CN116358829A - 一种水槽稳流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水槽稳流装置，作用于水槽中水进入水箱和整流段之前，可以起到一定稳流作用。主要由带有小孔的内外两层壳体，圆锥形顶部，由螺纹固定的基座组成。工作时使用螺栓将稳流器固定在入水口处，此装置安装在水流动过程中,能够将水流分化为不同方向的小股高速水流，使得水流更容易稳定下来，通过对比模拟发现稳流装置可以较好地起到稳流作用，使用商用软件对流速进行分析可以发现在使用稳流器后流速分布较为均匀。

Description

一种水槽稳流装置

技术领域

本发明涉及水下流体动力实验装置，具体涉及一种应用于水槽的稳流装置。

背景技术

水动力实验是通过水动力学实验设备来完成的。水动力学实验设备是流体力学中以水为介质的一类实验设备，水动力学实验设备与空气动力学设备模拟的相似准则不同。常用的水动力学实验设备有水洞、拖曳水槽、旋臂水池、波浪水池、风水槽等，水洞实验法是进行流体实验的重要方法，水洞是按一定要求设计的管道，在这个特殊管道中，借助动力装置产生可以调节的水流，在实验段中模拟或基本上模拟实物在水流场中的情况，以供各种流体力学实验使用。多数水洞是封闭回路管道，水流在管道中循环使用，它的结构类似于低速风洞包括稳定段、收缩段、实验段、扩散段、动力段和回流段等部分，实验段是实装模型进行实验的部件；稳定段装有蜂窝器，可以起到整流和降低湍流度的作用；收缩段使水流加速，以建立合乎要求的流场；扩散段的作用动力装置常用轴流式水泵。

目前水槽和水流主要使用蜂窝器以达到稳流的作用。蜂窝器为蜂窝状网筛，其安装在稳定段，通过使水流穿过网眼以稳定水流，通常在稳流段设置一段较长或是多段蜂窝状网筛使得水流的流速较为均匀的分布同时减小湍流度，但是受制于结构问题，其体积始终较大。且其虽能有效明显减小湍流度，但对于垂直于蜂窝器的输入水流效果不明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种减小水槽实验段流速分布差异以及湍流度的稳流装置，以解决水槽中实验段水流分布不均匀等问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种水槽稳流装置，包括：

基座，作为稳流器的连接构件；

同轴布置的内部壳体和外部壳体，且内部壳体和外部壳体上均设有孔眼，孔眼采取孔眼中心线错开的分布方式；

内部壳体用于将流体初步混合转化为水平流向，外部壳体将水流进一步混流排出；

圆锥形顶部，固定在内部壳体和外部壳体的上端，锥尖向下，圆锥角为45°可有效转化流体流向且具备一定的混流作用，用于与内部壳体共同挤压作用下将液体从内部壳体内排出。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

本发明的一种双套筒结构的流体稳流器，通过顶部圆锥形壳体和两层带有孔眼的壳体相互作用，将由底部进入的水流转为通过多股横向水流，使得单股水流直径减小，有助于减小湍流度以及出口的速度分布差异。

本发明的优点在于可以安装在稳定段的入水口，其与常见的蜂窝器相比，体积较小；同时由于其体积较小安装灵活，且该稳定器能将垂直水流改为水平分布的水流，同时较小的体积，不影响蜂窝器的安装，经过稳流器转化的水流便于蜂窝器的进一步的稳流。两者结合可以更加有效地稳定实验段的水流。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是稳流器内流体运动示意图。

图3是使用Fluent进行流体动力模拟的模型示意图。

图4是模型尺寸及稳流器分布示意图。

图5是未安装(a)与已安装(b)稳流器的模型内流向示意图。

图6是未安装(a)与已安装(b)稳流器的出口速度分布图。

图7是出口垂直方向中线上的速度分布图。

图8是出口水平方向中线上的速度分布图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1，本发明提供一种如下结构的稳流器，包括基座6、内部壳体3、外部壳体2和圆锥形顶部1构成。

所述基座6，是连接入水口固定稳流器的连接构件，其通过设置在基座上的螺纹孔使用螺栓与水流入口7相连接，与密封圈相结合保证稳流器的稳定。

所述圆锥形顶部1，是圆锥形的金属外壳，与内部壳体3和外部壳体2相连，通过圆锥形结构特点，将水流由自下至上变为水平方向扩散。圆锥形顶部锥角为90°，顶部为角度为90°的圆锥钢套以较好的实现分流作用。

所述内部壳体3，是内部具有较好结构强度且带有均匀分布孔眼5的金属圆柱形壳体，水流经基座6正中的入水口受到顶部的分流，以及壳体的挤压作用将水流从内部壳体3的孔眼5上排出。外部壳体上的孔眼为内部壳体上的孔眼直径的0.5～0.8倍，且内外壳体上孔眼为交错布置。

所述外壳2，是外侧具有较好结构强度且带有不规则孔眼4的金属圆柱形壳体，本体承受压力较强，通过与内部错开分布的孔眼将内部壳体产生的水流进一步加以整流，使得整流器产生的水流上下孔洞之间流速分布更加均匀，以达到整流目的。

图2中8为水流流动方向示意图，本发明的减小流速分布差异及湍流度的工作原理是：当水流从下方向上流动，在顶部圆锥形壳体的分流作用以及下方水流的挤压下，水首先由内部壳体的孔眼上排出，水流速度方向转化为向四周均匀扩散。同时水流在从内部壳体排出时，由于水流的作用，其上下速度分布存在差异，但在内外壳体上交错分布的孔眼作用下，水流在进入两壳体中间后，在内部外部壳体之间的空间内混流，之后通过外部壳体的孔眼排出，水流在经过两次的分流和稳流后，变为速度分布均匀的多股小直径水流。

本发明的应用方法是，将本发明串接到稳定段的入水口处并加以固定，可与蜂窝器结合也可单独使用，起到稳定实验段水流的作用。

本发明所述的流体稳流器包含但不限于本实施例所示的与流体输送设备和管路之间的螺栓连接方式，任何可实施可靠连接的连接方式均属本发明的权利要求范畴。

本发明不仅可以应用在循环式水槽，还适于其他需要稳定水流的水动力实验装置；更具有结构简单、可以配合其他稳流器同时起到稳流作用以及安装连接方便等特点。

为证明该稳流器能够有效地起到稳流作用，建立稳定段模型以验证稳流器的作用。模型主要由稳流器或对照水管9、水洞稳定段及收缩段10、速度入口11以及压力出口12组成。其尺寸参考现有循环水槽进行适当修改，如图4所示，其中模型包括稳定段及收缩段，高度设置为1.27H(稳流器高度),宽度为3D(稳流器宽度)，其中稳流器位于据模型左侧D的下壁面上，以模拟循环式水洞或水槽的流体进入稳流段和收缩段的过程。使用流体力学软件Fluent进行模拟，采用Realizable k-Ω湍流模型，根据以往的经验及仿真结果，可知该多相流模型和湍流模型可以较为准确的模拟该类工况中的流场变化。将速度入口设置为10m/s，可以得到出口的平均速度为4.2m/s左右，可以模拟常见水洞中的水流速度。

为证明稳流器的作用，分别模拟无稳流器和有稳流器的稳定段和收缩段流场变化，并将模拟结果进行对比。如图5所示，a为未装稳流器时，出口部分的流体速度分布图，b为已安装稳流器后，出口部分的流体速度分布图。由对比可知在使用稳流器后，出口的速度分布较为平均，其除边界外，速度变化较小，速度变化峰值为0.3m/s，其主要分布于上下两侧，中心位置速度分布均匀，而未安装稳流器的出口速度分布则变化较为剧烈，同时可以根据速度分布看到再收缩段的作用下左右及下侧变化剧烈，且由于水流冲击上侧壁面转折，因此上侧有大面积的高速区域。

公知的，实验段通常使用其中间位置进行测试物体的流体力学性能。因此提供较为均匀的出口中间区域的速度分布，是稳流器的重要作用。通过对比流向示意图(图5)，可以发现未安装稳流器时在大直径水流的作用下，流场内形成明显的涡流其在入水口区域一直延伸到收缩段后半段，在接近出口的位置才在收缩段的作用下，形成较为稳定流向，此时速度分布差异较大，而安装稳流器后，由于将水流转化为水平方向的小股水流，稳流器周围形成大量较小的涡流，在涡流的相互影响以及收缩段的作用下，水流在刚进入收缩段时就形成相对稳定的流向，此时速度差异较小。

结合图6以及安装稳流器前后的纵向中轴线的速度分布(图7)可以发现，未安装稳流器时水流直接冲击上侧边界造成纵向分布上明显的变化，同时从左至右其速度纵向分布也变化明显，与靠近中部变化越剧烈，而安装稳流器之后，水流方向在稳定器中变化，水流在稳定段充分混合后排出，其纵向差异较小，受收缩段的影响仅在左上右上以及下侧有一定的变化。结合图8可以进一步论证稳流器的作用，经过稳流器的作用水流左右变化较小，且中间段无明显的流速变化同时虽然上下两侧横向分布有一定变化但相较于未安装稳流器时变化较小，而未安装稳流器其速度分布较为剧烈尤其是在下侧由于受到收缩段作用其中间区域速度变化剧烈，难以有效进行实验。

本发明针对现有的水槽所安装的稳流器体积较大，且对改变水流速度分布作用较小的问题。本发明对于当前主要使用的循环式水洞均可以有效适用。本发明具有体积小，结构简单，安装方便的优点。同时根据水动力模拟结果可以发现，本发明可以有效改善水流的速度分布情况，减小所需的规律。

Claims (4)

1.一种水槽稳流装置，其特征在于，包括：

基座，作为稳流器的连接构件；

同轴布置的内部壳体和外部壳体，且内部壳体和外部壳体上均设有孔眼；内部壳体用于自下向上通入液体；

圆锥形顶部，固定在内部壳体和外部壳体的上端，且锥尖向下，用于与内部壳体共同挤压作用下将液体从内部壳体内加速排出，在内部壳体和外部壳体之间的空腔内进行混流后从外部壳体排出。

2.根据权利要求1所述的水槽稳流装置，其特征在于，安装在水槽的水箱入口，设置在稳定段的入水口。

3.根据权利要求2所述的水槽稳流装置，其特征在于，圆锥形顶部锥角为90°。

4.根据权利要求3所述的水槽稳流装置，其特征在于，外部壳体上的孔眼为内部壳体上的孔眼直径的0.5～0.8倍，且内外壳体上孔眼为交错布置。

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