量计502、调节阀503。控制模块601具体指CPU和编程器，CPU不断地采集输入信号，并根据采集的数据进行分析、计算，编程器用来储存程序和数据。操作模块602具体指供用户操作的键盘，其将用户的操作转换为信号传递给控制模块601。显示模块603具体指显示屏，将控制模块601采集的数据输出，以便操作者实时查看数据。

工作原理如下：操作者从进水口100向罐体100内注水，水流将罐体100填满后一部分会从回流口103流出进入第一连接管504，另一部分水流从出水口102流出，依次经过收缩段200、测试段300、扩散段400和第二连接管505后将整个装置充满。待水流充满整个装置并静置半个小时后，通过PLC控制柜600来启动驱动泵501进行工作，加速装置中水流流动，同时加快循环水的流动，并通过增压减压接口106将装置中的气体排出去，使气体和液体分隔开来。在进行试验时，可以通过PLC控制柜600控制调节阀503来实现不同的流量工况，同时也可以通过PLC控制柜600来改变驱动泵501的转速，从而实现高速水流。PLC控制柜600通过显示模块603可以清楚地展现各项数据的变化情况，同时也可以通过操作模块602来实现对不同驱动装置的控制，可以控制调节阀503流量和驱动泵501的转速，同时会生成实时试验数据，并将其保存为文档，方便进行试验数据分析。

实施例6

参照图8～11，为本发明第六个实施例，该实施例基于上一个实施例，在第二连接管505外壁套设有加压组件700，加压组件700固定套设在第二连接管505外壁上对内部水流起到加压的作用，可以帮助水流在竖直的第二连接管505内加速上冲，避免水压回流。

加压组件700包括三角底座701和弹出部件702，三角底座701中心为圆形空洞，其套设在第二连接管505外壁并与第二连接管505外壁固定焊接；具体的，三角底座701至上而下截面为三角形，其三个棱角均削平形成有平端面A，平端面A凹陷形成方腔A-1，方腔A-1内设置第一弹簧B，第一弹簧B固定连接弹出部件702；具体的，弹出部件702为长板结构并且其底部的一面设置移动块702a，移动块702a伸入方腔A-1内固定连接第一弹簧B。

进一步的，移动块702a朝向弹出部件702顶部的一面自与弹出部件702连接处向远离弹出部件702连接处的一端过度形成坡面702a-1，具体的，坡面702a-1自与弹出部件702连接处逐渐向上的趋势；移动块702a远离与弹出部件702连接处的一端设置有端块702b，端块702b为长方体结构，其顶部与方腔A-1顶部贴合。

进一步的，三角底座701上设置有圆环状短管701a，短管701a底部与方腔A-1通过圆形腔道连通并且圆环状短管701a内设置有浮动球701b，短管701a顶部将浮动球701b限位，防止浮动球701b出短管701a，同时浮动球701b可以部分嵌卡在圆形腔道中以隔绝短管701a和方腔A-1。端块702b底部连接有通管702b-1，通管702b-1从三角底座701底部穿出并连接气压泵；端块702b顶部设置通孔连通通管702b-1，同时端块702b侧部设置通槽702b-2连通通管702b-1，端块702b顶部的通孔可以与短管701a连通，通槽702b-2可以通过三角底座701侧部的圆通口与外界连通。

坡面702a-1上凹陷形成有卡槽702a-4，浮动球701b上设置有卡板701b-4，卡板701b-4卡入卡槽702a-4内。

通管702b-1在弹出部件702移动时具有两种连通状态，首先通孔与短管701a底部错位，因此通孔被堵住，而通槽702b-2与外界连通，通管702b-1在气压泵吹气的时候起从圆通口通出，起到清扫通管702b-1内部的作用，弹出部件702动作弹出后，通槽702b-2与圆通口错位，通孔与短管701a底部连通，通管702b-1通过气压泵加压，气体从通管702b-1内经过通孔从短管701a通出。

进一步的，加压组件700还包括加压管703，加压管703设置有三个，分别对应安装在三角底座701的三个端脚部的上方。加压管703内部设置有容腔B，短管701a顶部与容腔B连通；具体的，加压管703外壁一面与第二连接管505外壁贴合匹配，另一面与弹出部件702贴合匹配，弹出部件702顶部伸入容腔B内。容腔B内设置有分隔板B-1，分隔板B-1一端连接加压管703顶部，另一端向下延伸并连接加压管703侧壁；同时分隔板B-1两侧均与加压管703内侧壁固定连接，分隔板B-1将容腔B分隔成进水舱B-2和空舱B-3，短管701a位于进水舱B-2内；分隔板B-1上朝向第二连接管505外壁垂直设置有横板C，横板C将进水舱B-2分隔成两个独立的容置槽D，横板C上设置有第一圆孔道C-1，第一圆孔道C-1连通两个容置槽D，同时加压管703贴合第二连接管505外壁的一面设置第二圆孔道C-2，第二连接管505外壁上对应第二圆孔道C-2设置第三圆孔道C-3。

进一步的，弹出部件702顶部朝向加压管703的一面设置导通件702c，导通件702c在弹出部件702上转动连接并伸入加压管703内，具体的，导通件702c包括转动杆702c-1和球体702c-2，球体702c-2位于上方的容置槽D内并分别与第一圆孔道C-1和第二圆孔道C-2配合，球体702c-2上设置圆柱702c-3，圆柱702c-3穿过分隔板B-1，转动杆702c-1穿过弹出部件702伸入圆柱702c-3内转动连接，球体702c-2通过第二弹簧E与分隔板B-1弹性连接使得球体702c-2在容置槽D内可以横向运动。

进一步的，转动杆702c-1外壁上径向贯穿连通设置有一端方孔，方孔内设置有两个对称的三角块704，三角块704的斜面朝向弹出部件702所在方向，并且两个三角块704之间在方孔捏通过第三弹簧704a连接，因此两个三角块704可以向内挤压第三弹簧704a。

进一步的，分隔板B-1上朝向弹出部件702的一面设置有对称限位板705，限位板705位于转动杆702c-1的两侧并与三角块704配合，具体的，限位板705的端部设置有三角卡块705a，三角卡块705a的倾斜面自连接处逐渐朝外延伸设置，三角块704的倾斜面与三角卡块705a的倾斜面配合。

具体动作：首先在初始状态下球体702c-2堵住第一圆孔道C-1和第二圆孔道C-2，浮动球701b在重力作用下堵住短管701a底部；第二连接管505外壁还设置有与下方容置槽D连通的进水孔，水流在进入第二连接管505后通过进水孔进入下方的容置槽D，水在容置槽D内积攒，水位上升，浮动球701b在浮力的作用下上浮，此时卡板701b-4与卡槽702a-4脱离配合，弹出部件702在第一弹簧B的作用下弹出，导通件702c一并弹出，球体702c-2打开第一圆孔道C-1和第二圆孔道C-2，同时压缩第二弹簧E；卡板701b-4与卡槽702a-4脱离配合后，端块702b弹出，此处通管702b-1与短管701a连通，气压泵加压，将积攒的水从第一圆孔道C-1和第二圆孔道C-2内加压泵出，进而水流继续从第二圆孔道C-2加速流入第二连接管505内使得第二连接管505内整理的水流加速；导通件702c弹出后，三角块704与三角卡块705a卡合使得导通件702c固定住；解除配合只需要旋转转动杆702c-1，转动杆702c-1上可以设置扭簧706，旋转后三角块704与三角卡块705a解除配合状态，然后球体702c-2回弹堵住第一圆孔道C-1和第二圆孔道C-2；在扭簧706的作用下转动杆702c-1恢复成原先状态。移动块702a回复，压缩第一弹簧B，卡板701b-4与卡槽702a-4卡合。最终恢复成原先状态。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种文丘里式高速空化水洞试验装置，其特征在于：包括，

罐体(100)，所述罐体(100)上设置有进水口(101)、出水口(102)、回流口(103)；

收缩段(200)，与出水口(102)连接；

测试段(300)，包括管壳(301)和设置在管壳(301)内的文丘里管(302)，测试段(300)与所述收缩段(200)远离出水口(102)的一端连接；

扩散段(400)，与所述测试段(300)远离收缩段(200)的一端连接；以及，

连接组件(500)，一端与所述扩散段(400)远离测试段(400)的一端连接，另一端连接回流口(103)。

2.如权利要求1所述的文丘里式高速空化水洞试验装置，其特征在于，所述文丘里管(302)包括入口管(302a)、喉管(302b)和出口管(302c)，所述入口管(302a)一端与收缩段(200)远离出水口(102)的一端配合，入口管(302a)的直径向另一端递减，所述喉管(302b)的直径处处相同且与入口管(302a)配合，所述出口管(302c)的结构与入口管(302a)对称且直径较小一端与喉管(302b)配合。

3.如权利要求2所述的文丘里式高速空化水洞试验装置，其特征在于，所述入口管(302a)的直径线性变化，且两端直径比为5:1，管壳(301)为矩形。

4.如权利要求1所述的文丘里式高速空化水洞试验装置，其特征在于，所述罐体(100)内设置有与所述出水口(102)相连的内侧板(104)，所述内侧板(104)包括第一直板(104a)、第二直板(104b)、第三直板(104c)、底板(104d)，第一直板(104a)与第二直板(104b)高度相同且垂直连接，第二直板(104b)与第三直板(104c)高度相同且垂直连接，底板(104d)的一侧为与第一直板(104a)、第二直板(104b)、第三直板(104c)底部配合的矩形，另一侧为与罐体(100)内壁配合的圆弧形。

5.如权利要求4所述的文丘里式高速空化水洞试验装置，其特征在于，所述出水口(102)的底部与底板(104d)平行，内侧板(104)的高度大于出水口(102)的高度。

6.如权利要求4或5所述的文丘里式高速空化水洞试验装置，其特征在于，所述罐体(100)内设置有液位计(105)和增压减压接口(106)。

7.如权利要求1所述的文丘里式高速空化水洞试验装置，其特征在于，所述连接组件(500)包括驱动泵(501)、流量计(502)、调节阀(503)、第一连接管(504)和第二连接管(505)，所述驱动泵(501)的一个接口连接回流口(103)，驱动泵(501)的另一个接口连接第一连接管(504)，流量计(502)、调节阀(503)均设置在第一连接管(504)上，第一连接管(504)的另一端连接第二连接管(505)的一端，第二连接管(505)的另一端连接扩散段(400)远离测试段(300)的一端。

8.如权利要求2所述的文丘里式高速空化水洞试验装置，其特征在于，所述第二连接管(505)分别通过第一弯管(505a)、第二弯管(505b)与扩散段(400)、第一连接管(504)连接，所述第一弯管(505a)内有若干导流片(505a-1)。

9.如权利要求1～3、5～8任一所述的文丘里式高速空化水洞试验装置，其特征在于，所述收缩段(200)的内直径从靠近出水口(102)的一端到另一端逐渐减小；所述扩散段(400)的截面从靠近测试段(300)的一端向另一端逐渐变大。

10.如权利要求1～3、5～8所述的文丘里式高速空化水洞试验装置，其特征在于，还包括PLC控制柜(600)，包括控制模块(601)、操作模块(602)和显示模块(603)，所述操作模块(602)和显示模块(603)分别连接控制模块(601)，所述控制模块(601)分别连接驱动泵(501)、流量计(502)和调节阀(503)。

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