旋转变径圆管内流场测试实验装置

摘要

一种旋转变径圆管内流场测试实验装置。主要为了解决现有实验装置中的用于流场测试有机玻璃变径圆管在壁面旋转条件下强度不足和旋转变径圆管折射率补偿困难的问题。其特征在于：旋转变径圆管流场测试装置包括变径圆管单元、支撑与连接单元、动力与传动单元与折射率补偿单元；变径圆管单元依次由溢流管、溢流嘴、切向入口盘、有机玻璃变径管、锥管和尾管通过法兰连接而成；动力与传动单元包括电机、传动轴及传动带，其作用是驱动变径圆管旋转；支撑与连接单元包括轴承，轴承座，支撑导轨、驱动轴支架等，起到支撑变径圆管与驱动轴、以及管路间连接与密封的作用；折射率补偿单元安装在变径圆管有机玻璃段，实现激光折射率补偿的作用。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种应用于流场测试技术领域中的旋转变径圆管内流场测试实验装置。

背景技术：

工业领域中存在着各种各样的旋转流动问题，准确的描述旋转流动的流动规律有助于改进流体设备结构的设计，优化操作参数，提高旋转流体设备的性能与效率。旋转变径圆管内螺旋流是一类复杂的旋转湍流问题，存在着周向旋转与流向剪切的耦合作用，兼有螺旋流动与轴向旋转圆管内强制旋转流动的两种特征，其中蕴含了复杂的湍流流动物理机理，在工程技术领域有重要的应用背景，例如运动壁面在湍流减阻中的应用，水力旋流器在井下油水分离和海洋平台的应用等。对这类壁面旋转耦合的复杂湍流运动的研究还非常缺少，目前仍主要集中在数值模拟的范围内，缺乏可信的实验结果，而限于数值模拟研究的精确性，对其定量的研究仍无法开展。因此，发展相应的实验设备与实验方法是研究这一复杂流动更为可靠的方法。关于旋转变径圆管内流场测试的实验装置,目前并未见诸于国内外的文献中,根据其流场特点,与之相关的流场研究装置与方法主要集中在针对静止变径圆管(静态水力旋流器)或绕轴旋转圆管内流场的测试,例如Marins等建立的静态水力旋流器流场激光测速装置。但是现有的这类实验装置普遍存在用于流场测试有机玻璃变径圆管在壁面旋转条件下强度不足和旋转变径圆管折射率补偿困难的问题。

发明内容：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种旋转变径圆管内流场测试实验装置，该种实验装置可实现旋转变径圆管内流场的测试，利用该装置可以模拟工业领域中这种常见的壁面旋转与自身旋转相耦合的复杂流动，并且能够实现其内部流场的激光测速研究，测试不同壁面转速、不同流量下变径圆管内螺旋流的流动规律。

本发明的技术方案是：该种旋转变径圆管内流场测试实验装置，由变径圆管单元、支撑与连接单元、动力与传动单元和折射率补偿单元四部分组成；

所述变径圆管单元，其功能在于使流体发生旋转，由圆管状的入口与多段直径不同的直管或变径管连接后组成；其中，由左至右依次为溢流管、溢流嘴、切向入口盘、有机玻璃变径管、锥管与尾管，所述溢流管、溢流嘴、切向入口盘、有机玻璃变径管、锥管与尾管之间均采用法兰与螺栓进行连接，通过止口 配合以保证组装后整体的同轴度要求；

所述溢流管为一端带法兰的管结构，管中部的外壁开有键槽与环槽，用于安装同步带轮，法兰一侧的内孔开有螺纹，用于安装溢流嘴；所述溢流嘴为一端带外螺纹的管结构；所述切向入口盘为中空盘状法兰结构，其内孔径与有机玻璃变径管的直管段内径相等，盘的一侧开有两个切向入口，流道形式为渐变截面，为液体进入变径圆管提供了通道，并使其形成螺旋流动；所述有机玻璃变径管为两端带法兰的有机玻璃材质变径管结构，其不同直径段又以此分为直管段、大锥段与小锥段；所述锥管为一端带法兰的管结构，法兰侧内孔为锥孔，锥度与有机玻璃变径管的小锥段相同，锥管后部内孔为直孔，锥管外壁中部开有键槽与环槽，用于安装同步带轮；所述锥管末端开有键槽、半环槽以及密封圈安装槽，用于安装可拆卸的活动法兰；所述尾管同样为一端带法兰的管结构，法兰端用于与锥管法兰连接，其内孔为阶梯孔结构，法兰端内孔略大，与锥管及O型密封圈配合；

所述支撑与连接单元的功能在于支撑所述变径圆管单元，实现动静分开并使管线联通；所述支撑与连接单元包括支撑座与导轨组件，由轴承座和调心球轴承构成的轴承座组件，轴承座底座，由入口腔与入口腔透盖构成的入口腔组件，由出口腔与出口透盖构成的出口组件，驱动轴支架，支脚，以及出口底座板与入口底座板；所述导轨组件由导轨与驱动轴支架组成，其作用是承托所述变径圆管单元，所述导轨的结构为矩形与三角形的组合导轨，能够较好的保证支撑结构装配后的同轴精度；

出口组件分别位于所述变径圆管单元的两端，与溢流管以及尾管相连，溢流管和尾管的两端分别插入前、后端的出口组件中，所述前、后端的出口组件均由出口腔与出口透盖连接后构成，溢流管和尾管的两端与所述前、后出口组件间采用PTEF唇形密封圈进行密封；溢流管穿过出口透盖，溢流管在工作过程中发生旋转，而出口透盖静止，二者间采用与PTEF唇形密封圈相同规格的密封圈实现旋转密封；所述前、后端出口组件通过出口底座板与导轨连接；所述轴承座组件分别安装在溢流管、锥管与尾管上，起到支撑的作用；所述入口腔组件安装在有机玻璃变径管的入口位置，起到容纳有机玻璃变径管入口，连接外部管线并实现入口与变径圆管动静分开的功能；溢流管由入口腔透盖穿过，同样采用与PTEF唇形密封圈相同规格的密封圈实现旋转密封；所述入口腔组件通过入口底座板与导轨连接；

两个驱动轴支架上开有T型槽，用于安装驱动轴轴承座，下端安装支脚，支脚由上下两个螺母安装在驱动轴支架上；驱动轴支架通过T型槽以及螺旋与导 轨的侧面相连；所述轴承座组件安装在两个驱动轴支架上，起到支撑驱动轴的作用；所述变径圆管单元中的溢流管、锥管与尾管分别安装在四个相同规格的轴承座上；

所述动力与传动单元，负责提供动力并将动力传递至所述变径圆管单元；所述动力与传动单元包括电机、第一V带轮与第二V带轮、传动轴、相同规格的2个第二同步带轮、相同规格的2个第一同步带轮、两条同步带；其中，电机通过可调节的电机安装板安装在地面上，电机轴转矩由第二V带轮通过V带传递至第一V带轮，第一V带轮安装在驱动轴上，其旋转使驱动轴旋转，驱动轴带动两端第二同步带轮，第二同步带轮通过同步带驱动第一同步带轮旋转，另一端驱动形式相同，从而驱动整个变径圆管单元旋转；传动轴通过轴承座安装在支架上；

所述折射率补偿单元包括水槽组件、水槽透盖与双侧有机玻璃板；水槽组件的一侧为与入口腔相连的法兰结构，水槽组件的另一侧端面开阶梯孔，用于安装水槽透盖的法兰；水槽组件通过法兰连接安装在入口腔右侧，有机玻璃变径管由左至右穿过，在有机玻璃变径管的大直管段与小锥段法兰位置采用2个PTEF唇形密封圈实现旋转动密封；水槽组件上部为开口结构，水槽组件的两侧为有机玻璃板，采用螺栓与密封垫连接到水槽组件上，水槽组件的内部用于充满实验介质；所述折射率补偿单元通过T型槽螺栓安装在导轨组件上。

本发明具有如下有益效果：为达到可实现旋转变径圆管内流场的测试的目的，本装置将变径圆管部分设计成有机玻璃材质，在保证足够强度的条件下尽量的减小变径圆管的壁厚，可以降低光强损失与折射影响，从而满足LDV透光的需求，解决了有机玻璃变径圆管在壁面旋转条件下强度不足的问题；增加的折射率补偿单元很好地解决了旋转变径圆管折射率补偿困难的问题。另外，本装置下模型的透光性好，可视性强，可以观察变径管内流体的真实流态；此外，本装置设计了双同步带驱动结构，在有机玻璃段前后旋转管上均设计同步带驱动，两个同步带由一根轴驱动，可以尽量减小有机玻璃材质的变径圆管所承受的扭矩。此外，本装置在结构上将电机与变径圆管装置分开，并在二者之间采用具有一定减振作用的V带进行驱动，从而可以减小设备驱动电机所产生的振动。利用本装置可以模拟工业领域中这种常见的壁面旋转与自身旋转相耦合的复杂流动，并且能够实现其内部流场的激光测速研究，测试不同壁面转速、不同流量下变径圆管内螺旋流的流动规律。

附图说明：

图1是本发明的主视结构剖面示意图。

图2是图1的左视图。

图3是本发明的外观结构示意图。

图4是本发明的外观局部剖视图。

图5是本发明所述变径圆管单元的组合装配图。

图6是本发明所述折射率补偿单元的组合装配图。

图7是本发明所述入口腔组件的结构示意图。

图8是本发明所述电机底座的结构示意图。

图中1-出口腔；2-出口透盖；3-溢流管；4-轴承座；5-调心球轴承；6-第一同步带轮；7-入口腔透盖；8-入口腔；9-溢流嘴；10-切向入口盘；11-水槽组件；12-有机玻璃变径管；13-第一PTFE唇形密封圈；14-水槽透盖；15-锥管；16-键；17-轴段挡圈；18-连接法兰；19-半环；20-尾管；21-导轨组件；22-第二PTEF唇形密封圈；23-轴段挡板；24-电机；25-驱动轴；26-第一V带轮；27-第二V带轮；28-V带；29-同步带；30-第二同步带轮；31-轴承座底座；32-出口底座板；33-入口腔底座板；34-驱动轴支架；35-电机安装板；36-有机玻璃盖板；37-电机底座板；38-支脚。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图8所示，该种旋转变径圆管内流场测试实验装置，由变径圆管单元、支撑与连接单元、动力与传动单元和折射率补偿单元四部分组成；

所述变径圆管单元，其功能在于使流体发生旋转，由圆管状的入口与多段直径不同的直管或变径管连接后组成；其中，由左至右依次为溢流管3、溢流嘴9、切向入口盘10、有机玻璃变径管12、锥管15与尾管20，所述溢流管、溢流嘴、切向入口盘、有机玻璃变径管、锥管与尾管之间均采用法兰与螺栓进行连接，通过止口配合以保证组装后整体的同轴度要求；

所述溢流管为一端带法兰的管结构，管中部的外壁开有键槽与环槽，用于安装同步带轮，法兰一侧的内孔开有螺纹，用于安装溢流嘴；所述溢流嘴为一端带外螺纹的管结构；所述切向入口盘为中空盘状法兰结构，其内孔径与有机玻璃变径管12的直管段内径相等，盘的一侧开有两个切向入口，流道形式为渐变截面，为液体进入变径圆管提供了通道，并使其形成螺旋流动；所述有机玻璃变径管为两端带法兰的有机玻璃材质变径管结构，其不同直径段又以此分为直管段、大锥段与小锥段；所述锥管为一端带法兰的管结构，法兰侧内孔为锥孔，锥度与有机玻璃变径管12的小锥段相同，锥管后部内孔为直孔，锥管外壁中部开有键槽与环槽，用于安装同步带轮；所述锥管末端开有键槽、半环槽以及密 封圈安装槽，用于安装可拆卸的活动法兰；所述尾管同样为一端带法兰的管结构，法兰端用于与锥管法兰连接，其内孔为阶梯孔结构，法兰端内孔略大，与锥管及O型密封圈配合；

所述支撑与连接单元的功能在于支撑所述变径圆管单元，实现动静分开并使管线联通；所述支撑与连接单元包括支撑座与导轨组件21，由轴承座4和调心球轴承5构成的轴承座组件，轴承座底座31，由入口腔8与入口腔透盖7构成的入口腔组件，由出口腔1与出口透盖2构成的出口组件，驱动轴支架34，支脚39，以及出口底座板32与入口底座板33；所述导轨组件由导轨与驱动轴支架34组成，其作用是承托所述变径圆管单元，所述导轨的结构为矩形与三角形的组合导轨，能够较好的保证支撑结构装配后的同轴精度；

出口组件分别位于所述变径圆管单元的两端，与溢流管3以及尾管20相连，溢流管3和尾管20的两端分别插入前、后端的出口组件中，所述前、后端的出口组件均由出口腔1与出口透盖2连接后构成，溢流管3和尾管20的两端与所述前、后出口组件间采用PTEF唇形密封圈22进行密封；溢流管3穿过出口透盖2，溢流管3在工作过程中发生旋转，而出口透盖2静止，二者间采用与PTEF唇形密封圈22相同规格的密封圈实现旋转密封；所述前、后端出口组件通过出口底座板32与导轨21连接；所述轴承座组件分别安装在溢流管3、锥管15与尾管20上，起到支撑的作用；所述入口腔组件安装在有机玻璃变径管12的入口位置，起到容纳有机玻璃变径管12入口，连接外部管线并实现入口与变径圆管动静分开的功能；溢流管3由入口腔透盖7穿过，同样采用与PTEF唇形密封圈相同规格的密封圈实现旋转密封；所述入口腔组件通过入口底座板33与导轨21连接；

两个驱动轴支架34上开有T型槽，用于安装驱动轴轴承座4，下端安装支脚38，支脚38由上下两个螺母安装在驱动轴支架34上；驱动轴支架34通过T型槽以及螺旋与导轨21的侧面相连；所述轴承座组件安装在两个驱动轴支架34上，起到支撑驱动轴27的作用；所述变径圆管单元中的溢流管3、锥管15与尾管20分别安装在四个相同规格的轴承座4上；

所述动力与传动单元，负责提供动力并将动力传递至所述变径圆管单元；所述动力与传动单元包括电机24、第一V带轮26与第二V带轮27、传动轴25、相同规格的2个第二同步带轮30、相同规格的2个第一同步带轮6、两条同步带29；其中，电机24通过可调节的电机安装板35安装在地面上，电机轴转矩由第二V带轮27通过V带28传递至第一V带轮26，第一V带轮26安装在驱动轴25上，其旋转使驱动轴25旋转，驱动轴25带动两端第二同步带轮30，第二 同步带轮30通过同步带29驱动第一同步带轮6旋转，另一端驱动形式相同，从而驱动整个变径圆管单元旋转；传动轴25通过轴承座4安装在支架34上；

所述折射率补偿单元包括水槽组件11、水槽透盖14与双侧有机玻璃板36；水槽组件11的一侧为与入口腔相连的法兰结构，水槽组件11的另一侧端面开阶梯孔，用于安装水槽透盖14的法兰；水槽组件11通过法兰连接安装在入口腔8右侧，有机玻璃变径管12由左至右穿过，在有机玻璃变径管12的大直管段与小锥段法兰位置采用2个PTEF唇形密封圈13实现旋转动密封；水槽组件11上部为开口结构，水槽组件11的两侧为有机玻璃板36，采用螺栓与密封垫连接到水槽组件11上，水槽组件11的内部用于充满实验介质；所述折射率补偿单元通过T型槽螺栓安装在导轨组件21上。

使用时，首先开启供液泵，实验介质由实验装置入口流进入入口腔中，并在充满入口腔后由变径圆管的双侧切向入口流入变径圆管中，形成螺旋流动。待整个装置充满实验介质后，开启实验装置驱动电机，变径圆管在其驱动下旋转，管内流体的流动规律也随之变化。分别通过变频装置调节供液泵的流量与驱动电机的转速，流量与转速存在一定程度的相互影响关系，因此需同步调节。与水力旋流器相同，变径圆管装置设计了两个方向的出口，同样称为溢流口与底流口，通过调节阀门，可以得到两个液体在出口间不同的分配关系。待流量与转速稳定达到实验要求后，选择合适截面，采用激光多普勒测速装置对变径圆管内流体流动规律进行测试研究。采用变频装置控制电机产生不同转速，实现变径圆管的不同壁面转速，透明管段变径圆管内流场可采用激光多普勒测速仪、粒子图像测速仪等激光测速方法进行测试。