一种可调控的超高流速大流量水洞系统及调控方法

摘要

本发明一种可调控的超高流速大流量水洞系统及调控方法，结构巧妙，设计合理，方法实施简单可靠，水压高，水流量大，压力和流量可控，水流空化少。所述系统包括高压储水罐、增压机、高压储气罐、可调节压力阀门、超高速试验水洞、水轮机及发电机、低位水池和高位水池；高压储水罐内上部为气体介质，下部为水介质；高压储水罐上部依次经过增压机、高压储气罐和可调节压力阀门接回到高压储水罐上部形成气体回路；高压储水罐下部依次经过超高速试验水洞、水轮机及发电机、低位水池和高位水池接回到高压储水罐下部形成水回路；低位水池和高位水池之间设置有低压水泵，高位水池和高压储水罐之间设置有高压水泵；高压储水罐上分别设置有进气口和排水口。

说明书

技术领域

本发明涉及实验流体力学，具体为一种可调控的超高流速大流量水洞系统及调控方法。

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，国外部分水洞设备如下表1所示。

表1国外部分水洞设备

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。

现有的试验水洞系统中空化问题是对其影响的重要问题。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。现有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，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。

综上所述，建立截面积大于0.04m²的高水速大尺寸水洞仍然是世界性难题，其中关键问题是如何建立可控的高水压、高水流量水洞系统和需要配备巨大驱动电源，以及控制水流的空化。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可调控的超高流速大流量水洞系统及调控方法，结构巧妙，设计合理，方法实施简单可靠，水压高，水流量大，压力和流量可控，水流空化少。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种可调控的超高流速大流量水洞系统，包括高压储水罐、增压机、高压储气罐、可调节压力阀门、超高速试验水洞、水轮机及发电机、低位水池和高位水池；

高压储水罐内上部为气体介质，下部为水介质；

高压储水罐上部依次经过增压机、高压储气罐和可调节压力阀门接回到高压储水罐上部形成气体回路；

高压储水罐下部依次经过超高速试验水洞、水轮机及发电机、低位水池和高位水池接回到高压储水罐下部形成水回路；

低位水池和高位水池之间设置有低压水泵，高位水池和高压储水罐之间设置有高压水泵；高压储水罐上分别设置有进气口和排水口。

优选的，高压水泵和高压储水罐之间设置有单向止回阀门。

优选的，高压储水罐的进气口上设置进气阀门，排水口上依次设置排水阀门和排水泵。

优选的，高压储水罐和增压机之间设置有稳压阀门。

优选的，在高压储水罐内部汽水界面设置有可漂浮在水介质表面的隔膜，隔膜面积大于水面面积。

优选的，高压储水罐、高压储气罐、增压机、高压水泵和高位水池均设置在地面，低压水泵、水轮机及发电机和超高速试验水洞设置在地面上或者地面以下山谷内或者地下50m-450m深度范围的洞穴内。

优选的，超高速试验水洞包括依次呈一体设置的入口减缩通道、试验段和出口；入口减缩通道为收缩段，试验段采用等截面通道，出口采用渐扩截面。

优选的，水轮机及发电机的电能输出端分别连接低压水泵、高压水泵和排水泵中的至少一个。

优选的，超高速试验水洞的内壁喷涂超疏水涂层，下游排水管内壁喷涂或者设置弹性材料。

一种可调控的超高流速大流量水洞系统的调控方法，基于上述任意一水洞系统，假设初始状态高压储水罐和高压储气罐内均充满气体介质，压力与外界相同；高位水池中充水，低位水池中无水；对其进行如下调控，

压缩阶段；

高压水泵和增压机开始工作，使水进入高压储水罐，并将高压储水罐中的空气压缩进入高压储气罐，待容器内至少一半的体积充满水后停止工作'；将高压储水罐内的水排入高位水池，并使空气通过进气口吸入高压储水罐；

重复上述操作，直到高压储气罐内的气体压力达到水洞实验所需数值，最后一次充水过程之后不进行排水；

工作阶段；

水流经过高压水泵加压流入高压储水罐，之后经高压储水罐稳压后进入水洞试验段和水轮机，最终流入低位水池；低压水泵将低位水池的水不断抽到高位水池中，以补充高压水罐中的水；通过可调节压力阀门对高压储气罐内的压力进行控制，从而对超高速试验水洞的流速进行控制，确保高速水流的试验段有持续稳定的高速水流。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的系统，采用高压储气罐为水流提供稳定的持续驱动能源，可以同时实现大流量和高流速的水洞系统，通过设置高位水池和低位水池，实现水流的循环回路，解决大流量、高流速水洞的用水量问题。通过在高压储水罐出口与高压储气罐入口之间设置增压机，在压缩阶段提高气体的压力，从而提了充足的储备驱动能源。通过在高压储气罐出口处设置可调节压力阀门，从而对高压储水罐内的压力进行调节，实现水洞系统中可控的水流速度。超高速试验水洞高速水流直接接入水轮机的蜗壳，推动水轮机发电，水轮机发出的电能再供给高压水泵，大幅减少了外部电能供给量；从而能够实现高流速、大流量的水洞系统，解决传统的水洞系统依靠大功率水泵提供能量，对水流进行加速带来的问题。

本发明所述的方法，通过高压储水罐的进气口和排水口的控制，采用高压水泵对气体进行压缩，不单独设置空气压缩机对高压储气罐进行充气。由于水的比热容远大于空气，在空气压缩的过程中可以维持气体温度恒定，近似实现等温压缩，提高气体的压缩效率，还可以简化系统，降低系统的建设成本。

进一步的，水洞试验段、低位水池、水轮机及发电机设置在地面之上或者山谷内、或者地下洞库内，后两种方案可以最大限度地提高高压储水罐与试验段之间的压力差。由于水流在向地下流动的过程中，重力势能转化为动能，可以起到加速水流的作用。试验段深度设置在地下50m-150m深度范围内，这一深度的地层温度在15℃-25℃之间，每100m深度之间的温度差别不大于3℃。夏季时地下的温度较地表大气低，且较为稳定不受季节和地区的影响，可以大大提高水洞试验段水流速度的可控制性，还可以减少水流的空化效应。另外，设置在地下的试验段可以减少系统噪音，提高系统安全性。

进一步的，在高压储水罐内部汽水界面设置有可漂浮在水面的隔膜，如热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)等材料，阻止高压空气在水中的溶解；隔膜面积大于水面面积，以确保在水面位置变化的过程中隔膜可以始终与水面保持贴合。

进一步的，在高压水泵和高压储水罐之间设置单向止回阀门，防止高压储水罐中的水发生逆流，起到了保护高压水泵的作用，提高了系统的安全性。

进一步的，电能直接接入高压水泵，以减少水泵的能耗，同时消减水流的能量减少水流引起的震动和噪声。

附图说明

图1为本发明实例中所述一种可任意调控的大流量高速水洞系统的结构示意图。

图2为本发明实例中所述水洞试验段简图。

其中：高压储水罐1；增压机2；高压储气罐3；可调节压力阀门4；超高速试验水洞5；水轮机及发电机6；低位水池7；低压水泵8；高位水池9；高压水泵10；单向止回阀门11；排水泵12；低压泵出水阀门13、排水阀门14、进气阀门15、稳压阀门16、供水阀门17、水洞进水阀门18、水洞出水阀门19、低压泵进水阀门20；入口减缩通道21；试验段22；出口23。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种可调控的超高流速大流量水洞系统，如图1所示，包括高压储水罐1、增压机2、高压储气罐3、可调节压力阀门4、超高速试验水洞5、水轮机及发电机6、低位水池7、低压水泵8、高位水池9、高压水泵10和单向止回阀门11；

其中，采用高压储气罐3和高压储水罐1并联的系统，该系统还包括增压机2和串联在中间的稳压阀门16；在高压储气罐3出口与高压储水罐1入口之间设置可调节压力阀门4，确保高压储水罐1保持恒定、可调节的出水压力；

高压储水罐1设置进气阀门15、排水阀门14和排水泵12，在空气压缩阶段进行工作，对气体进行压缩，不单独设置空气压缩机对高压储气罐1进行充气。

在高压储水罐1出口与高压储气罐3入口之间设置增压机2，在压缩阶段提高储气压力。

在高压水泵10和高压储水罐1之间设置单向止回阀门11，防止高压储水罐1中的水发生逆流。

在高压储水罐1内部汽水界面设置有可漂浮在水面的隔膜，如热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)等材料，阻止高压空气在水中的溶解；隔膜面积大于水面面积，以确保在水面位置变化的过程中隔膜可以始终与水面保持贴合。

水洞系统的高压储水罐1、高压储气罐3、增压机2、高压水泵10和高位水池9均设置在地面，低压水泵8、水轮机及发电机6和超高速试验水洞5设置在地下深处。这样设置可以最大限度地提高高压储水罐与试验段之间的压力差。由于水流在向地下流动的过程中，重力势能转化为动能，可以起到加速水流的作用。试验段深度设置在地下50m-150m深度范围内这一深度的地层温度在15℃-25℃之间，每100m深度之间的温度差别不大于3℃。夏季时地下的温度较地表大气低，且较为稳定不受季节和地区的影响，可以大大提高水洞试验段水流速度的可控制性，还可以减少水流的空化效应。另外，设置在地下的试验段可以减少系统噪音，提高系统安全性。

水洞试验段如图2所示，分为入口减缩通道21、试验段22和出口23三部分组成。其中，入口减缩通道21为收缩段，通过截面的收缩起到加速水流的作用试验段采用等截面通道，提供稳定的流场保证实验数据的准确；出口23采用渐扩截面，降低水流速度，保证水洞系统的平稳运行。

超高速试验水洞5高速水流直接接入水轮机的蜗壳，推动水轮机发电，电能直接接入低压水泵8和高压水泵10等用电设备的能耗，同时消减水流的能量减少水流引起的震动和噪声。

水轮机出口的水流如低位水池7中，并通过低压水泵8将水注入高位水池9；采用高压水泵10将常压水注入到高压储水罐1，以确保利用较小体积储水罐能够提供大流量的高压水流；同时，在高压水泵10出口处设置单向止回阀门11，防止高压储水罐内的水发生逆流。

超高速试验水洞的内壁喷涂超疏水涂层，如有机硅和氟树脂以及其相应的改性树脂等材料，以减少阻力损失；超高速试验水洞5的下游排水管内壁喷涂或者设置弹性材料，减少噪音和振动。

本发明水洞系统的具体工作过程，包括以下步骤：

假设初始状态高压储水罐1和高压储气罐3内均充满空气，压力与外界相同；高位水池9中充水，低位水池7中无水。

1、压缩阶段

(1)关闭可调节压力阀门4、排水阀门14、进气阀门15和供水阀门17，打开单向止回阀门11和稳压阀门16，高压水泵10和增压机2开始工作，使水进入高压储水罐1，并将高压储水罐1中的空气压缩进入高压储气罐3，待容器内至少一半的体积充满水后停止工作。

(2)关闭阀门可调节压力阀门4、单向止回阀门11、稳压阀门16和供水阀门17，打开阀门排水阀门14和进气阀门15，排水泵12开始工作，将高压储水罐1内的水排入高位水池9，并使空气通过进气阀门15吸入高压储水罐1。

重复上述步骤(1)(2)，直到高压储气罐内的气体压力达到水洞实验所需数值。最后一次充水过程之后不进行排水。

2、工作阶段

关闭阀门排水阀门14、进气阀门15和稳压阀门16，打开阀门可调节压力阀门4、单向止回阀门11、低压泵出水阀门13、供水阀门17、水洞进水阀门18、水洞出水阀门19和低压泵进水阀门20，低压水泵8、高压水泵10和水轮机及发电机6开始工作。

水流经过高压水泵10流入高压储水罐1，之后进入试验段22和水轮机流入低位水池7；低压水泵8将低位水池7的水不断抽到高位水池9中，以补充高位水池9中的水。

通过可调节压力阀门4对高压储气罐3内的压力进行控制，从而对超高速试验水洞5的流速进行控制。

在水洞工作时，水轮机及发电机6开始工作，对低压水泵8等其它设备的用电进行补充。